CN113078901B - 基于脉冲星驾驭的原子钟准确度提高方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于脉冲星驾驭的原子钟准确度提高方法，获得一段时间的脉冲星TOA观测数据，拟合计时模型参数，获得拟合后计时残差和更新后的计时模型参数；利用要被驾驭的原子钟作为参考时继续开展脉冲星计时观测，得到由该参考钟记录的实测TOA数据；在该观测时段内利用计时模型参数在SSB处预报TOA，结合原子钟实测的TOA序列，得到拟合前计时残差；将拟合前计时残差数据做线性拟合，得到斜率k；将被驾驭的原子钟与TT(BIPM)的钟差补偿一个(1‑k)因子，完成频率驾驭。本发明能够实时地对原子钟进行频率驾驭，提高原子钟的准确度，并在UTC中断时保持我国标准时间持续高性能。

Description

基于脉冲星驾驭的原子钟准确度提高方法
技术领域
本发明属于脉冲星计时应用的技术领域,涉及脉冲星钟模型参数建立，以及如何利用自转高度稳定的脉冲星对原子钟实现频率驾驭的方法。
背景技术
一台守时型铯原子钟的输出频率通常会偏离其标称频率，这会导致它与标准时间的钟差越来越大，因此需要外部的频率基准去校准其频率，提高其准确度。一个守时实验室中的多台原子钟建立的综合原子时尽管缩小了相对于标准时间的频率偏差，但偏差仍然是不可忽略的，尤其是在各行各业对时间精度需求日益提高的背景下。而标准时间通常由全世界的守时实验室的500多台原子钟综合得到的，即国际原子时(TAI)，或者是与其只有闰秒之差的协调世界时(UTC)，每月发布一次。当前我国标准时间保持体系基于国际权度局(BIPM)每月公布的UTC(NTSC)相对于UTC的偏差和原子钟的相关参数，其可靠性和准确性过度依赖国际组织，并且实时性较差。尤其当比对链路中断，地方原子时UTC(k)的准确度将不受保障。此外，依赖于地面原子钟建立的原子时，易受打击，抗摧毁能力差，特别是非常时期，一旦中断，便无法恢复，难以满足社会稳定、国防安全的需求。
脉冲星是宇宙中存在的一类致密天体，沿磁极辐射电磁波束，其自转非常稳定。当电磁波束扫过地球时，人们可以观测到稳定的周期性的脉冲信号，这种稳定的周期脉冲信号形成一种天然的频率源，就像是处于宇宙深处的原子钟，称为脉冲星钟。尽管单脉冲的变化比较大，但经几百到几千个单脉冲叠加后可获得稳定的脉冲轮廓，脉冲轮廓尖峰对应的到达时间被定义为脉冲达到时间(TOA)，可以被原子钟记录。对于毫秒脉冲星而言，TOA的测量精度很高，可以达到百纳秒量级甚至更小。经过长期的计时观测后，人们可以通过TOA数据拟合得到毫秒脉冲星的自转频率、自转频率变化率、位置、自行、视差等一系列计时模型参数。其中脉冲星的自转频率及其变化率实际上就是脉冲星钟的钟模型参数。由于毫秒脉冲星的自转频率变化率很小，因此短时间内脉冲星的自转频率非常稳定，构成一种频率基准，而这种频率基准可以替代TAI去驾驭原子钟，提高其准确度。与原子钟相比，脉冲星是自然天体，具有寿命长、可靠性高、服务范围广，以及不受环境和人为等因素的影响等优势。如果能密集地进行脉冲星计时观测，则可以实现比TAI实时性更强的频率驾驭，以此可以提供更高精度的实时性时间服务。作为独立于UTC的时间保持体系，能够解决非常时期UTC中断时我国标准时间持续高性能保持的问题，对我国国防安全和社会稳定具有重要的战略意义。
在长期的脉冲星计时观测中，通常将参考原子时溯源到由BIPM发布的地球时(TT(BIPM))。TT(BIPM)是在TAI实现的地球时TT(TAI)的基础上由BIPM再次数据处理得到，每年发布一次，是目前通过原子钟得到的精度最高的时间尺度。脉冲星的计时模型参数是通过多次迭代拟合TOA数据得到的。首先根据初始的计时模型参数在太阳系质心(SSB)处预报TOA，利用参考原子时实际测量的TOA减去模型预报的TOA便得到拟合前脉冲星计时残差。然后通过最小二乘法多次迭代拟合直至收敛，得到拟合后计时残差和更新后的脉冲星计时模型参数。因此当有了新的观测数据，又会重复上述过程再次更新脉冲星的计时模型参数。脉冲星计时过程实际上是参考原子钟和脉冲星钟时间比对的过程，因此计时残差实际上代表了参考原子钟和脉冲星钟的钟差。