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标题: 正经说个硬的：原子钟 [打印本页]
作者: 七月群山    时间: 2020-7-22 21:00
标题: 正经说个硬的：原子钟
本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑 8 @, ]6 G3 P, Z0 ]% L* y

6 W- C; Y+ j5 ?  m9 ]% ~9 R前不久收官的北斗-3（BDS-3）定位星座，用了一项顶牛逼的硬核科技：氢原子钟。8 i$ p2 B5 n; J8 _
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氢原子钟是通俗说法。正经说，北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器，简称PHM。
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个头、模样大致如此，二十六公斤。& k# Z. o, ~! B$ y- r4 w8 C6 |* J( S

! o: U2 L: A% K) z9 d; \# M氢原子钟，Hydrogen MASER（Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation），分两种：主动有源型（active）和被动无源型（passive）。主动型当然好了，是目前已知精度最高的，就是呢个头太大了些，要求的温度条件和材料也相当苛刻，在地面站没问题，上卫星就不现实了；被动型，就是现在北斗3系用的，精度大概好像可能是差一个0，但是比目前美国GPS的铷钟，还是精确了两个到三个0，也就是一百到一千倍，稳定性也更高，耗电量随之也增加了，大致好像是五十瓦的级别，用在卫星上还不是负担。
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8 G9 z' Q; g8 P5 T当然，北斗3系是氢铷钟复合的双保险，这也是新卫星的主流——在卫星方面，目前，中国自己，还真就是主流，平均两星期发一颗，没别人了。
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/ L9 h6 A; L4 N2 P+ d( t2 r) R定位星座，美国“老大”，大不大另说，老肯定是够老的；俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的，但和中国比嘛，理论上是没有代差啦，而且俄版自称抗干扰（此话怎讲？）方面有优势，但他总共就24+3颗的实力，可靠性也明显比我差；欧盟的伽利略，用的法国欧赫利亚（orolia）公司的产品，虽说重量上有优势（18公斤），耗电更低，但毕竟是民用级别的，精度被咱碾压不说，最要命好像是，还没射过？
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还有一个印度，印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站，把印度排在美中欧俄日之后；印度科学家不乐意了，说，如果把人口和总投资之类的因素加进去，印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒，总能把印度算成世界第一，连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。: W& D' t* `6 r
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也许有人知道，在中国的北斗2系之后，大概是2013~2016，印度发射了7颗卫星的区域定位系统，叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场，还想抬举抬举这个navic来着，不过印度至今也没搞出来相关的芯片，就更别提软件了。那这个navic干嘛用的？或者说有没有任何应用？这是印度之谜！
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/ v' d; |4 e7 \( x7 ~3 d+ |不开玩笑，印度那威客的实际情况是，成网的第二年，一号星停摆了；然后补发一颗，失败了，到2018年再补发，按说是成功了，但其它几颗的可靠性明显的不行了。
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啥停摆了？原子钟啊！当年，2013年，印度虽说自己造不出原子钟，可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟，虽说是民用级别的，毕竟是伽利略系统的供应商，（就是orola的前身，orola目前也是华为的供应商），，，不管怎样，反正，在原子钟方面，印度目前是，空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑，其它的，比如导弹啦，无人机啦，，，等等，都必须仰人鼻息，“大国”悲哀莫过于此。
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说些个大家可能百度不到的。
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* f% M' d5 f( M( d9 q===前方高能===1 }* S- t* F5 y
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原子钟的重要性，中国科学家早就明白，但是啊，新中国那叫一个一穷二白，看着hp——没错，就现在笔记本的hp，在咱炮打司令部之前，1964年，hp就造出了便携式原子钟，眼馋啊，哈喇子流一尺那种。2 }- Y. U2 _# c( {; p

