CN113433817B - 基于fast脉冲星观测的脉冲星钟系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FAST脉冲星观测的脉冲星钟系统和方法，所述系统包含脉冲星测时模块、时频驾驭模块与授时模块；其中，所述脉冲星测时模块基于脉冲星数据处理程序获得脉冲星自由时间；所述时频驾驭模块利用脉冲星自由时间与本地原子钟示数的差值在输出端进行时频驾驭，并进行输出脉冲星时间；所述授时模块使用分别基于网络和导航卫星系统的方式发布脉冲星时间。通过本系统和方法获得的脉冲星时间具有极高的准确性、稳定性和极高的精度。

Description

基于FAST脉冲星观测的脉冲星钟系统和方法

技术领域

本发明涉及天文及计算机通信领域，具体涉及一种基于FAST脉冲星观测的脉冲星钟系统和方法。

背景技术

目前，前沿科技对时间精度的要求越来越高，行星际探测、载人航天等技术的发展都需要一个长时间精确的高精度时间标准。当前公认最精确的时频标准为国际原子时，其时间依赖上百台原子钟数据的综合处理结果，其测时精度可达3×10^-16，然而这一结果的长时间稳定度不足，且不同的钟之间进行对时时误差较大。

脉冲星是一种快速旋转并具有强磁场的中子星。除了具有超高密度、超强磁场和超高温度等极端物理特性外，最明显和最突出的是它的超高稳定的时间特征。所以，脉冲星被称为极端物理条件下天然的太空实验室和自然界最稳定的天文钟。科学界提出了利用脉冲星计时的设想，使用毫秒级脉冲星来计时的方法被称为毫秒脉冲星计时(MSPT)。

银河系中的脉冲星转动非常稳定，可以作为时间标准，其长时间的测时稳定度可以媲美甚至超过原子钟。可基于脉冲星的转动构建时间稳定度极高的脉冲星钟系统。FAST是目前世界上最大的单口径射电望远镜，在脉冲星测时方面具有无与伦比的优势。利用其对脉冲星进行测时观测，可以得到精度最高的脉冲星时间标准。

脉冲星钟的建立和实施对时间计量学科的开拓和发展，在评价、检验、校正、改进原子时的长期稳定度，建立两种时间尺度联接关系研究等方面，有重要的理论和实践意义。它的拓展将激励天文学各分支学科，空间电子学，空间通信，X射线的自主导航、定位、深空探测、引力波天文学等学科的发展，乃至对于国家安全，均有重大的战略意义。

观测数据的质量直接影响计时精度，采用的小型的射电天线进行观测的情况下，由于观测质量较差，导致计时精度、准确性和稳定性不够。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明构建一套基于FAST脉冲星观测的脉冲星钟系统和方法，以解决由于观测质量较差造成的计时精度较低、准确性和稳定性较差的技术问题。

基于上述目的，本发明提供一种基于FAST脉冲星观测的脉冲星钟系统，所述系统包含脉冲星测时模块、时频驾驭模块与授时模块；其中，

所述脉冲星测时模块基于脉冲星数据处理程序获得脉冲星自由时间；

所述时频驾驭模块利用脉冲星自由时间与本地原子钟示数的差值在输出端进行时频驾驭，并进行输出脉冲星时间；

所述授时模块使用分别基于网络和导航卫星系统的方式发布脉冲星时间。

进一步，所述脉冲星测时模块包含脉冲星数据折叠消色散、定标、测时及模型分析。

另一方面，本发明提供一种实现基于FAST脉冲星观测的脉冲星钟系统的方法，包括以下步骤：

S1.将脉冲星时间的初始基准确定为与地球时的国际计量局实现TT(BIPM)一致；

S2.确定脉冲星钟系统中使用的脉冲星及其模型；

S3.观测脉冲星并确定脉冲到达地球时的本地原子钟示数；

S4.通过脉冲星模型与该次观测结果预测脉冲星自由时间与本地钟之差；

S5.通过本地时间频率基准或国际计量局提供的CircularT中的初级/次级频率标准PFS/SFS将脉冲星自由时间修正为脉冲星时间；

S6.发布脉冲星时间。

进一步，步骤S3中，观测脉冲星并确定脉冲到达地球时的本地原子钟示数之后，首先判断该次观测是否有效，当判断结果为是，则进入步骤S4；当判断结果为否，则继续判断该脉冲星模型是否失效。