对毫秒脉冲星来说，以TT(BIPM)作为参考原子时的拟合后计时残差往往呈现出均值接近零的白噪声特征。噪声的均方根通常在微秒或百纳秒量级，主要是由脉冲星TOA的测量噪声引起的。随着FAST大型射电望远镜对毫秒脉冲星的计时观测，白噪声水平有望达到10纳秒量级。如果新观测的TOA数据时间跨度不是很长，例如1年，那么这1年的拟合前计时残差依然呈现均值为零的白噪声特征。这主要是由于经多年计时观测建立的脉冲星钟的稳定性很高，计时模型参数拟合前后变化很小，即使是影响最大的自转频率变化也很小。但是如果计时观测中的参考原子时是一个普通的原子钟，由于原子钟相对于TT(BIPM)有频率偏差，那么拟合前计时残差会有相同的频率偏差。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于脉冲星驾驭原子钟频率的方法，利用脉冲星稳定的自转频率来驾驭原子钟频率，能够实时地对原子钟进行频率驾驭，提高原子钟的准确度，并在UTC中断时保持我国标准时间持续高性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
1)获得一段时间的脉冲星TOA观测数据，拟合计时模型参数，获得拟合后计时残差和更新后的计时模型参数；
2)利用要被驾驭的原子钟作为参考时继续开展脉冲星计时观测，得到由该参考钟记录的实测TOA数据；在该观测时段内，利用步骤1)得到的计时模型参数在SSB处预报TOA，结合原子钟实测的TOA序列，得到拟合前计时残差；
3)将拟合前计时残差数据做线性拟合，得到斜率k；
4)将被驾驭的原子钟与TT(BIPM)的钟差补偿一个(1-k)因子，完成频率驾驭。
所述的步骤1)采用BIPM发布的地球时TT(BIPM)作为参考时获得一段时间的脉冲星TOA观测数据。
所述的计时模型参数包括脉冲星的自转频率及其一阶导数、位置、自行、视差、星际介质色散和双星轨道模型参数。
本发明的有益效果是：如果计时观测中的参考原子时是一个普通的原子钟，由于原子钟相对于TT(BIPM)有频率偏差，那么拟合前计时残差会有相同的频率偏差。本发明基于这一特点，利用脉冲星稳定的自转频率对参考原子钟实施频率驾驭，可以改正原子钟的输出频率，提高其准确度，从而提高其时间信号的准确性。
附图说明
图1是脉冲星频率驾驭原子钟流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明主要利用被驾驭的原子钟作为参考时时间来进行脉冲星计时，根据拟合前计时残差来驾驭原子钟频率，具体包括以下步骤：
1)首先利用高精度的原子时作为参考时获得一段时间的脉冲星TOA观测数据，这里的高精度原子时采用BIPM发布的地球时TT(BIPM)，因此需要通过高精度时间传递将计时的本地钟溯源到TT(BIPM)。然后拟合计时模型参数，包括脉冲星的自转频率及其一阶导数、位置、自行、视差、星际介质色散(DM)、双星轨道模型参数等，获得拟合后计时残差和更新后的计时模型参数。
2)利用要被驾驭的原子钟作为参考时继续开展脉冲星计时观测，得到由该参考钟记录的实测TOA数据。在这段观测的时段内，利用步骤1)得到的计时模型参数在SSB处预报TOA，结合原子钟实测的TOA序列，得到拟合前计时残差，不再做计时模型参数拟合，这实际上代表了参考原子钟和脉冲星钟的钟差。
3)将拟合前计时残差数据做线性拟合，得到斜率k。斜率k代表了被驾驭的原子钟相对于脉冲星钟的相对频率偏差。
4)将被驾驭的原子钟与TT(BIPM)的钟差补偿一个(1-k)因子，则原子钟与TT(BIPM)之差的斜率趋近于零，完成频率驾驭。
下面利用两颗毫秒脉冲星的仿真数据来驾驭一台原子钟(中国科学院国家授时中心的Cs2098)为例来对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实例。
(1)首先以TT(BIPM2018)为时间基准并将其作为脉冲星计时的参考时间，基于毫秒脉冲星J0437-4715的计时模型参数分别仿真其TOA数据，数据时间跨度均为3年(MJD：54834-55924)，TOA数据均只含有白噪声，均方根(RMS)分别100ns和10ns，采样频率均为每5天一个数据点。实际情况下，毫秒脉冲星的计时模型参数可通过长时间的TOA实测数据拟合而获得，TOA观测数据越长，计时模型参数越精确。
