正经说个硬的：原子钟

七月群山

% g' ]. f) y+ A# j: [- V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。

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。

个头、模样大致如此，二十六公斤。

+ C2 K7 A  ]5 F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。

4 P( m" o) ?2 ~* O# P9 d  W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。
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# z0 ~% A; U- Y% Q0 U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？

( c, ?* j: g' v2 p7 O2 E4 i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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9 n0 H9 P3 u# h- S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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$ n% N  T' O: ]( W9 J" ]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。

, H+ V% H* q' j说些个大家可能百度不到的。

===前方高能===

+ o8 D, J) _/ F! W9 d, w5 w5 P- L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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: }9 T( o' I5 I: |5 Z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。

: |% y% @8 l; q% K  l  S1964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！

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。

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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3 A( ~8 C+ G0 E# A) [+ m1986年，十的负十四次方。

2003年，十的负十五次方。
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) r: Q, g- E/ B3 g$ N# Z2017年，十的负十六次方。
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- D; f$ y) f5 e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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0 i4 d0 o# e5 |  x7 Y% i1 |。。。
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; Y) c4 d! Y5 W1 s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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红茶冰

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。
! w+ J6 _1 l0 T1 x& ^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。

testjhy

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。

lorry

电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步，可以代替铯钟。

响马

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

忧郁金桥

, K% A* N; m  E; w2 t$ P
群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
) s9 |9 t1 }- [( C( H, i4 e# m看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
谢谢，“车旅系列”还能有第2季吗？

mezhan

每月37元的工资 ------ 中专起步工资

radioradio

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

红茶冰

radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
2 Y2 L/ g" p- ^% t( 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

- ]  N- T( ~! Q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 V+ F0 K" k2 a他家的铯钟在基站上很常见。

radioradio

红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56
' e* ~+ x( 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。
2 b2 P" t/ V' j8 |8 L8 e1 T他 ...

短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
0 Q: j9 C! l  o2 j4 p5071A好像这两年不好买了

红茶冰

radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
% g5 j# u, T2 k短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
5071A好像这两年不好买了

这个短稳长稳有出处嘛？
* w6 e" T' x; y; U: ^! {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~~
. \; k8 V- J$ M) \3 T- Z7 |0 m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

radioradio

红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56
: b, p+ }: o0 {+ k$ ~这个短稳长稳有出处嘛？
1 z9 j4 |/ R2 C/ ~. W+ |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 ...

/ u2 P- U- ]+ w8 [" S4 Y/ K5 l
) n# H+ r, m, H7 s" M3 W
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
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。

北京阿新

红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56
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 e7 G2 ~+ @$ g6 n1 ~7 c! R( B5 x他 ...

; H- ?7 ~' i+ o; H8 i安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

红茶冰

radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

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。
/ M9 ?; a/ `. Y/ Y  z: c# w. g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。

radioradio

红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
3 y4 l' w* V9 r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 G/ @) B9 h0 c( D1 f冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

可能高端的铯钟做的更好一些吧
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
$ U  x3 p$ d$ V+ g/ p' F* a1 \1 n5 j时间基准据说用的是铯钟，利用其长稳

radioradio

北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

嗯，惠普 - 安捷伦 - 是德，不知道后面怎么变

陈王奋起挥黄钺

radioradio 发表于 2020-7-27 11:33
, q7 n4 ~9 o9 }* B0 Z' A% S可能高端的铯钟做的更好一些吧
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
' r& f$ L2 g! m+ P7 Q( }/ X# W时间基准据说 ...

' |5 P* w6 ?5 j% f; u请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

lorry

时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。

radioradio

陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

4 T, D3 G8 ?" 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

% `$ n$ I& I) _+ b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

陈王奋起挥黄钺

radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
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 ...

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。