进一步，判断该脉冲星模型是否失效，当判断结果为否，则返回步骤S3；当判断结果为是，则返回步骤S2，重新确定脉冲星钟系统中使用的脉冲星及其模型。

进一步，还包括步骤S7.考察所有脉冲星的实测到达时间与脉冲星时间的偏差是否超过设定的阈值，当偏差超过阈值，则返回步骤S2，重新确定脉冲星钟系统钟使用的脉冲星及其模型；当偏差未超过阈值，则返回步骤S3，重复观测和计算脉冲星时间，直至观测结束。

进一步，使用FAST望远镜观测多颗自转稳定的脉冲星，脉冲星测时模块使用测时程序对脉冲星数据进行处理获得其辐射中的脉冲到达地球时的本地原子钟示数；脉冲到达时间的本地原子钟示数及其误差记为t_FAST,k,M,n与σ_FAST,k,M,n，意为FAST望远镜对脉冲星k第n次观测使用星历参数模型M计算得到的脉冲到达读数时间与误差。

进一步，使用脉冲星模型计算每颗脉冲星脉冲到达地球的理论时间，计算理论时间与计算得到的本地原子钟示数的差值；根据该脉冲星当前的转动模型与所有观测结果可以计算预测该脉冲星第n次观测与第n+1次观测之间的差值与误差，分别记为δt_FAST,k,M,n与σ_FAST,k,M,n；其中δt_FAST,k,M,n的表达式为

其中a_k,M,n、y_k,M,n与C_k,M,n是通过拟合确定的系数，公式中高阶项的使用是为了保证时间频率的连续性。

进一步，使用多颗脉冲星到达地球时间差进行加权平均，获得的平均值δt_FT与本地时间之和为脉冲星自由时间；所述平均值的计算方式为

其中w_k为每颗脉冲星的权重，权重初始值设置为

然后进行如下调整：为了保证时间不被低噪声脉冲星所主导，权重w_k设置上限，归一化的权重不超过4/N，其中N为脉冲星钟系统中的脉冲星总数；测时结果超出设定范围的奇异值将被舍弃，即权重置零；测时结果与脉冲星时间之差的Allan方差分析中出现异常的脉冲星的权重也将置零。

进一步，使用本地时间频率基准校正脉冲星自由时间，并使用本地时间频率基准对上述时间差进行进一步校准，校准后的时间差与本地钟示数之和即为基于FAST脉冲星观测的脉冲星时间。

本发明中使用的脉冲星处理程序的计算部分包含各种脉冲星数据处理流程，相当于将现有各种脉冲星数据处理程序中的计算方法进行了综合，针对FAST望远镜进行了相关优化，并调和了不同程序之间的冲突；对于脉冲星处理程序的数据结构部分采用了独立的时间类、坐标类与脉冲星类，便于进行参数调整；对于脉冲星数据存储采用了后置文件信息的方式，将数据信息保存在数据尾部，便于进行信息数据的修改；由于脉冲星观测部分是基于世界上最大的望远镜FAST，具有极高的精度。

本发明的有益效果和技术优点如下：

1、本发明中的时频基于脉冲星转动，具有极高的准确性与稳定性；

2、本发明中的脉冲星观测部分是基于世界上最大的望远镜FAST，因此具有极高的精度；

3、本发明所使用的各个程序均为针对FAST望远镜观测进行独立开发的，与FAST望远镜适配性强，保证了结果的准确性。

附图说明

图1示出了根据本发明的实现基于FAST脉冲星观测的脉冲星钟系统的方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

脉冲星钟是参考脉冲星辐射进行独立授时的时频系统，授时时间基于脉冲星时间。脉冲星时间是定义于地心参考系的、以旋转大地水准面上的国际单位制中的秒为单位的、借助于脉冲星观测实现的时间标准。脉冲星时间标准具有时间可靠性、时频稳定性、时频精确性、可访问性与可追溯性等特征。这些特征依靠脉冲星的自转稳定性、时频传输技术来维持。

为了提高脉冲星时间的计时精度以及稳定性，本发明提供一种基于FAST望远镜脉冲星观测的脉冲星钟系统。所述系统包含脉冲星测时模块、时频驾驭模块与授时模块三个部分：其中，脉冲星测时模块为核心，基于独立研发的脉冲星数据处理程序，包含脉冲星数据折叠消色散、定标、测时及模型分析等功能；时频驾驭模块采用输出端驾驭方式完成；授时模块可使用分别基于网络和导航卫星系统的方式发布脉冲星时间，提供标准可靠的时钟信号。