" N- [8 K3 R% ]3 ?4 M" ]3 s那年，从字面意义讲，“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的，懂吗，它可以是上帝，或者阎罗王。
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" V* R! B1 J0 Q, b0 e( w7 X惠普当年的铯钟，吊打全世界。
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1964年的我们，面上菜色未消，胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣，就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年，达成第一阶段小目标，我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧，，，等到“文革”消停了几天，“余毒”还没肃清呢，英明领袖还是华主席呢，胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢，，，已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动，甚至扬言，要把失去的“时间”夺回来！
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那是一帮时频的工程师。不对，他们那时还没有职称呢，都叫“技术员”，每月37元的工资，因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里，有三个蹲实验室的“技术员”并不开心，因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙，而小余的娇妻是三线蹲放射性的，两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门，那年月，挨大嘴巴。。。结果是小烨去的，也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器，完事也没客气，把大半罐子的肉炸酱都拿走了，因为他第二天倒休陪老婆，不打算出门。
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时频，无线电，放射性，说的都啥？“时间”的原理或许你懂，可要把它固定在机器里，再以难以置信的精确度同时拿出来，是奇迹。5 Q2 ]0 E, Y' o2 t0 a4 R; H+ p

4 \6 `  T" R, I; e5 N9 a1981年，时频的技术员们第一次“真正”做到了，精度达到十的负十三次方，追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里，而且我们再也没撒过手。
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1986年，十的负十四次方。
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& n6 ^  J( o3 Y5 A2003年，十的负十五次方。7 r& m- |5 l* J% _- [( F6 b; m/ Q; {

% j! j, |+ u  V2 A" u  y2017年，十的负十六次方。; e) j$ m# W/ o) q/ N& k; T$ F! X
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这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平，敞开了让你看，你花钱就给你做机器，绝不藏着掖着。
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- V* b. ?7 W; h( a今天，再去问时频“小烨”，他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺；而放射性的罗阿姨，总会抱怨几句山洞里的实验室，害她犯关节炎；无线电的小余呢，对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。. F6 m6 T: B# i& I* s
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作者: 红茶冰    时间: 2020-7-22 21:54
国内第一台铯钟在1965年就完成了，领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。
% a- D5 B' x  z: o4 b真正的难点在于原子钟的小型化，这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除，所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟，曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。
作者: testjhy    时间: 2020-7-22 21:55
北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼，分了部分星座给科学院，导致五院大为紧张，双方竞争加剧而促进北斗代际加快。
作者: lorry    时间: 2020-7-23 07:53
电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步，可以代替铯钟。
作者: 响马    时间: 2020-7-23 08:17
看了这么一点不过瘾，有没有这方面的科普书可以推荐一下，谢谢
作者: 忧郁金桥    时间: 2020-7-23 08:47
本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑
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, q+ n. V2 a2 N& n& r群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；- e8 h! P  R( S) e* x' N
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。7 w/ X. _" e& y( |5 D6 q
谢谢，“车旅系列”还能有第2季吗？
作者: mezhan    时间: 2020-7-23 10:41
每月37元的工资 ------ 中专起步工资
作者: radioradio    时间: 2020-7-23 18:45
安捷伦的铯钟，现在还是只能让人望尘莫及的水平，据说现在都禁运了
作者: 红茶冰    时间: 2020-7-23 22:56
radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
2 z8 l. `. t. g5 v; n安捷伦的铯钟，现在还是只能让人望尘莫及的水平，据说现在都禁运了

% V+ Q# u1 k6 i/ ~4 {原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务，后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。/ c3 v+ V- N+ q" d1 q, _& x
他家的铯钟在基站上很常见。
作者: radioradio    时间: 2020-7-25 13:35
红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56( R7 I! J) j* n$ q- x
原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务，后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
  d' P# M1 E4 ], N- n他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好! `& L  G0 @6 J- O! ?: u" n
5071A好像这两年不好买了
作者: 红茶冰    时间: 2020-7-25 22:56
radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
# c9 z# ?" S( r短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
3 M+ r8 ?  m% a  l& b8 J9 h- E9 H5071A好像这两年不好买了
' c+ R+ O3 j, N) t8 S
这个短稳长稳有出处嘛？1 U- J$ }8 V( _3 o
铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~; v( A/ Y/ g; s
所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说
作者: radioradio    时间: 2020-7-26 12:48
红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56
2 A4 P- [5 q. `$ L2 Z' Y这个短稳长稳有出处嘛？
) P) u) w6 y4 a0 R铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...

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9 m4 n! a; W6 y+ ?4 p+ v  ^
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图1 q" \5 O2 c2 z2 ?  z
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的稳定性好，随着时间拉长，氢钟的稳定性（阿伦方差）就开始往上翘了，而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。
作者: 北京阿新    时间: 2020-7-27 03:01
红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56" }2 z) j& u  j; F, W! f
原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务，后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
* `! C% K% n, K9 i他 ...

