CN113238474A - 脉冲星时信号地面复现系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种脉冲星时信号地面复现系统，接收机通过天线指向某颗脉冲星并收集脉冲星辐射的脉冲信号；消色散系统对接收的脉冲信号进行消色散处理，对消色散后的数据进行采集，输入数据处理系统；数据处理系统将数据按设定时间间隔进行数据处理，获得一个积分脉冲轮廓，并与同一脉冲星标准脉冲轮廓模板进行互相关，确定脉冲信号到达天线的时间，并计算晶体振荡器时间相对于脉冲星时的偏差；伺服系统利用锁频锁相技术校准晶体振荡器相对于脉冲星时的偏差，最终通过晶体振荡器输出物理时频信号。本发明能够为脉冲星时地面系统的建立及应用提供支撑。

Description

脉冲星时信号地面复现系统
技术领域
本发明属于时频技术领域，涉及一种通过接收脉冲星辐射的周期性脉冲信号，地面复现输出统一到脉冲星时的标准时频物理信号。
背景技术
原子时是目前时间基准保持基础，原子时依赖原子钟产生，原子钟的基本原理是以原子或分子能级跃迁频率为基准信号，校准晶体振荡器或激光器频率，最终使其输出标准频率信号的一种装置。图1为铯原子钟基本原理图，原子钟的特点是最终输出的标准频率信号具备原子能级跃迁频率特性。根据采用的原子种类和技术手段的不同，原子钟可以分为很多种。因为原子能级之间的能极差很稳定，即原子跃迁频率稳定，所以原子钟的准确度很高，可以达到千万年仅差一秒或者更高的水平，目前原子钟在时间频率领域应用很广泛。
原子钟属于精密仪器，其制造工艺复杂，对环境要求高，难以批量生产，同一厂商制造的两台钟，可能性能差异很大，一般原子钟寿命在10年左右。原子钟特点是短期频率稳定度很高，但长期存在频率漂移，需要定期与外界基准频率源比对校准。
脉冲星是致密天体，具有强磁场、强电场特性，辐射稳定的周期性脉冲信号，被誉为自然界最稳定的“天然时钟”，并认为毫秒脉冲星的长期稳定性可以与原子钟相媲美，可应用于时频领域。脉冲星钟具有寿命长、可靠性高、服务范围广、不易受攻击等优点。脉冲自转频率特性可通过天文观测技术测量的非常精确，如脉冲星J0437-4715通过计时观测技术，测量的自转本征频率值为：173.68794581218460089Hz，误差为8.0E-14Hz，自转频率不确定度(误差/自转频率)为4.6E-16。随着观测技术的进步，如FAST已开始常规化观测脉冲星，以及未来SKA的建成，将使脉冲星本征自转频率的测量精度不断提升，进一步加速脉冲星时的应用。
脉冲星辐射周期性脉冲信号，且不同脉冲星的脉冲周期不同，周期范围从几毫秒到十几秒，而且不同脉冲星辐射的脉冲轮廓差异很大，不是标准的时频信号(1pps或10MHz)，无法满足日常需求，需要地面接收装置通过接收脉冲星的周期脉冲信号，并转化为标准物理时频信号，如图2所示，满足日常应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种脉冲星时信号地面复现系统，通过天线接收脉冲星辐射的脉冲信号，在地面复现脉冲星时信号，使得输出的标准时频信号统一到脉冲星时。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种脉冲星时信号地面复现系统，包括天线、接收机、消色散系统、晶体振荡器、数据处理系统和伺服系统。
所述的接收机通过天线指向某颗脉冲星并收集脉冲星辐射的脉冲信号；所述的消色散系统对接收的脉冲信号进行消色散处理，对消色散后的数据进行采集，输入数据处理系统；所述的数据处理系统将数据按设定时间间隔进行数据处理，获得一个积分脉冲轮廓，并与同一脉冲星标准脉冲轮廓模板进行互相关，确定脉冲信号到达天线的时间，并计算晶体振荡器时间相对于脉冲星时的偏差；所述的伺服系统利用锁频锁相技术校准晶体振荡器相对于脉冲星时的偏差，最终通过晶体振荡器输出物理时频信号。
所述的天线采用抛物面口径射电天线。
所述的接收机采用L波段宽带双极化制冷接收机，带宽大于500MHz。
所述的晶体振荡器采用超稳晶振，秒稳优于E-12，每小时晶振紧锁到脉冲星时1次。
所述的设定时间间隔为1小时。
所述的数据处理包括周期折叠和极化叠加。
本发明的有益效果是：提出地面脉冲星时复现系统方案设计，使得输出的标准时频信号特性与脉冲星时一致，并给出地面脉冲星时复现系统组成框图，为脉冲星时地面系统的建立及应用提供支撑。
附图说明
图1是铯原子钟基本原理图；
图2是脉冲星时信号地面复现示意图；
图3是脉冲星时地面复现系统组成示意图；
图4是脉冲星时信号地面复现流程图。
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。
本发明通过接收脉冲星辐射的周期性脉冲信号，地面复现输出统一到脉冲星时的标准时频物理信号。本发明主要给出脉冲星时以及脉冲星时信号地面复现的基本方案，并给出信号地面复现系统的基本组成，为脉冲星时在时频领域应用奠定基础。
脉冲星时地面复现的基本思路是：将脉冲星辐射的周期性脉冲信号，通过地面复现系统观测并转化为标准时频信号，并实时提供物理时频信号，该信号具备脉冲星时信号特性。具体脉冲星时地面复现系统组成如图3所示。通过天线系统接收脉冲信号，由晶体振荡器为观测提供参考时间，并通过消色散系统实现对脉冲星信号色散消除，然后利用数据处理系统实现对观测数据的采集与数据处理，获得晶体振荡器相对于脉冲星时的频率和相位偏差，最有通过伺服系统实现对晶体振荡器的锁频锁相功能，实现时频信号具备脉冲星时特性，最终输出可用的脉冲星时物理信号。
脉冲星时地面复现系统组成以及对应功能如下：
1)天线系统：
抛物面口径射电天线，用于指向某颗脉冲星并收集脉冲星辐射的脉冲信号。
2)接收机系统：
对天线收集的脉冲星信号进行接收。接收机系统设计要求：L波段且宽带(带宽大于500MHz)、双极化、系统制冷，目的是提升接收机系统观测灵敏度。
3)消色散系统：
对接收的脉冲信号进行消色散处理。由于脉冲信号穿过星际介质，存在色散影响，宽带观测脉冲信号时不同观测频率的脉冲信号到达天线时间不同，即高频信号先到，低频信号后到，导致观测脉冲轮廓展宽，使得脉冲轮廓失真，本系统目的是消除色散对观测脉冲信号影响，还原本征的脉冲轮廓特征。
4)晶体振荡器：
a.为脉冲星观测提供时频参考，主要标记脉冲信号到达时间；
b.借助晶体振荡器最终输出物理时频信号。
5)数据处理系统：
a.采集记录脉冲星计时观测数据；
b.完成脉冲星计时数据处理，获得晶振提供时间相对于脉冲星时的频率和相位偏差。
6)数据库系统：
数据库主要包括：太阳系行星历表，脉冲星星历表，功能是为数据处理系统中观测数据处理提供基础数据支撑。
7)伺服系统：
利用数据处理系统得到的晶振相对于脉冲星时的频率与相位偏差，通过锁频锁相技术驯服晶体振荡器的频率和相位。
8)标准时频信号输出：
输出经驯服后的晶体振荡器时频信号，使得输出的标准时频信号特性与脉冲星时一致。
地面脉冲星时复现是通过连续观测1颗脉冲星的稳定脉冲信号，利用锁频锁相技将晶体振荡器频率紧锁到脉冲星自转频率上，使得晶体振荡器最终输出的物理时频信号具有脉冲星时特性。脉冲星时地面复现具体实施方案如下：
(1)脉冲星观测观测方案的制定
根据天线观测能力、晶体振荡器的特性、脉冲星信号强度、脉冲星自转稳定性等，制定观测采样时间(小于脉冲星自转周期的1/100)、单次紧锁所用观测数据时长。观测数据时间太短，获得的积分脉冲轮廓信噪比低，影响最终的测量精度；观测数据时间太长，信号比高，但晶体振荡器紧锁时间间隔太长，未锁时间间隔时频信号漂移大，影响最终时频信号质量。建议晶体振荡器采用超稳晶振(秒稳优于E-12)，每小时晶振紧锁到脉冲星时1次。
(2)执行脉冲星计时观测
利用脉冲星观测系统对脉冲星源(如J0437-4715)进行连续观测，并经消色散系统后对数据进行采集，由晶体振荡器提供观测数据采集参考时间。
(3)脉冲星时观测数据处理
将观测数据按固定时间间隔(1小时)进行处理，即1小时观测数据进行预处理，获得高稳定积分脉冲轮廓，主要数据处理方法包括：消色散，周期折叠，极化叠加等，最终积分获得一个高信噪比积分脉冲轮廓，并与同一脉冲星标准脉冲轮廓模板进行互相关，确定脉冲信号到达天线的时间。
(4)计算晶体振荡器时间相对于脉冲星时偏差。
利用观测数据通过计时分析可获得，测量脉冲到达时间(晶振时间参考)与脉冲星星历表提供的脉冲星时(PT)之差，即晶振时间相对于脉冲星时偏差。
(5)伺服系统驯服晶振
将获得的晶振参考时与脉冲星时的偏差，通过时频伺服系统，利用锁频锁相技术，校准晶振相对于脉冲星时的偏差。
(6)输出连续脉冲星时物理信号
连续观测脉冲星，按上述流程(3)(4)(5)每隔1小时驯服一次晶体振荡器，使得最终输出的物理时频信号具备脉冲星时特性。

