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    GPS同步時鐘,北斗導航原子鐘如何做到每300萬年只差1秒

    • 時間:2022-09-17
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    GPS衛星的時間即使是微秒級別的誤差,也可能導致最終的定位誤差達到幾百米遠,當然北斗肯定也是一樣的了,也就是說,如果導航衛星的時間精度不是絕對的精確,那可以說這個導航衛星就幾乎沒有任何意義了,真的是差之毫厘,謬之千里,眨個眼,一秒鐘的時間誤差可能直接把你從國內定位到國外去了,你說這還有啥用是不是?那問題來了,如何保證衛星上的時間是絕對精確的呢?我們的北斗衛星又是如何做到每300萬年只差一秒的呢?關鍵是每300萬年只差一秒,這個誤差是如何得出的?又以什么時間為參考系?難道還有一個絕對沒有任何誤差的鐘表給我們對照不成?

    說到時間誤差,我們必須首先要了解這個誤差到底是跟誰來對比,比如你帶個機械表,過段時間不準呢?我認為手機上的時間是準確的,然后我對照手機的時間來調一下,關鍵是我手機上的時間就一定準確嗎?我手機上的時間是自動同步網絡的時間,那網絡上的時間又是哪里來的呢?北斗上的如意原子中300萬年只差一秒,又是和哪個時間來對照的呢?

    我們小學就知道古代有一種計時工具叫日晷,這東西靠太陽光照,然后看這根針的影子的方位來確定時間,有點類似我們現在的鐘表,但這玩意兒可以說非常的不準,也就看個大概。那時間的本質是什么呢?當然我們這里說的時間指的是計時,時間的本質我認為就是盡量精細精準的記錄一個穩定的周期。從古至今有各種各樣記錄時間的方法,比如日出日落,每天日出日落的時間差不多,但是不同季節差別還是很大的,地球自轉、公轉,這個相對日出日落就是更穩定的一個周期,擺中來回擺動一次也是一個周期等等,但是這些方式都還不夠驚喜精準,直到1967年的時候,第13屆國際度量衡大會對秒的定義時,4133原則,震蕩9100009200。631770次為疫秒,那為什么選擇這個看起來毫無規律的數字呢?主要還是為了照顧之前對時間的定義。

    舉個簡單的例子,比如之前定義地球自轉一周,我們算24小時,假設同時銫原子震蕩了240次,除以一下,那一小時就是銫原子震蕩十次,91億次,這個毫無規律的數字就是這么得來的。就類似一米的定義也是一樣的,先算出光的速度為299792458米每秒,然后再定義兩億九千九百七十九萬兩千四百五十八分之一,就是一米。還有一種表叫時英表或時英鐘,想必各位觀眾老爺都知道,這種表比機械表精度高很多。拾音表里面有個拾音晶振,這東西每秒振動32768次,為什么振動32768次呢?因為十音表采用了16位的計數器,二的十五次方剛好等于32768,而普通機械表百輪游絲每秒鐘只振動。五次,這就可以很明顯的看出兩者的差距了。當然了,帶機械表的人表較,準不準對他們來說都是次要的。我們發現銫原子中的原子振動頻率是十音表晶振振動頻率的28萬倍,可想而知原子中的精度有多高了。

    我經??吹疥P于永動機的視頻,必定有人會提到,地球自轉不就是個永動機嗎?實際上并不是,地球自轉是越來越慢的。比如本來地球自轉一圈是24小時,過了一段時間,地球自轉一圈就不止24小時了,可能是24小時零一秒。而特定環境下的銫原子震蕩頻率不會減慢,這就會導致原子中記錄的時間比地球自轉的時間越來越短。所以為了讓時鐘和地球自轉保持一致,還得定期向原子中加點時間來矯正一下。當然了,原子中有很多種,不僅僅是色原子,還有氫原子、無原子等。美國的GPS衛星上用的就是色原子中,比如我們今天要說的北斗衛星上用的就是。

    銣原子中相對其他原子中來說,銣原子中的體積更小,重量更輕,功耗更低,壽命更長,制造成本也更低。根據國際電聯的規定,衛星的頻率資源是誰先申請誰先用,如果你在規定的時間內沒有用,那這個頻率就將釋放給別人申請。當年我國在申請北斗二號要使用的頻率還剩不到一年時間就要過期了,當時歐洲伽利略系統和我們的進度差不多,如果過期了,我們之前申請的頻率可能就被歐洲給申請去了,所以我國就得抓緊時間。但當時進口一臺銣原子鐘大概需要一年半的時間才能交付,而距離這個頻率過期就剩大半年了,所以我國必須選擇自主研發。經過大半年沒日沒夜的研發,最終2007年第一顆搭載國產無原子中的北斗導航衛星發射成功了,距離國際電聯規定的時間只差了幾個小時,可以說是驚心動魄。那如原子中的技術難點到底在哪呢?

    聽著好像也沒啥難點,就是利用原子的振動頻率來記錄時間,只是比音表的精度更高而已,誒,你可別小看這點精度的問題,我們之前說光刻機的原理也很簡單,但是精度越高,相應的技術難度可以說是指數級的增長,幾十納米的技術和幾納米的技術那都是天壤之別。原子中最大的難點自然也在于精度上面,很多地方都會用到原子中,但民用、商用和航天用的完全不是一個級別,比如手機基站就會用到銣原子鐘。想必以前肯定有人遇到過電話串話的情況,就是你和你女朋友正在煲電話粥,膩歪著呢,突然一個大叔的話音進來問你吃了沒有,搞得你莫名其妙。實際上這也可能是原子鐘頻率漂移導致的原因。那原子中到底是怎么做出來的呢?我們就知道銫原子一秒鐘震動了91億次呢,我們都知道有個概念叫共振頻率,共振大家都懂,就比如說士兵過橋時不能走齊步,因為橋本身在震動,有個頻率很微弱呢,看不出來,而士兵走起步時也在震動,幅度比較大。

    冰和橋兩者的振動頻率一致時,就會有非常強的反應,橋受不了這么強的反應就算了,其實原子中也是利用這個方法。量子理學中說原子有很多不同的能級,原子呢,就是在兩個不同的能級之間躍遷,躍遷的過程就會吸收能量和釋放能量,產生電磁波。比如銫原子中這個設備里面有一個微波發射器和微波接收器,這個微波發射器會發射出一個頻率,就好比我們上面說的視頻組起步的震動頻率。當銫原子被這個發射器照射的時候,原子就會吸收能量,從低能級躍遷到高能級,然后這些原子又會躍遷到低能級釋放能量。原子躍遷過程就好比橋本身的一個振動頻率,如果發射器的頻率跟原子的躍遷頻率一樣,就會產生最強的信號,就像士兵和橋的頻率一致時,橋斷了一樣。然后我們在原子中這個儀器上只要檢測出發射的微波頻率到底是多少,就可以方便的知道原子的振動頻率。

    當然。這里面有很多的技術難度,比如頻率的穩定性,不能時快時慢,還有頻率的漂移問題,就像你的表一樣,穩定是穩定,就是每過一個月快了一秒鐘,這也不行。再比如原子鐘放在衛星上,衛星高速飛行會不會有影響,重力的變化會不會有影響等等,各種因素都得考慮到。所以我國能擺脫西方的技術封鎖,自主研發出每300萬年只差一秒的原子中,可以說是非常非常了不起的一件事了。

    天穹電子科技——GPS時間同步同步時鐘


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