, x7 u  r! b3 Q0 C安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
作者: 红茶冰    时间: 2020-7-27 03:35
radioradio 发表于 2020-7-26 12:489 {/ W$ s6 p* J  Y% L
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
& F! V  k0 v; I. U6 b" r这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

! k2 C" u/ r) n你说的这个是冷原子喷泉钟吧？传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
8 P7 {  j; _( Y1 o冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了，只能空间站或者大型卫星上使用。7 k/ X; ?5 s/ k
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
! L6 q1 P( J9 T/ m0 u# F) G你说的这个是冷原子喷泉钟吧？传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
% s+ C9 l- _4 t冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
) l9 s8 z6 E& U9 h; H5 s- L
可能高端的铯钟做的更好一些吧
: I2 }9 u& Q( f从射电天文学的反馈来看，观测的时候都是用氢钟，利用其短稳  m( [5 B' Q. g5 S5 O
时间基准据说用的是铯钟，利用其长稳
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:34
北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01
" |0 Z! G6 T$ |+ @安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

9 n% }: [* y0 F+ P4 Z3 t嗯，惠普 - 安捷伦 - 是德，不知道后面怎么变
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2020-7-28 00:56
radioradio 发表于 2020-7-27 11:33
% d5 I4 m1 N. O可能高端的铯钟做的更好一些吧2 f( ~! W1 U. R3 H, x8 {1 {3 W
从射电天文学的反馈来看，观测的时候都是用氢钟，利用其短稳
! h$ a! Z8 A! ]- O* s2 ^- V& b时间基准据说 ...
: O" s* {( _, S$ e
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
作者: lorry    时间: 2020-7-28 09:50
时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
作者: radioradio    时间: 2020-7-28 10:29
陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:569 I4 ^5 i5 l; K2 N/ K
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

" j" D7 M! Y' F  |! x如果原子钟是放在一起的，可以本地直接比对，找出相互之间的差值，根据长期的数据，可以评估出各个单台原子钟的稳定性，用算法算出一个综合的时间，大家向这个综合的时间看齐调整
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( k; h; q! F5 ^0 u2 M0 ]8 E3 H6 [+ f不在一起的原子钟，有基于卫星的、光纤的，等等方法进行比对
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2020-7-28 11:41
radioradio 发表于 2020-7-28 10:29; ]  N6 z: @. H2 `0 i5 x
如果原子钟是放在一起的，可以本地直接比对，找出相互之间的差值，根据长期的数据，可以评估出各个单台原 ...
' p1 }3 P0 J2 @/ ~# Q0 X2 N2 U# S
像卫星上的原子钟，隔了几万公里，距离也不确定，真的好奇如何进行时间同步。
作者: radioradio    时间: 2020-7-28 17:07
陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 11:41
8 O# P* y4 P$ i+ }8 C6 V* s' `像卫星上的原子钟，隔了几万公里，距离也不确定，真的好奇如何进行时间同步。 ...

1 M/ u5 w3 J& e& o1 s; v比较可靠的一种方法：  S. o$ k! x$ z
卫星上装个信号转发器，地上发一个信号上去，卫星不做任何处理，直接转发回来，这一去一回的时间就知道了，那么就可以测出距离来。8 H- C7 S" T: C' q' ?
知道了距离，那么信号在路上走的时间就知道了，时间同步也好弄了。
$ ^, b; V6 j  r  M: R5 ]" o大概是这么个意思。- ]3 c# _6 |& K  {5 p

$ U  R* z1 D4 ~4 p$ d' a其他还有基于星间链路等等，那就花样多了，总之，方法是有的，而且同步精度还可以做的很高。
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2020-8-1 01:40
radioradio 发表于 2020-7-28 17:077 n7 x( y( M; M* ?$ Z8 m9 U+ s
比较可靠的一种方法：/ C; K+ S( \; v' t4 n# K. [: {
卫星上装个信号转发器，地上发一个信号上去，卫星不做任何处理，直接转发回来，这 ...
* M, W7 n$ s" J" e$ Y
谢谢提醒。原理上思考，可以在地上装一个角反射器，卫星发射时钟调制信号到地面，反射回去，出现相位差，从而得到精确的瞬时距离，这个距离可以同时调制在发射的信号中。地面同时一个分支接收信号，解调得到卫星当前时间，加上已经知道的延时，就可以准确同步了。
作者: 包子    时间: 2020-8-1 09:16
你们对真空管做了什么？
作者: radioradio    时间: 2020-8-1 22:31
陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-8-1 01:40( g+ m: R# E$ S. d+ F
谢谢提醒。原理上思考，可以在地上装一个角反射器，卫星发射时钟调制信号到地面，反射回去，出现相位差， ...