Claims (6)

1.一种脉冲星时信号地面复现系统，包括天线、接收机、消色散系统、晶体振荡器、数据处理系统和伺服系统，其特征在于，所述的接收机通过天线指向某颗脉冲星并收集脉冲星辐射的脉冲信号；所述的消色散系统对接收的脉冲信号进行消色散处理，对消色散后的数据进行采集，输入数据处理系统；所述的数据处理系统将数据按设定时间间隔进行数据处理，获得一个积分脉冲轮廓，并与同一脉冲星标准脉冲轮廓模板进行互相关，确定脉冲信号到达天线的时间，并计算晶体振荡器时间相对于脉冲星时的偏差；所述的伺服系统利用锁频锁相技术校准晶体振荡器相对于脉冲星时的偏差，最终通过晶体振荡器输出物理时频信号。
2.根据权利要求1所述的脉冲星时信号地面复现系统，其特征在于，所述的天线采用抛物面口径射电天线。
3.根据权利要求1所述的脉冲星时信号地面复现系统，其特征在于，所述的接收机采用L波段宽带双极化制冷接收机，带宽大于500MHz。
4.根据权利要求1所述的脉冲星时信号地面复现系统，其特征在于，所述的晶体振荡器采用超稳晶振，秒稳优于E-12，每小时晶振紧锁到脉冲星时1次。
5.根据权利要求1所述的脉冲星时信号地面复现系统，其特征在于，所述的设定时间间隔为1小时。
6.根据权利要求1所述的脉冲星时信号地面复现系统，其特征在于，所述的数据处理包括周期折叠和极化叠加。
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