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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
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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。! A' m' p3 s  E/ ^0 n/ ?: {# _# P
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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。
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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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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。- f7 }, X! s4 Z1 V" m" I( J
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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？7 g% j/ Q& w: }! f
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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。6 D% S7 m1 u& l! O) L7 h

* ^) P/ S5 q4 ?$ \$ a6 P5 @# B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- q; E7 v1 n( F5 e. h5 p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。* r5 Q* n1 G) s4 I8 M+ }

& h  s6 c/ C9 ]6 c+ Z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。- U; ~/ g0 I8 m& F

, j8 a* @! U3 N" c: H& M1 ]+ f0 E  g说些个大家可能百度不到的。# W7 v. B7 N* ]1 |0 R3 F& N
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===前方高能===2 B7 I4 u0 f& C5 A* C% i6 S

" ~  B2 {0 V) b' Z, X. c8 X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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0 |9 l" |+ K4 V0 w8 e% D9 T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。* K# F# A& @: S/ k0 [2 I& O
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# R5 s9 H4 e; D惠普当年的铯钟，吊打全世界。
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( G3 z! y# o/ Q; c2 o1964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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! T# R% `9 Q8 h6 T) L5 M- }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。. Q8 r, A, B$ `  p" g: a0 p# R7 K
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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。
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1986年，十的负十四次方。; h, a5 b: O! O1 o  G( x

9 j7 |4 D! }3 s$ \& Z* t2003年，十的负十五次方。
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2 L, |/ l$ H* N% V& d; _9 [* C- ]" r2017年，十的负十六次方。# O% Q$ k3 n* s

( N/ @' l# J# p7 |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。( Q7 f- O; i3 h( |) k% z7 W+ Y+ M
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: G2 q& k+ v3 F6 U. B- X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。
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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。6 D, v" k* Z0 ?$ Q, F
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
  o1 _3 m  I" U; {- L
: m2 {" Y& E2 c0 p3 h" l群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；$ i. _2 a0 V) E! v9 u. M7 V
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
; N# B% C3 H/ P9 \5 T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
/ F6 K9 ]  a$ R: q0 b9 Q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

; ^2 y3 b" o& l8 t4 f; t4 e6 M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。
0 J' g3 a' S- D5 `8 I  L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
8 I, Y/ i, s, l0 x1 j% w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。
3 B% ~, j1 x, r4 p1 m; j  R% i他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好9 c0 S# ?1 B: K3 z$ j
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' T+ N9 d8 X) i7 T' W9 U
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好. x1 T7 K+ S) v8 K
5071A好像这两年不好买了
( H$ H- b' o) D  W5 w4 j+ u
这个短稳长稳有出处嘛？
1 m! m2 f) U; R" W4 d" G! 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~~# u0 {2 z0 H2 N5 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
  P2 }( [3 O$ b' w- M% ?这个短稳长稳有出处嘛？
7 _4 S3 l: r8 c1 P) E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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& ?. x5 _9 J7 d( u6 C$ l没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图9 N! E8 U6 _/ 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
  g( r- [8 x! d# v9 G3 v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。
* p* M- D$ ~( H2 u$ m  `他 ...
' K( K8 ~) \8 N4 f
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
  E/ h6 O$ L1 K! U! u! M0 V. N没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
( Y7 w6 Q2 I, l& S# \! b这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

% F$ a7 e& @% h6 W1 c4 L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。# h2 O) p6 l& a2 x/ j7 |6 U3 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。  f, H6 V& l* t/ g
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
+ b( N9 \- Y& c+ x* {6 ~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。
9 Y& f+ E! n7 N" S' u8 q0 f9 E冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
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可能高端的铯钟做的更好一些吧
; R6 W8 }1 X; A+ b& 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
( m% M' |/ h. T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
- v  ^' |' S+ @6 B安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
( k  E7 N3 J: W9 N* W
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
" i* Z' `4 Q) a& ~: o0 b# K# z可能高端的铯钟做的更好一些吧1 ?. K) ^$ R+ v) V* s! p$ D
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! G7 t  b1 J% f' i
时间基准据说 ...
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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
" _% M; ^6 n5 F7 ?请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
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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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# w* Y5 t/ l$ }% |$ Z! o" 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 10:29) F9 Z5 h+ U7 _- M& J
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 ...
) A; F, `! W8 H: b* f* L
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
5 b8 J3 A. Q( I/ g4 H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。 ...
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比较可靠的一种方法：5 T/ J2 a7 b" o* t
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。
) m) L- p7 W* H' f5 a$ j9 G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。1 y- ?' M( @7 v1 P
大概是这么个意思。
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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  J4 a- p5 j" E5 i" s, l( ?
比较可靠的一种方法：, N2 q6 W; O; T
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 ...

, r( h2 n! S6 d5 F2 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
7 J  ~0 W+ T1 E6 F5 Y, S' `; z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， ...
4 M0 g( m. W5 Z+ h! J: W/ r
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
, J9 O" T9 ^) L4 V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, b0 n3 R% j$ A; k; h7 ~
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
% o; M% o  i; g6 s8 A4 W) R9 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 ...
5 S! a- c' e3 Y; g
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
) Y9 R3 g3 S1 Y, @角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
; c2 z6 \! w$ x$ r9 g( j% ~7 V# 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 ...

! @: P- B& s/ |; v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 13:45( W1 V! I5 f5 a0 `# a
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。
: b1 j/ `1 e) r, u. r/ N
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。
. I3 f- D: g8 i/ \- Q4 @4 I+ L" A9 t; I* _" Y6 q
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: P" a! _( _) }, x1 C5 B
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 ...
% S0 l- u; n( @
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
  u' c( Q. j. Q3 v0 g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 ...
8 }% w+ }3 Z) T% N
可以参看这篇：/ Q/ E8 m) O3 `/ C) p. W( F' X

# X; _5 R: l" N1 W) d; O2 q) Phttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html0 l& h: Y) f! [
8 z: W, ]- h# }& ~! b- E
“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. ”: @1 }  b* o6 d( o* Y
, F" e2 Z* e) l% T- H; ^" M
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
' a) V) D7 x- S" t! Bhttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
- r( e. j( W# r# @# p' i6 E0 v* ]+ _% ~7 ^
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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