) }& }1 m2 {( [. s0 \1 i) v% E" }角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说, K: ]6 u0 T' {/ a
地面发，卫星反射，地面的发射功率、接收天线都可以做的很大
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2020-8-2 01:27
radioradio 发表于 2020-8-1 22:31: c! ~4 T- T1 N' ^* O! P
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说% o2 X9 e; s  S5 N
地面发，卫星反射，地面的发射功率、接收天线都可以做的很大 ...

9 ?  K, Z& N5 n/ j1 V好主意！
作者: 柏林墙    时间: 2020-8-7 21:04
卫星那个是用时隙的，原理可以百度之，很容易懂
作者: 随便看看    时间: 2020-8-12 13:45
radioradio 发表于 2020-8-1 22:31
2 z. H; C2 [5 ~& p2 u% C- ]角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说+ P# ?9 @0 i1 h. I  L
地面发，卫星反射，地面的发射功率、接收天线都可以做的很大 ...
0 K6 q( T2 Z" Y! [+ L& O
大气扰动很难处理的，还有卫星速度和轨道的变动会带来附加误差。
作者: radioradio    时间: 2020-8-13 10:01
随便看看 发表于 2020-8-12 13:452 I$ R' f, f6 R: R, C5 z
大气扰动很难处理的，还有卫星速度和轨道的变动会带来附加误差。

2 {6 m- v% K# H5 K4 K这种一来一回，时间短，路径相同，大气扰动等路径上的因素能不能就可以直接抵消掉了？当然，对于测距离的话大气扰动是抵消不掉的，但是时间比对的技术上，这种一来一回方式的路径上的因素，是可以当作抵消掉的。
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卫星速度轨道方面，我基本上不了解，期待专家解读。
作者: 随便看看    时间: 2020-8-13 11:20
radioradio 发表于 2020-8-13 10:01
( O% _0 e8 q7 `3 t$ Q* d2 G  C  \这种一来一回，时间短，路径相同，大气扰动等路径上的因素能不能就可以直接抵消掉了？当然，对于测距离的 ...
: O: s( x" N, K. ]; j5 b: E# w
大气扰动带来的附加路径一来一回附加时延应该是x2而不是抵消的。在制作gps驯服钟的时候可以认为星载时钟基准没有累积误差，通过长时间平均来消除随机路径误差，至于星载时钟基准间如何互相校准，不熟悉，按说由于同批不同星载基准时钟不确定度相同是无法互相校准，只能互相认可数据。
作者: radioradio    时间: 2020-8-13 11:46
随便看看 发表于 2020-8-13 11:20  _" V! y. v7 i
大气扰动带来的附加路径一来一回附加时延应该是x2而不是抵消的。在制作gps驯服钟的时候可以认为星载时钟 ...
! S. c# D, f$ l2 g5 J
可以参看这篇：, H1 b5 h6 H: j2 Q2 X

: l1 ^, j6 Q! {4 V7 U( s  K3 [http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html0 E+ z! n  o" a5 A  ~6 M

8 i; H7 \* a0 l“该方法不仅利用了星地无线电双向法的优点, 消除了卫星轨道误差、卫星钟误差、地面站址误差、对流层延迟误差等公共误差, 削弱了具有频率相关特性的电离层延迟误差; 而且利用了共视法的优点, 经两站之间进一步求差, 二次削弱了具有空间强相关特性的电离层延迟误差, 同时基本消除了卫星上下行天线相位中心不一致误差. ”% [9 P" n( _' s* h9 {: z$ y9 y

- `# O# H; L- K- G6 _6 A更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：" y, }; A4 i$ ^& Y
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html3 p) x( t* O. J  J2 A( I

* ~6 i: H0 B0 k我肚子里也就只有这点货了，再深了我就说不上来了。



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