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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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& J! G1 }. ?' Y+ l, P4 |. S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。
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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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9 K' K) p/ k8 v1 O' j+ j5 F个头、模样大致如此，二十六公斤。
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* r& v1 V3 N+ |0 _* w( ^* j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。% {- ^3 |1 y9 ?0 Q
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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。: s" E4 b# v& F( J; s
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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？# o. @4 k8 L6 S
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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。
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8 b- `2 K! }! S0 T0 f+ G9 t) w* ?: K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！, H+ @0 v. p- j7 M2 O3 c

6 r3 J) D  A2 a* ?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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2 t* X+ ^: {' S! [* {2 a% I' I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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, Q: Y1 m$ T/ n' x说些个大家可能百度不到的。- U- A5 q$ a6 q( R3 U$ M  d

, C+ j* O' x5 ?! b===前方高能===: C. O3 x9 Y% r; b4 o5 @, ?

2 u9 b, x: R& b# M1 {  G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。1 b3 p! I& S3 x- }3 t
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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。& K3 h9 ]! d) A) c
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惠普当年的铯钟，吊打全世界。" q) E# f. G: r& y; M" l
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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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6 @) ?5 w# r9 r4 c4 }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。1 v* I& c3 D5 Q4 T+ i( U

9 I% [3 G9 J7 b& w- ^: C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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/ T; n$ S+ N7 @% k- v) K1981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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$ F+ {; Y" j( F1986年，十的负十四次方。
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9 J, \4 m1 G2 ?2003年，十的负十五次方。
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& G8 _7 O( L5 {$ {; p2017年，十的负十六次方。& t, F3 d& [; N7 r6 I" i9 {# }

" A! R- ]! x! `0 W5 u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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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。. ]( e2 I4 b5 r* _9 _- ~
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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( n* U0 D/ A: ]群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；2 y7 B+ U1 l& I, Z. i! h5 ]
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。2 }* T. h/ R+ c' d
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
" x8 x! M7 Z: ?, J) ]( h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

1 ]" O; A) F1 \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。7 L; c; F! C' V. R# I7 b) @7 Q+ C
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 22:562 _# O4 ^3 r: R4 m7 ]
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。! G7 `, {( x' j6 I* f; }7 N
他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
7 q5 m: P( }9 ]. l, |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 13:356 k* J# l0 i! [4 A2 m
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
: ?# A) H( l7 O7 E5071A好像这两年不好买了
1 B( T; }0 c+ v5 R& o7 O9 D
这个短稳长稳有出处嘛？
; c6 A" j- g. l6 `7 p- N( W7 M! 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~~
4 \4 [& a' M+ _# e% \: X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
6 ?- Q; \' M) w! r2 @这个短稳长稳有出处嘛？9 g* j7 u4 g* v+ d! F
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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" p* |+ k; q! R+ e# }
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没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
. \7 d; _! u; s; J' b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 22:569 c# p1 F- g% n2 G' a; ~6 L9 g% S
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。' y9 [9 g- s! o# z: C7 B
他 ...

7 _; t# K2 T  ~4 }. Z8 o" @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: o2 k. I: X( @" H6 }
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
' M% m( s" s9 t( z) O0 w8 F( R这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

# P9 |2 G2 r1 K/ w( M4 {) v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。
/ T) b. c- Y! z  I" `4 h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) i- ^3 n4 T
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:354 ?. V! X( ?* O2 d/ F& b2 h
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 ]. c. K# b/ X7 y4 h& }5 B冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

& R/ E& M' v3 r' k9 p* k可能高端的铯钟做的更好一些吧2 w8 k. X- @" ^, x8 l, r
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8 m% U- a, b  k5 g
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+ \$ Z$ E+ T, F2 e1 V
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
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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
/ m# M, T) w0 b4 f' ~1 u可能高端的铯钟做的更好一些吧4 {' s/ s$ z8 ~- u% ?+ e; y; F: _' Y
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7 g& S5 p" t9 L5 }! D4 m: Y
时间基准据说 ...

" m3 t0 G' M' P6 j% G$ \8 x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 00:566 q* b8 Z8 G' H# ?4 H
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

1 Z; U/ U: N: `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' p- w2 u' u( A' D. \

) ^  z1 o. X2 V2 ~# G, [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
. c% G6 C7 c4 U$ O! f! B, X/ W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 ...
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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 11:411 F) c8 J6 k' f! o- A0 g; d
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。 ...
) ~' R1 L* i+ L: g5 j
比较可靠的一种方法：5 R( d1 P, I, _$ [' Z: 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。% z& t5 Q* ~' P0 K2 Q% L& s3 k, s  B
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。% l! r9 j3 r; _( ]( X' G! R
大概是这么个意思。. b9 W( n# A5 D" M# ?. p9 T: `

" q* o  [2 M( G% K1 l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
* n5 b0 o, T# x8 f1 r比较可靠的一种方法：
' G- N6 H, C' U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 ...
2 t. ]- Z! x' Q
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 01:401 J- r6 m5 v2 g; N7 A5 a4 G
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， ...
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角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
; C& w( S$ x4 n5 e: Y2 i6 r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! v; U) q7 v7 h1 m7 ?9 R9 s
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说/ b  f- b! @% D) 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 ...

& z, i6 L, h- W, I' 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
: O% x5 s5 v- S角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说) r" X+ O& u4 i/ p. 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 ...

/ g. k% e6 ^7 d, r) a, {) Y' C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
  E" q( ~$ c. k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。
/ q5 V0 G: X; C$ i
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。1 @- e& W) f6 Q8 a: G

0 |2 N4 T% e  ?* z  B( D5 K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
# D8 r5 N* j5 |0 }; @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 ...

" v' _! H% x. G( M7 L8 ]: 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' D  a  Q7 L& L; j
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 ...

  y7 y) ?9 W7 C$ H" y3 I0 Y2 z可以参看这篇：1 U! t" [: t2 U; Y  J! Y

% H% E& s6 M) C, `% v3 s/ Hhttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html. x" z' o" t' p; Y: ~% x

/ V2 y2 [2 a. b; w. u+ a“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. ”
" o% A7 W/ c) C; F: d9 K1 n3 I  s$ b( w% o6 K, S8 J$ |* _
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
" F, @. t4 e5 _, hhttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html0 [  w% N' c$ s! E! c
( X4 Y) S: U) Q) I. }9 y
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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