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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 * |( t4 z: c* A% ?  D, b0 G; |. K

. u& O5 u: H! O( o, r5 D9 y) 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。& q/ a! f6 Q/ ?: @/ x. R

1 g4 f* A4 H* q* U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。1 a' z7 n" J3 t9 q# _  ~! i

. r( U5 S8 J1 {/ X个头、模样大致如此，二十六公斤。& ]0 X! B& Q- w# D, z8 S% R
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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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' E3 [0 w5 h7 D4 B5 Z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。9 `4 K# e  O" |' L2 V

+ z$ m* K2 _1 V2 Z3 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？
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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。# F6 ]4 O4 I9 }6 s, o8 @' i: ^

2 a& U# d. f  h0 `+ R, f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！  M: q. ^$ T) a6 G8 N) a

  a$ l) c2 Z$ T8 R6 H" n. H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。1 p: Y- B1 s  q) b6 v" L3 X% X

2 o: U- j0 y: l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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- H4 ^, V7 Q$ x  R+ y说些个大家可能百度不到的。
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* g) C2 T. @: p0 T===前方高能===: a; D5 p5 O# w$ h
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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。
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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。" d& l) n$ I3 B: ]- U" [  }) [2 C* K
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4 D# N3 s1 _/ k6 z* e3 @惠普当年的铯钟，吊打全世界。) c5 Q+ x- o& v2 E+ v) D- g

9 F( F7 M1 F( r1964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！7 a8 o0 Z6 A2 j
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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。' ]/ v$ G: t4 @

4 x) A. v( ?: J  X  l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。1 p- l* n' w6 A% o: b

: z& p+ e% ^4 }1 V1986年，十的负十四次方。9 R! U4 O- N8 \# t

; z8 v' C0 W8 \" K2003年，十的负十五次方。
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7 ~+ C2 Y$ p. N: m% _8 X+ _' F2017年，十的负十六次方。( d! j- o/ V) r0 L; S) J2 j0 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。1 Q/ h9 @* h+ w
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4 m8 [% x8 u- P' y2 J8 \8 S/ \, I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。
9 p) F9 j8 E/ \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
# i+ r* m: j% t0 u) l7 }6 w, Q0 k+ a" Q$ T% I/ r& q/ A/ C* ?
群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
$ e8 q7 D- |5 W3 H% R看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。8 G9 C! X/ V, J7 c
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/ ~# B' T/ l* ^* p) Z  z7 d1 M
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

* W  _# R9 B9 @4 n! 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。
+ R- l9 W: N, t6 {0 M- g0 V  E! o0 W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
2 A6 |% z# t0 N/ v3 e5 a! 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。
0 R7 b' z0 O* W8 }他 ...

( l4 w9 `, O# g' V$ r( E短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
/ z' b# @7 @3 l' N% g: w, Q5071A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 13:350 I4 u' ?6 e3 h& [  [" _8 _
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
6 w8 ~9 R; Z1 [' v7 z5071A好像这两年不好买了
% t" [! Z- k1 H" ~
这个短稳长稳有出处嘛？) A2 l) R$ G' f( d
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~~
- C  y5 L" e. k9 u8 M" c4 d0 b) M- n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 22:567 o$ Y0 I5 b# {1 U0 t6 O& X% m  J! Z4 |2 U
这个短稳长稳有出处嘛？6 |4 t! U: [' M7 b9 R/ _0 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 ...
+ c" A( w) t9 O! s

6 d7 D0 i+ m, i% q! o
# a* a+ p4 S- z2 _没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图; S" X( z; N9 m  L* Z( x8 D
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
: }$ V% g: d5 N% X# |# w' t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 s' Q: U$ [' v
他 ...

$ j  I2 s9 l' n; L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
' G- ^8 j9 w. x+ H7 W  p( r没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图3 N( ?6 o/ c4 T
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

4 s; y8 ^+ i& Y% @2 a( \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。
# f* P: w7 _& a9 _! E' Y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。' e  C* A/ j+ F, B* `& D& W
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35; t9 D  s8 R6 q! W* ?8 a3 y( 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。4 l$ z4 ]5 h- W: Z& P
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

0 {% T# L% {3 n8 h6 V可能高端的铯钟做的更好一些吧
& j& J  X' B: L/ ^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 a1 q6 V8 C; |2 k# R; w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+ Q# Y. m1 j6 q
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

3 J  }& g+ [, Z- ~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
) o# F1 Y6 {3 _: ?7 E可能高端的铯钟做的更好一些吧
2 v4 B# |+ r0 K+ I8 e( J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
2 ?4 O" H2 H& O: X; x时间基准据说 ...

9 ^6 v: @& `6 A& f, A! V# F2 W1 R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
& H) e$ H( h% l' P请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
$ u$ q" F3 z! t8 M& 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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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
! K  O" u/ }4 j8 \+ [2 s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 ...
. z2 o: X' Z% u, n& Y4 T- w0 T
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
- k3 z: [# Q4 u$ b9 M. o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 ^6 P( C6 d9 A. }. E
比较可靠的一种方法：
& q3 \" w/ Z* @3 r, Y4 i: V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。
1 t0 R- Y. C$ q5 |% V- @/ h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。! I$ X8 T! r& h8 O: }0 g( ~( k
大概是这么个意思。5 m( D  A) a6 _- {; B9 F9 [

  P1 E  K+ k% T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# r% m5 r+ _1 U2 f0 Y
比较可靠的一种方法：9 v/ L3 w" j) r: t% S
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 ...
$ a  n* P6 }, n) ]" f+ V
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 01:407 s! U7 K( q0 a  u0 r
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， ...
0 ]% t' V' L& V6 y7 H
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说; _8 _+ l& t& {. J9 W% f( D0 B
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
8 u. ?, t4 n8 X0 m7 L! w8 A4 G角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说+ m: n6 }" a/ e4 F5 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 ...

+ n9 v7 m' A  z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# r, Z; M& ?" B6 W7 G0 T& ]- ~
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说+ s# w- T+ S2 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 ...

0 d) _, y+ v5 P* q; Y* X" 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
8 @' c% x+ }: |7 Q! I; 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。
( R9 g5 V1 v5 H! p' O
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。
- j* \+ ]- o) \; g
( f0 N/ o/ b8 v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 10:012 g( A7 `$ k9 r. O
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 ...
& M! \  E+ l( Z
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* s0 M  s! {3 k7 H3 j9 {$ [
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 ...

# m; [& [% @& u" F. O, V' n  Y可以参看这篇：
- z5 n8 O9 ?% [
+ q- y. d. ~. mhttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
5 L, t% A% ~- r, M7 j2 H
, o- R3 k% O% t9 o“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. ”
# B- ~1 k0 H- W; |' n
/ \  e4 P7 L; I4 Q8 u8 h' q& \更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
8 b5 K) _( ^5 g: V5 S4 f7 U5 ^https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html2 i: R3 B; R$ a  R
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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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