本发明的基于FAST望远镜脉冲星观测的脉冲星钟系统的工作方法包含以下步骤：

S1.将脉冲星时间的初始基准确定为与地球时的国际计量局实现TT(BIPM)一致一致；

S2.确定脉冲星钟系统中使用的脉冲星及其模型；

S3.观测脉冲星并确定脉冲到达地球时的本地原子钟示数；

进而判断该次观测是否有效，当判断结果为是，则进入步骤S4；当判断结果为否，则继续判断该脉冲星模型是否失效；

若判断结果为否，则返回步骤S3；当判断结果为是，则返回步骤S2，重新确定脉冲星钟系统中使用的脉冲星及其模型。

S4.通过脉冲星模型与该次观测结果预测脉冲星自由时间与本地钟之差；

S5.通过本地时间频率基准或国际计量局(BIPM)提供的CircularT中的初级/次级频率标准(PFS/SFS)将脉冲星自由时间修正为脉冲星时间；

S6.发布脉冲星时间。

S7.考察所有脉冲星的实测到达时间与脉冲星时间的偏差是否超过设定的阈值，当偏差超过阈值，则返回步骤S2，重新确定脉冲星钟系统钟使用的脉冲星及其模型；当偏差未超过阈值，则返回步骤S3，重复观测和计算脉冲星时间，直至观测结束。

其中，所述理论到达时间为：根据脉冲星模型(包含脉冲星位置、周期、周期变化率等信息)可以预测计算该脉冲星的某个脉冲到达地球的精确时间。

所述实测到达时间为：根据观测获得的某颗脉冲星的某个脉冲到达地球的测量时间。

所述脉冲星自由时间为通过脉冲星观测与数据处理直接获得，但没有经过时间频率频标准(如本地时间频率基准或国际计量局BIPM提供的CircularT中的初级/次级频率标准PFS/SFS)校正时间频率的时间标准。

具体地，在本发明的基于FAST望远镜脉冲星观测的脉冲星钟系统中，首先使用FAST望远镜观测多颗自转稳定的脉冲星，脉冲星测时模块使用独立开发的测时程序对脉冲星数据进行处理获得其辐射中的脉冲到达地球时的本地原子钟示数。脉冲到达时间的本地原子钟示数及其误差记为t_FAST,k,M,n与σ_FAST,k,M,n，意为FAST望远镜对脉冲星k第n次观测使用星历参数模型M计算得到的脉冲到达读数时间与误差。

使用已知的脉冲星模型计算每颗脉冲星脉冲到达地球的理论时间，计算理论时间与计算得到的本地原子钟示数的差值。根据该脉冲星当前的转动模型与所有观测结果可以计算预测该脉冲星第n次观测与第n+1次观测之间——即下一次观测之前理论时间与原子钟示数的差值与误差，记为δt_FAST,k,M,n与σ_FAST,k,M,n，即脉冲星时间t_PSR与脉冲星k第n次观测后使用星历参数模型M计算得到的本地时间之差与其误差。δt_FAST,k,M,n的表达式为

其中a_k,M,n、y_k,M,n与C_k,M,n是通过拟合确定的系数，公式中高阶项的使用是为了保证时间频率的连续性。

然后，使用多颗脉冲星到达地球时间差值进行加权平均，该平均值δt_FT与本地时间之和为脉冲星自由时间。此平均值的计算方式为

其中w_k为每颗脉冲星的权重。一般地，权重初始值可设置为

然后进行如下调整：为了保证时间不被低噪声脉冲星所主导，权重w_k设置上限，归一化的权重不超过4/N，其中N为脉冲星钟系统中的脉冲星总数；测时结果发生大变化的奇异值将被舍弃，即权重置零；测时结果与脉冲星时间之差的Allan方差分析中出现异常的脉冲星的权重也将置零。

使用时间频率精度极高的本地时间频率基准校正脉冲星自由时间，使时间频率符合国际单位制的标准，得到脉冲星时间。由于国际单位制以铯原子钟基态超精细结构的振荡频率定义秒单位，而脉冲星转动频率与原子震荡之间并不具备天然关联，因此需要使用本地时间频率基准对上一步计算出的时间差进行进一步校准，校准后的时间差与本地钟示数之和即为基于FAST脉冲星观测的脉冲星时间。

