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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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: z) S* f2 ?1 m7 D+ ^4 i* E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。) {& g' l/ a2 W$ U1 Q# e( |: G

$ I/ T6 r1 ]' d8 x- t+ J) y% i5 Y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。' x3 g4 `" u+ X- j  e4 {4 V8 S! X
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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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( L8 M* a) _% M4 {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。% x2 I6 k6 f( O+ f

2 Q. |  {4 a, s# Z$ w/ \- y1 I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？/ i+ v: x% I7 U

/ i4 n$ a* Z! G; W9 K; T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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. K" Z2 j0 \( E6 L- D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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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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+ u2 V- ?' q) z* f+ q! L- i说些个大家可能百度不到的。7 v. L5 P0 H% |7 P) b

9 B! L8 C$ j# Y' K5 T! _! A: e===前方高能===& S  i" S2 `+ L8 L

2 s! A- x0 Z1 n+ M6 L1 ?* \" M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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惠普当年的铯钟，吊打全世界。" s! w) M' q' X3 w0 W  V6 B
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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 k6 _. l; n1 }$ I+ {  y  p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。7 E: {, ~6 W! j: D2 u

5 d( f. N" A" Z& i0 K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。
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# ]' |# S( Y2 y( h1986年，十的负十四次方。$ n7 Z* \, V& }, d4 F
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2003年，十的负十五次方。
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5 B8 R% M) v. g' n. M9 U9 X0 t2017年，十的负十六次方。
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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。6 {- ^9 ^5 q  i8 |2 h. X: z* U

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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。
8 e4 o# _5 a) E; f* N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 ; U+ ?6 j6 n7 r4 r
+ _6 J- E1 f7 v1 S1 W
群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
' [2 o- u) v5 A; W2 j看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。+ h; Q9 D( B* Z( `% M5 i/ m; 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) j" v& k! l+ _* i: c
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
, s" X8 a, @' s5 y+ E- r% Q' L/ B
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。
5 e% C$ L+ Q; `- c9 c* i3 p+ R/ G! [- J" @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# _2 h% I
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。- U4 D: j+ g6 c. v* t7 |4 B" ?
他 ...

1 Q; H8 R/ q7 R! K' _+ Y$ N+ K短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
, x% Z( `0 Q  ^0 F6 g7 n) D" ]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  u, I7 C/ w7 |
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
* ]& K+ I! A! ?9 w5 @( o$ e4 l1 Q5071A好像这两年不好买了

  U! `; ?7 S7 o$ M5 e6 i这个短稳长稳有出处嘛？# L/ W% x; {0 g
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~~
8 \9 U0 q7 F, X+ g4 r' g$ |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
/ h$ T3 a1 I/ X4 U2 y' d' l这个短稳长稳有出处嘛？5 Q. z8 m' }+ ^7 r4 ]8 |
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 ...

* H, L9 P7 Z6 [4 V
% n, v5 x" T3 L( |) B5 L4 {: T+ N' Y- i8 C* s. ?
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 O6 w/ A0 a- o$ h1 _
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
" e- p% @- a+ {2 U3 i& d+ 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。
6 G/ a. c1 r$ E+ @# n他 ...

6 t9 N$ o, O2 y+ H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 ^; c3 {; X: W2 Y3 N
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
, C1 P% T6 S, c- o' m1 y这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
4 a- ~5 c! c* y
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。
1 A1 h, U8 i$ E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。( e5 J& f! K3 e6 Q3 ?
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
7 X2 Q$ @, ^" A6 c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。
3 C1 G# a6 ], S% w4 l1 C. r- C1 d) J5 U冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

# E  p$ B: I! n  F: J' c可能高端的铯钟做的更好一些吧
- k8 E% ^8 L) 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
4 H8 w8 l2 Q& B# O9 Y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
9 H. ~1 |* x& R, v* J安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
+ r6 K; M; c9 U) A
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  s3 I# ~/ s/ I2 p# {6 Z0 e
可能高端的铯钟做的更好一些吧' s9 [5 {" S: O  N' H' u! W7 ^9 i$ W# J: 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8 q/ H# j9 k- P& Y4 L- _; E5 J
时间基准据说 ...
  T- B- v( p. g0 X% o& k
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
* D* a0 d/ Z' ]$ K& L* \* f) K请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
2 e3 o6 L% z* K
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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4 T7 n+ d$ G! C2 ?% 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
* J2 R9 h4 p+ p: E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 ...
3 E" a7 @; F4 P- S3 T$ 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
! {: @4 K8 e% P9 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。 ...

3 f+ Y: j/ r4 C$ ^  a0 x) ]比较可靠的一种方法：8 f7 d9 q/ i1 d% [* D1 {6 J1 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，这一去一回的时间就知道了，那么就可以测出距离来。
- O7 Y, K: d- g# S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。
2 ^3 e4 p- H" m% }- g' X8 g: _大概是这么个意思。
4 l* y/ r7 T% S8 a+ m# n, s/ X7 e2 c- C
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 17:076 K9 J- w+ t9 t4 {+ R9 D; |, t
比较可靠的一种方法：
" q; _8 K& \+ b5 t5 M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 ...

' h( ~- A8 a/ q  x7 H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 z* n/ d- Q( v/ i+ ^7 J: w! \8 ^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， ...

/ N1 v% Q8 a/ Q, D/ w角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
) J; v; \6 f& t# ~; f7 q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 22:313 ]  o; d, p) ^. v2 i4 K- X! |
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说- p$ [" A1 @& w# s$ V/ t
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 ...

* H( r6 W  E$ a  @% J' g# w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
; @% q  V2 l  n7 B" T+ ^7 }角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
( b4 f: k2 R" T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 ...

8 K! N8 ~0 m$ P9 d" d: @" V  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。
作者: radioradio    时间: 2020-8-13 10:01
随便看看 发表于 2020-8-12 13:45! t8 z: w3 u' U* y: i  g" d7 K7 L0 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。
3 \. K) |6 ^( E9 V/ r2 z) 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。8 j% O; k  ]+ F- w

9 l# U# [4 [" P. `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 10:016 N2 t& V6 |9 y( 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 ...
, d7 c5 I! Y" C% q! c$ J8 x, k
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+ X4 v! B* Q$ f$ d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 ...

6 c8 N1 Y8 n$ ?+ ^9 P$ ^! P( B- J可以参看这篇：( ?  |1 _# k3 v' R! {+ j1 j
4 }; H8 N/ y1 d$ q3 T3 A! W4 K
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html7 ]5 N1 ?! u5 [; u  F
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“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. ”
3 W1 j% Z7 R+ D2 ~5 K/ `" ^0 w. d* R$ @! x% _( [: z  Z
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
. V, U$ y" u6 `" q  Rhttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
# X" L- W' U8 O) r9 |$ c0 `0 j' q) B* X6 `
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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