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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。
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, K( {+ p% H7 I9 d# |7 T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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  H2 S/ a" c: a6 {4 i! F9 E6 ~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。1 E7 t  A: ~% B& ?' C' D

) [1 D6 K" w' V5 L8 o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。" q; u( G7 X0 b# }$ w1 o& F
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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？. n4 t' e+ f1 C
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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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# B  _/ t# k) f  N7 T, ~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！: _' _6 Z0 i; Y: K: F# N* d
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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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; I) I3 `3 u1 _7 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。
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& Y5 [) _9 h  N1 P/ r2 R3 s% L4 Z说些个大家可能百度不到的。1 }5 i, T/ }7 r1 J( \

4 O7 `3 G, S8 b; G! ~- m, G" F===前方高能===: W/ i4 @3 R3 W
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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。$ E! q' r) b. I( |8 m
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惠普当年的铯钟，吊打全世界。4 n; c; U1 H2 K8 i& s

8 ?4 L2 g! B/ @& m$ t1964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！! a' m+ i& O+ b
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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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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。) Z* e3 t; [# w( d. }6 a

0 o. u+ b' T& m$ e# T1981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。
7 l, X2 A- w2 s5 y; L/ C# i% q; ]% s
) I$ b" Q! q5 N8 Z8 R( i1986年，十的负十四次方。
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2003年，十的负十五次方。
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' X. z" d6 ~  G( j4 j2017年，十的负十六次方。/ I* _( y' k5 Q' W( N6 J

0 i: Y9 u& L! W$ F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。2 D! x" K2 L" D0 ]  Z$ N8 l/ _
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。。。
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$ a7 O; Y6 h9 }$ W" F* ?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。" H9 L- Z- g4 I! t( I
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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。
' P9 K' J/ f4 ~3 Y% o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 / C- V" L: z5 ~, h8 m) D' f

8 w3 Q& l2 J6 ?! j4 P* C7 Y群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
% X0 G" b3 Q# D+ L看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。( `* k& o/ ~; L+ _2 z
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
, ?8 U( H5 D+ q2 ^9 @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
0 `* H$ w8 e, ^2 ?: L. V7 N6 ~6 H
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。
- [. T$ n: Y7 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 22:56
( @1 t2 g  E! B% F$ e8 h9 K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 d3 N. \+ u% ~. Q( m8 ^! z他 ...

# z! ^# ?; V) r: Q7 Y* I0 o5 x! A短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
  J6 l- F& B% D1 O5071A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: a* Z& _" Y8 d- z
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
2 N: u- g  G  B6 D- F5071A好像这两年不好买了
  K/ `( [- ~2 a/ ^
这个短稳长稳有出处嘛？
! |" s$ T, E7 Y: c7 L; @6 S9 U% S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~~- E3 W& ?- ~! V4 r
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* Q2 O2 ?3 {& M$ m* I( j
这个短稳长稳有出处嘛？
' C5 Z; g) J) Q- g: f3 a5 F9 J' O6 s. @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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$ F7 v. o5 Y# }9 Q$ O) m" M/ L- ~# ^  \6 `: ]; N0 D
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
. m5 s; `! E$ z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
; m  R& `/ e* }; c/ _  ^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。% w# N! k3 p5 H( {- A
他 ...

$ j; s% z* p" B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! a# O& M: D2 a, E" Q
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图+ b" E" E5 D8 g! c& V, x- U
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

  R: r  m% O3 _$ A' ^. 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。7 \: v( O4 k0 A+ i
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 D# _  V4 x/ I
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
& v" x6 h: G: J, G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。
; B! Z9 h8 P+ l: }4 Q, G3 w% y3 Z冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

8 |, i/ m' P8 I* f7 m可能高端的铯钟做的更好一些吧
% p! S7 h3 R) y. ~2 k! A7 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' Q+ Q" o& ~( C, d
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" A) K. c# M0 Y' x% q* c# H. a
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

% S" d+ M4 c( c+ m: G4 K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
5 p# Y/ c) J( l5 q# y7 s可能高端的铯钟做的更好一些吧1 H& k5 q7 O3 e, I* {  z1 B$ \
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
) h" ^7 O5 Q# f# E时间基准据说 ...
" |6 Y. n! n6 j! c1 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
' B- N) W) ~; ], T& A# x  U" s请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
5 ]: u0 t8 k8 P4 C* L  \
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+ U- @" W5 Y1 }0 `- p& _4 F
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 ...
  [% p7 V3 ?2 B' u- |
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
9 L( ]# n! t5 M$ 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。 ...

9 i9 A7 ~) v+ D比较可靠的一种方法：
% U2 C  x6 w2 ?9 }* j& 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，这一去一回的时间就知道了，那么就可以测出距离来。
& ]: \- N6 {9 U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。
7 T4 e" G' ]/ K; v) f2 }大概是这么个意思。7 ]3 c+ t+ C; S2 Z9 ?5 f/ C/ V% v
& K* K; _1 V% p% q' K7 _9 A4 a
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 17:077 [0 Z# _7 Z9 ]# w
比较可靠的一种方法：+ G5 y6 f4 C  g0 b# l- c8 h  h
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 ...
5 b7 T- k. A  Q/ p- |, a+ y5 d
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) X* |* J7 Y' J1 V, I9 d
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
+ x/ Q* V* Q' N4 c* @. E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 M0 h. E* }6 q  I- Y) |' |; N
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说& A: S2 p: D8 s, l2 C1 U+ v/ 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 ...
7 e% H4 z+ j2 k. |: N; s
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
1 o, d: E# f! J  H8 d. {角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说1 V# t5 b. v! B: [9 O2 G, m
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 ...
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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: O+ J+ D' M4 _% h( A5 N
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。

: T8 C% \; {) B9 \, T0 e. K4 d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。
& _3 w$ m% c9 Z+ P  h& G2 S/ L# J. C9 {
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& z% s/ K3 s2 r# T, L& n; a, D1 h+ l
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 ...
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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) h" G3 T9 @2 x) v( t* n) z3 ~
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 ...

! C1 Y* _6 o' _, X+ g; |9 h4 X- a" f可以参看这篇：
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2 t8 U5 c3 }  z: o1 ^% ohttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
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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. ”& q! Z5 @+ q( @' C9 n- U9 x4 B

1 y* t- A% e. }# z5 x8 Q, w" c更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：2 v  Q6 v9 }- c& z
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html1 p: Q, b2 b, b( |  ]+ i- H$ `
! U7 T0 Z$ l3 V- T# q  y; D) A
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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