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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 * W' {. U% ^2 E" G

  L" |" t4 r# A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。2 f' r1 ~* Y2 j) f
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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。0 W: H; v! E6 _6 H

5 n; L) g+ }' J3 u' l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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* P+ g9 K8 _' j! U, `2 z7 }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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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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( G3 F1 S+ `& V4 O/ a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。
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; X0 Z, E# u* v3 L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！0 S+ X( T5 X5 G  p' h4 A6 ~. M8 L% C
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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。) i, G1 q8 I4 D4 ^& L$ x) b6 }
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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。5 G& k! Q: L, l- u0 }* Z

1 U! E3 W, M% Y===前方高能===
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6 u6 y8 e5 U3 N* w' E0 }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。
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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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' z4 t' a1 ?  b2 o4 n6 x6 M惠普当年的铯钟，吊打全世界。; h% n7 _6 C0 Q! j

* e& @! `* ?. F0 @# j! l* y; t- C1964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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, F/ c% J1 t2 B! H0 S% Q9 B2 f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。
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1981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。5 w2 _' A' F. z6 p2 N% U& b& X9 `
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1986年，十的负十四次方。* n% r1 v3 n6 @& ?8 t/ G0 Z$ e7 {( O
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2003年，十的负十五次方。: q2 `! s8 v7 y4 g* J* |

* v: O  d0 j( M9 M2017年，十的负十六次方。4 _% Z, {! I0 G( b# q
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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。0 w" D3 Y8 H& J( G& s

* L! ?2 o. |. E3 c, q; u。。。
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( O! n8 W( }7 ?# P; i6 @" {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。& [( \- p% _  L2 {- d( K

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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。
4 c% k1 T( u* l! I- x: U/ L' c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
' F* [1 C) T0 ^  j" t  R; G$ {
8 |; W7 Y8 O1 i群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；7 E$ ?, l7 f* D$ G0 ~0 F
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。% y% `4 D. R& G# ^
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' f: V9 U/ Q* q0 f! n8 ?; D
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
6 M( {% d: T# G6 o( g! @
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。. L# x. b5 o% u& _  N. w" I1 @
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
" v# \" [# ^* a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* V6 }4 X0 S$ {* o6 |$ U他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好5 I7 Q4 c" ^8 V  l# ?+ g/ \
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 13:352 p  y& r8 X% g! v6 F
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好8 ^  |$ M% U$ c4 R. v2 j
5071A好像这两年不好买了

- l  x8 x3 U7 ]$ B& U# u这个短稳长稳有出处嘛？
& X" e8 A7 ~9 y/ |3 B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~~
- e9 q; S2 ~6 X/ ]) m1 F$ Q; d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
5 s- X, h# E9 G6 o6 W& \这个短稳长稳有出处嘛？
, y9 a3 ^  U6 M3 m- j. H4 I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 ...
+ G0 G- `" G/ n; P/ ~# E7 x
" n6 Q& C9 n+ o1 T5 r  F+ ~
5 s: `  Y0 h: \( L
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
; B* `# T3 \. M. _5 _$ g/ w- V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# d. U0 M( e6 k; X  m5 U* p* J
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。
1 _2 W1 o4 }9 w/ M5 l# q8 n6 `2 i他 ...

* a$ U. b. t; ~, C6 ]1 f2 m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 12:48
3 A3 o. Q, Y. w+ U3 _没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图3 a# ^7 l! ^# t
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

3 f" V4 S8 ~( d$ @; }; K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。
) j+ {: x& s8 p  P/ v& X& j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。
( v% S( q" U, |# Q
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:357 E" K9 I& a7 m. X; S0 D. f
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。
6 ^  v  `# m, [, d冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
* B$ i7 D! d) t2 u
可能高端的铯钟做的更好一些吧
5 M8 w- `+ `2 {* z* ~0 i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
/ B* {$ R$ j9 k9 n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
. z8 W6 e0 ~2 f$ N* X. @9 v! c安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
9 y* e- M& O: ?
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
: S# R( k4 W8 H3 u可能高端的铯钟做的更好一些吧
) X2 |. M4 ]5 q  n# B6 q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
) L# C' J+ I/ J. w; T8 h时间基准据说 ...

- Z1 k, C! G) v1 z9 D  J( S* L% S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 00:56
6 m, z' G9 ~1 \4 M5 W请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

7 p# f; N5 n! S5 m! H8 y% I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
/ T3 c( U, _, d: X1 e* p5 O
5 f& M9 H: w/ m+ d  G: x# O# |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 10:298 c# |) A1 S" V1 Z3 L3 A# k# E7 q
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 ...

* P6 X0 h' X6 F+ Y4 A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
& J. O' r" G  D: N, a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。 ...
0 X% I5 \: m) O3 Q& ]
比较可靠的一种方法：. q- o$ p, e9 |% i7 R
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。0 x; |5 Z  A: g: ]. 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。
* |; w6 b4 i9 m. g( t大概是这么个意思。, D: `  _( u7 @

) F' v2 m! Y% U( ]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 17:07
( j! Q' J3 ?, C2 o% h% U3 N9 c- r比较可靠的一种方法：
+ i. e. `" q0 ?% N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 ...
4 w* q1 `2 B3 u+ U0 B! U
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
0 L6 {: ~8 l6 x1 F% @7 T, l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， ...

' a9 v$ q7 q  E. z& S角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
$ X# b+ B3 p$ ?% H$ \, Z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. N# R4 T1 F0 R0 i
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说; z9 ?, E5 K7 S9 Y) F5 n6 S
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 g9 ?' b1 ?: u: `! p+ R, H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
* _4 V0 x6 X2 u1 }& k角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
) {/ F; e7 b$ O; W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 ...

" w$ v$ g0 n# x3 \% x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 13:459 X& ^# u3 O0 l1 @) y
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。

6 g. Q' Q7 B* y( c" y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。( a+ i5 F- A  X+ s' J, D
1 A, j* u" k" h, [* G, {! n
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
1 t0 a. W# W7 k7 z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 ...
* ^, F) C& f* `' Z1 z/ j6 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
% s4 V6 u. f: j8 E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 ...
4 z. i. B3 E# X; L8 z( H# g
可以参看这篇：( T# A; ]* g+ \6 R/ v

! O& f8 `8 q. L# {http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
& g, f* e6 W/ ~6 Y. W" E4 m3 {# J4 b
6 |$ s: v' G; Q7 f, g& j  J" u“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. ”! p" Q- ^3 Z) @" o4 ^8 T) H4 O
$ y3 J4 I+ p9 T( Y; Z- h, H8 m, ^
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：. }' i( w6 {! ^3 a9 q
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html, N: b, }2 R6 V: h# Y2 P
7 [9 H8 v) h3 r# ^! t; ?
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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