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GPS同步时钟,北斗导航原子钟如何做到每300万年只差1秒

  • 时间:2022-09-17
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GPS卫星的时间即使是微秒级别的误差,也可能导致最终的定位误差达到几百米远,当然北斗肯定也是一样的了,也就是说,如果导航卫星的时间精度不是绝对的精确,那可以说这个导航卫星就几乎没有任何意义了,真的是差之毫厘,谬之千里,眨个眼,一秒钟的时间误差可能直接把你从国内定位到国外去了,你说这还有啥用是不是?那问题来了,如何保证卫星上的时间是绝对精确的呢?我们的北斗卫星又是如何做到每300万年只差一秒的呢?关键是每300万年只差一秒,这个误差是如何得出的?又以什么时间为参考系?难道还有一个绝对没有任何误差的钟表给我们对照不成?

说到时间误差,我们必须首先要了解这个误差到底是跟谁来对比,比如你带个机械表,过段时间不准呢?我认为手机上的时间是准确的,然后我对照手机的时间来调一下,关键是我手机上的时间就一定准确吗?我手机上的时间是自动同步网络的时间,那网络上的时间又是哪里来的呢?北斗上的如意原子中300万年只差一秒,又是和哪个时间来对照的呢?

我们小学就知道古代有一种计时工具叫日晷,这东西靠太阳光照,然后看这根针的影子的方位来确定时间,有点类似我们现在的钟表,但这玩意儿可以说非常的不准,也就看个大概。那时间的本质是什么呢?当然我们这里说的时间指的是计时,时间的本质我认为就是尽量精细精准的记录一个稳定的周期。从古至今有各种各样记录时间的方法,比如日出日落,每天日出日落的时间差不多,但是不同季节差别还是很大的,地球自转、公转,这个相对日出日落就是更稳定的一个周期,摆中来回摆动一次也是一个周期等等,但是这些方式都还不够惊喜精准,直到1967年的时候,第13届国际度量衡大会对秒的定义时,4133原则,震荡9100009200。631770次为疫秒,那为什么选择这个看起来毫无规律的数字呢?主要还是为了照顾之前对时间的定义。

举个简单的例子,比如之前定义地球自转一周,我们算24小时,假设同时铯原子震荡了240次,除以一下,那一小时就是铯原子震荡十次,91亿次,这个毫无规律的数字就是这么得来的。就类似一米的定义也是一样的,先算出光的速度为299792458米每秒,然后再定义两亿九千九百七十九万两千四百五十八分之一,就是一米。还有一种表叫时英表或时英钟,想必各位观众老爷都知道,这种表比机械表精度高很多。拾音表里面有个拾音晶振,这东西每秒振动32768次,为什么振动32768次呢?因为十音表采用了16位的计数器,二的十五次方刚好等于32768,而普通机械表百轮游丝每秒钟只振动。五次,这就可以很明显的看出两者的差距了。当然了,带机械表的人表较,准不准对他们来说都是次要的。我们发现铯原子中的原子振动频率是十音表晶振振动频率的28万倍,可想而知原子中的精度有多高了。

我经常看到关于永动机的视频,必定有人会提到,地球自转不就是个永动机吗?实际上并不是,地球自转是越来越慢的。比如本来地球自转一圈是24小时,过了一段时间,地球自转一圈就不止24小时了,可能是24小时零一秒。而特定环境下的铯原子震荡频率不会减慢,这就会导致原子中记录的时间比地球自转的时间越来越短。所以为了让时钟和地球自转保持一致,还得定期向原子中加点时间来矫正一下。当然了,原子中有很多种,不仅仅是色原子,还有氢原子、无原子等。美国的GPS卫星上用的就是色原子中,比如我们今天要说的北斗卫星上用的就是。

铷原子中相对其他原子中来说,铷原子中的体积更小,重量更轻,功耗更低,寿命更长,制造成本也更低。根据国际电联的规定,卫星的频率资源是谁先申请谁先用,如果你在规定的时间内没有用,那这个频率就将释放给别人申请。当年我国在申请北斗二号要使用的频率还剩不到一年时间就要过期了,当时欧洲伽利略系统和我们的进度差不多,如果过期了,我们之前申请的频率可能就被欧洲给申请去了,所以我国就得抓紧时间。但当时进口一台铷原子钟大概需要一年半的时间才能交付,而距离这个频率过期就剩大半年了,所以我国必须选择自主研发。经过大半年没日没夜的研发,最终2007年第一颗搭载国产无原子中的北斗导航卫星发射成功了,距离国际电联规定的时间只差了几个小时,可以说是惊心动魄。那如原子中的技术难点到底在哪呢?

听着好像也没啥难点,就是利用原子的振动频率来记录时间,只是比音表的精度更高而已,诶,你可别小看这点精度的问题,我们之前说光刻机的原理也很简单,但是精度越高,相应的技术难度可以说是指数级的增长,几十纳米的技术和几纳米的技术那都是天壤之别。原子中最大的难点自然也在于精度上面,很多地方都会用到原子中,但民用、商用和航天用的完全不是一个级别,比如手机基站就会用到铷原子钟。想必以前肯定有人遇到过电话串话的情况,就是你和你女朋友正在煲电话粥,腻歪着呢,突然一个大叔的话音进来问你吃了没有,搞得你莫名其妙。实际上这也可能是原子钟频率漂移导致的原因。那原子中到底是怎么做出来的呢?我们就知道铯原子一秒钟震动了91亿次呢,我们都知道有个概念叫共振频率,共振大家都懂,就比如说士兵过桥时不能走齐步,因为桥本身在震动,有个频率很微弱呢,看不出来,而士兵走起步时也在震动,幅度比较大。

冰和桥两者的振动频率一致时,就会有非常强的反应,桥受不了这么强的反应就算了,其实原子中也是利用这个方法。量子理学中说原子有很多不同的能级,原子呢,就是在两个不同的能级之间跃迁,跃迁的过程就会吸收能量和释放能量,产生电磁波。比如铯原子中这个设备里面有一个微波发射器和微波接收器,这个微波发射器会发射出一个频率,就好比我们上面说的视频组起步的震动频率。当铯原子被这个发射器照射的时候,原子就会吸收能量,从低能级跃迁到高能级,然后这些原子又会跃迁到低能级释放能量。原子跃迁过程就好比桥本身的一个振动频率,如果发射器的频率跟原子的跃迁频率一样,就会产生最强的信号,就像士兵和桥的频率一致时,桥断了一样。然后我们在原子中这个仪器上只要检测出发射的微波频率到底是多少,就可以方便的知道原子的振动频率。

当然。这里面有很多的技术难度,比如频率的稳定性,不能时快时慢,还有频率的漂移问题,就像你的表一样,稳定是稳定,就是每过一个月快了一秒钟,这也不行。再比如原子钟放在卫星上,卫星高速飞行会不会有影响,重力的变化会不会有影响等等,各种因素都得考虑到。所以我国能摆脱西方的技术封锁,自主研发出每300万年只差一秒的原子中,可以说是非常非常了不起的一件事了。

天穹电子科技——GPS时间同步同步时钟


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