时频驾驭模块利用脉冲星时间与本地原子钟示数的差值在输出端进行时频驾驭，并进行输出。将上一步获得的时间差与本地原子钟示数在硬件端叠加获得脉冲星时间，并将该时间在系统端口进行实时输出。

最后，在每次脉冲星观测后对脉冲星模型进行考查，统计每颗脉冲星的实测到达时间与脉冲星时间之差的Allan方差，以此为基准判断该脉冲星模型是否足够准确以及是否发生演化，对于不再准确的脉冲星将根据情况选择进行弃置或重新进行模型拟合，并对脉冲星权重与脉冲星时间进行针对性调整。

本发明的优点在于：

1、本技术中使用的脉冲星处理程序的计算部分包含各种脉冲星数据处理流程，相当于将现有各种脉冲星数据处理程序中的计算方法进行了综合，针对FAST望远镜进行了相关优化，并调和了不同程序之间的冲突；

2、本技术中的脉冲星处理程序的数据结构部分采用了独立的时间类、坐标类与脉冲星类，便于进行参数调整；

3、本技术中的脉冲星数据存储采用了后置文件信息的方式，将数据信息保存在数据尾部，便于进行信息数据的修改；

4、本技术中的脉冲星观测部分是基于世界上最大的望远镜FAST，具有极高的精度。

并且本发明中时频基于脉冲星转动，具有极高的准确性与稳定性；脉冲星观测部分是基于世界上最大的望远镜FAST，因此具有极高的精度；使用的各个程序均为针对FAST望远镜观测进行独立开发的，与FAST望远镜适配性强，保证了结果的准确性。

脉冲星钟的创建对时间计量科学的理论和发展是一个跨越，为微观量子频标和宏观脉冲星钟的基础研究和高技术创新研究提供实验平台。高水平的学术拓展有重大开拓和广泛的应用价值，可为脉冲星自主导航和脉冲星新的空间坐标系提供基础资料库。对建立我国的VLBI(甚长基线干涉测量)做出贡献。

Claims (6)

1.一种基于FAST脉冲星观测的脉冲星钟系统，其特征在于，所述系统包含脉冲星测时模块、时频驾驭模块与授时模块；其中，

所述脉冲星测时模块基于脉冲星数据处理程序获得脉冲星自由时间；

所述时频驾驭模块利用脉冲星自由时间与本地原子钟的示数的差值在输出端进行时频驾驭，并进行输出脉冲星时间；

所述授时模块使用分别基于网络和导航卫星系统的方式发布脉冲星时间；

其中，首先使用FAST望远镜观测多颗自转稳定的脉冲星，脉冲星测时模块获得其辐射中的脉冲到达地球时的本地原子钟的示数；脉冲到达时间的本地原子钟的示数及其误差记为t_FAST,k,M,n与σ_FAST,k,M,n，意为FAST望远镜对脉冲星k第n次观测使用星历参数模型M计算得到的脉冲到达读数时间与误差；

使用已知的脉冲星模型计算每颗脉冲星脉冲到达地球的理论时间，计算理论时间与计算得到的本地原子钟的示数的差值；根据该脉冲星当前的转动模型与所有观测结果可以计算预测该脉冲星第n次观测与第n+1次观测之间，即下一次观测之前理论时间与原子钟示数的差值与误差，记为δt_FAST,k,M,n与δσ_FAST,k,M,n；δt_FAST,k,M,n的表达式为：

其中，a_k,M,n、y_k,M,n与C_k,M,n是通过拟合确定的系数，t_PSR为脉冲星时间，公式中高阶项的使用是为了保证时间频率的连续性；

使用多颗脉冲星到达地球时的本地原子钟的示数的时间差值δt_FAST,k,M,n进行加权平均，该平均值δt_FT,n与本地原子钟的示数之和为脉冲星自由时间；此平均值的计算方式为：

其中，w_k为每颗脉冲星的权重；权重初始值可设置为

然后进行如下调整：为了保证时间不被低噪声脉冲星所主导，权重w_k设置上限，归一化的权重不超过4/N，其中N为脉冲星钟系统中的脉冲星总数；测时结果发生大变化的奇异值将被舍弃，即权重置零；测时结果与脉冲星时间之差的Allan方差分析中出现异常的脉冲星的权重也将置零；