(2)截取最后一年的模拟数据作为检验数据，即前两年的数据参考时为TT(BIPM2018)，利用脉冲星计时数据处理软件将这两年的数据重新做计时模型参数拟合，得到一组更新后的计时模型参数，并以此在SSB处往后预报TOA。
而最后一年的数据(MJD：55559-55924)参考时为铯钟Cs2098，得到Cs2098记录的TOA。由于脉冲星时是在太阳系质心(SSB)处预报TOA，需要将Cs2098在地球记录的TOA转换到SSB处。
(3)将步骤(2)中SSB处Cs2098记录的TOA与更新后计时模型预报的TOA做差，即得到铯原子钟与脉冲星钟的钟差。分别讨论三种时间长度的钟差情况，即一年、半年和一个月。将未经驾驭的Cs2098的输出时间记为AT，将基于PSR J0437-4715的脉冲星时记为PT，二者之差为：
AT-PT
这个钟差序列在数据处理中可由脉冲星拟合前计时残差获得，只需将参考时设为Cs2098。在把TT(BIPM2018)替换为AT的时刻(MJD＝55559)，利用AT-TT(BIPM2018)的历史数据将AT补偿一个钟差，使其校准至TT(BIPM2018)。
(4)将步骤(3)得到的AT-PT做线性拟合得到斜率k，k代表了AT偏离于标准时间信号的相对频率偏差，k的误差决定了频率驾驭精度。将同一时间段AT-TT(BIPM2018)的斜率记为k0。二者的相对偏差代表了频率驾驭的系统误差。
(5)将k作为输入量利用相位微调仪将铯原子钟的输出频率由原来的f0调至f0(1-k)，达到驾驭的目的。将脉冲星驾驭后铯钟输出的时间信号记为ATsteer，则
ATsteer(j)＝AT(1)+[AT(j)-AT(1)](1-k)
其中j表示从MJD＝55560起算的第j个时间序列，因此经脉冲星频率驾驭后的Cs2098与TT(BIPM2018)的钟差为
[ATsteer-TT(BIPM2018)](j)＝[AT-TT(BIPM2018)](j)+[AT(j)-AT(1)](-k)
完成频率驾驭过程。表1列出了利用脉冲星时的驾驭量与目标驾驭量(AT与TT(BIPM2018)本身的相对频率偏差)之间的比较结果。
表1驾驭量与目标驾驭量之间的比较结果
为了增加显示度，利用同一时间段的TAI数据计算的驾驭量也列在了表中。可以看出，对于1年和半年而言，PT的驾驭量比TAI的驾驭量更接近目标驾驭量；而1个月的情况，TAI的驾驭量比PT的驾驭量更接近目标驾驭量。另一方面，TOA的测量噪声水平严重影响PT驾驭量的计算，如果能进一步减小TOA的测量误差，那么在1个月的尺度上PT的频率驾驭水平有望会超过TAI。

Claims (2)

1.一种基于脉冲星驾驭的原子钟准确度提高方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获得一段时间的脉冲星脉冲达到时间TOA观测数据，拟合计时模型参数，获得拟合后计时残差和更新后的计时模型参数；
所述的计时模型参数包括脉冲星的自转频率及其一阶导数、位置、自行、视差、星际介质色散和双星轨道模型参数；
2)利用要被驾驭的原子钟作为参考时继续开展脉冲星计时观测，得到由该参考钟记录的实测脉冲达到时间TOA数据；在该观测时段内，利用步骤1)得到的计时模型参数在太阳系质心SSB处预报脉冲达到时间TOA，结合原子钟实测的脉冲达到时间TOA序列，得到拟合前计时残差；
3)将拟合前计时残差数据做线性拟合，得到斜率k；
4)将被驾驭的原子钟与BIPM发布的地球时TT(BIPM)的钟差补偿一个(1-k)因子，完成频率驾驭。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲星驾驭的原子钟准确度提高方法，其特征在于，所述的步骤1)采用BIPM发布的地球时TT(BIPM)作为参考时获得一段时间的脉冲星脉冲达到时间TOA观测数据。
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