使用时间频率精度极高的本地原子钟的示数频率基准校正脉冲星自由时间，使时间频率符合国际单位制的标准，得到脉冲星时间；由于国际单位制以铯原子钟基态超精细结构的振荡频率定义秒单位，而脉冲星转动频率与原子震荡之间并不具备天然关联，因此需要使用本地原子钟的示数频率基准对上一步计算出的时间差δt_FT,n进行进一步校准，校准后的时间差与本地原子钟的示数之和即为基于FAST脉冲星观测的脉冲星时间。

2.根据权利要求1所述的基于FAST脉冲星观测的脉冲星钟系统，其特征在于，所述脉冲星测时模块包含脉冲星数据折叠消色散、定标、测时及模型分析。

3.一种实现上述权利要求1或2所述的基于FAST脉冲星观测的脉冲星钟系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将脉冲星时间的初始基准确定为与地球时的国际计量局实现一致；

S2.确定脉冲星钟系统中使用的脉冲星及其模型；

S3.观测脉冲星并确定脉冲到达地球时的本地原子钟的示数；

S4.通过脉冲星模型与该次观测结果预测脉冲星自由时间与本地原子钟之差；

S5.通过本地时间频率基准或国际计量局提供的CircularT中的初级/次级频率标准PFS/SFS将脉冲星自由时间修正为脉冲星时间；

S6.发布脉冲星时间；

其中，首先使用FAST望远镜观测多颗自转稳定的脉冲星，脉冲星测时模块获得其辐射中的脉冲到达地球时的本地原子钟的示数；脉冲到达时间的本地原子钟的示数及其误差记为t_FAST,k,M,n与σ_FAST,k,M,n，意为FAST望远镜对脉冲星k第n次观测使用星历参数模型M计算得到的脉冲到达读数时间与误差；

使用已知的脉冲星模型计算每颗脉冲星脉冲到达地球的理论时间，计算理论时间与计算得到的本地原子钟的示数的差值；根据该脉冲星当前的转动模型与所有观测结果可以计算预测该脉冲星第n次观测与第n+1次观测之间，即下一次观测之前理论时间与原子钟示数的差值与误差，记为δt_FAST,k,M,n与δσ_FAST,k,M,n；δt_FAST,k,M,n的表达式为：

其中，a_k,M,n、y_k,M,n与C_k,M,n是通过拟合确定的系数，t_PSR为脉冲星时间，公式中高阶项的使用是为了保证时间频率的连续性；

使用多颗脉冲星到达地球时的本地原子钟的示数的时间差值δt_FAST,k,M,n进行加权平均，该平均值δt_FT,n与本地原子钟的示数之和为脉冲星自由时间；此平均值的计算方式为：

其中，w_k为每颗脉冲星的权重；权重初始值可设置为

然后进行如下调整：为了保证时间不被低噪声脉冲星所主导，权重w_k设置上限，归一化的权重不超过4/N，其中N为脉冲星钟系统中的脉冲星总数；测时结果发生大变化的奇异值将被舍弃，即权重置零；测时结果与脉冲星时间之差的Allan方差分析中出现异常的脉冲星的权重也将置零；

使用时间频率精度极高的本地原子钟的示数频率基准校正脉冲星自由时间，使时间频率符合国际单位制的标准，得到脉冲星时间；由于国际单位制以铯原子钟基态超精细结构的振荡频率定义秒单位，而脉冲星转动频率与原子震荡之间并不具备天然关联，因此需要使用本地原子钟的示数频率基准对上一步计算出的时间差δt_FT,n进行进一步校准，校准后的时间差与本地原子钟的示数之和即为基于FAST脉冲星观测的脉冲星时间。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3中，观测脉冲星并确定脉冲到达地球时的本地原子钟的示数之后，首先判断该次观测是否有效，当判断结果为是，则进入步骤S4；当判断结果为否，则继续判断该脉冲星模型是否失效。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，判断该脉冲星模型是否失效，当判断结果为否，则返回步骤S3；当判断结果为是，则返回步骤S2，重新确定脉冲星钟系统中使用的脉冲星及其模型。

6.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其特征在于，还包括步骤S7.考察所有脉冲星的实测到达时间与脉冲星时间的偏差是否超过设定的阈值，当偏差超过阈值，则返回步骤S2，重新确定脉冲星钟系统钟使用的脉冲星及其模型；当偏差未超过阈值，则返回步骤S3，重复观测和计算脉冲星时间，直至观测结束。

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