CN114035418B - 基于脉冲星的共视时间比对方法 - Google Patents

基于脉冲星的共视时间比对方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于脉冲星的共视时间比对方法，接收并记录脉冲星的辐射信号，由本地原子钟作为参考记录观测时间，将设定观测时长内的脉冲星数据处理得到积分脉冲轮廓；对1颗脉冲星进行多次计时观测，将得到的积分脉冲轮廓与同一波段标准模板脉冲轮廓互相关，得脉冲到达天线时间TOA及其误差序列；将脉冲到达天线时间TOA通过时间转换模型转换为脉冲到达太阳系质心SSB处的TOA；将通过时间转换模型得到的SSB处的TOA与脉冲星钟模型预报的脉冲到达SSB处的TOA比较，获得脉冲星时与原子时之差；采用两地观测站同时观测同一颗脉冲星，获得两地钟差。本发明观测源多，可靠性好，抗干扰强，共视比对作用距离长。

Description

基于脉冲星的共视时间比对方法
技术领域
本发明属于时频技术领域，涉及一种时间比对方法。
背景技术
时频传递比对技术是时间同步的基础，目前的时间比对方法主要分为有线和无线比对。有线比对是基于传输电缆进行时间比对，主要包括普通电缆连接和光纤时间比对两种，普通电缆直接连接比对主要用于实验室内原子钟间的时间比对，光纤时间比对作用距离远，可实现百公里级时间比对，且时间比对精度高，可达到几十皮秒量级精度。无线时间比对主要用于远程时间比对，主要包括卫星双向时间比对和卫星共视时间比对。基于导航卫星的共视时间比对具有成本低、使用方便等优点，是目前应用最多的高精度时间比对方法。
共视时间比对方法是相距一定距离的两个观测站，同时观测共视参考源获取本地时间与共视参考源的时间偏差，两个站点获得的观测数据求差，则得到两个观测站本地时间的偏差。共视时间比对方法可以消除参考源到两个观测者之间的时间传递共有误差，从而提高时间比对精度。根据共视比对原理，参考源的信号传播特性、位置误差、发播信号体制和基准时钟特性等都会影响共视时间比对的性能。基于GNSS卫星的共视比对方法，是基于人造参考基准源实现的，其可靠性、稳定性差，且参考源数量有限，部分地区可共视源有限，无法实现超远距离两地的共视比对，影响共视比对的应用范围。
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，尤其毫秒脉冲星的长期稳定性被认为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。随着观测技术进步，我国建成的贵州FAST 500米口径射电望远镜已开始常规化观测脉冲星，未来平方公里射电阵(Square Kilometre Array，SKA)的建成，将使脉冲星自转频率测量精度不断提升，进一步加速脉冲星时的应用。
脉冲星可作为共视比对的天然时频基准源，实现两地时间同步。脉冲星作为基准源具有数量多(目前已发现3000多颗)，可视时间长(部分脉冲星对高纬度站点全天候可视)，脉冲信号可靠(寿命百万年量级)、稳定等特点。脉冲星距离遥远(信号到达地面可视为平面波)，可实现超远距离两地共视比对，且应用不受地域限制，地面-> 近地->深空领域。基于GNSS共视比对只适用于地面，通过基于脉冲星的共视时间比对技术还可实现地面与深空时间同步应用。另外，脉冲星为多波段宽频带辐射辐射，从射电频率(几百MHz)、光学到X射线，直至伽马射线都有辐射，可根据地域环境情况选择观测频段，避开干扰信号影响，具有抗干扰强特性。
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的共视时间比对方法，基于天然频率基准源-脉冲星实现两地共视时间比对技术，相比人造共视基准源-GNSS卫星，观测源多，可靠性好，抗干扰强，共视比对作用距离长。
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)接收并记录脉冲星的辐射信号，由本地原子钟作为参考记录观测时间，然后将设定观测时长内的脉冲星数据处理得到积分脉冲轮廓；
2)对1颗脉冲星进行多次计时观测，获得一系列积分脉冲轮廓，将得到的积分脉冲轮廓与同一波段标准模板脉冲轮廓互相关，得脉冲到达天线时间TOA及其误差序列；
3)将脉冲到达天线时间TOA通过时间转换模型转换为脉冲到达太阳系质心SSB 处的TOA；
4)将通过时间转换模型得到的SSB处的TOA与脉冲星钟模型预报的脉冲到达 SSB处的TOA比较，获得脉冲星时PT与原子时AT之差，即PT-AT；
5)采用两地观测站同时观测同一颗脉冲星，获得两地钟差
Figure BDA0003330895120000021
其中，
Figure BDA0003330895120000022
和
Figure BDA0003330895120000023
为两站点分别测量的脉冲到达时间，δclock为两地原子钟修正项之差 ，δR为两站点间的几何时延，δS为两站点间的引力时延之差，δE为两站点间的相对论时延之差，δA两站点间的大气时延之差，δD为两站点间的色散时延之差。
所述的步骤1)通过地面射电望远镜L波段接收并记录脉冲星的辐射信号。
所述的步骤1)将设定观测时长内的脉冲星数据通过消色散和周期折叠处理，得到高信噪比的积分脉冲轮廓。
所述的步骤2)中标准模板是由该脉冲星相比设定观测时长更长时间观测数据折叠而成的脉冲轮廓。
所述的时间转换模型
Figure BDA0003330895120000031
其中，
Figure BDA0003330895120000032
是以原子钟作为参考测量的脉冲到达观测站的时间，Δclock是世界时UTC与地球时TT偏差，ΔR是Roemer延迟，ΔS是引力延迟，ΔE是爱因斯坦延迟，ΔA是地球大气引起的时间延迟，ΔD是色散延迟。
所述的步骤4)如果脉冲星处于双星系统中，则脉冲星钟模型预报脉冲到达SSB 处的时间考虑双星系统引起的时延。
所述的脉冲星时PT与原子时AT之差
Figure BDA0003330895120000033
其中，
Figure BDA0003330895120000034
为脉冲星钟模型预报的脉冲到达SSB处的时间，
Figure BDA0003330895120000035
为通过时间转换模型得到的脉冲到达SSB处的时间。
利用步骤(4)获得观测的每颗脉冲星PTi与观测站点1的原子钟AT1钟差序列 PTi-AT1以及每颗脉冲星PTi与观测站点2的原子钟AT2的钟差序列PTi-AT2；将两站点观测同1颗脉冲星获得的数据PTi-AT1和PTi-AT2，按 AT1-AT2＝(PT-AT2)-(PT-AT1)计算获得共视第i颗脉冲星时间段内的两地钟差序列 AT1-AT2；对共视观测的所有脉冲星重复以上步骤，获得一系列共视时段的钟差序列；将钟差序列按时间顺序连接，则获得连续时间的两地钟差比对值AT1-AT2。
本发明的有益效果是：基于脉冲星共视比对，相比于脉冲星单向授时技术可以消除共同误差源，如参考基准脉冲星本身误差影响，包括自转参数误差、位置误差、双星轨道误差、脉冲星内部噪声等；还可降低路径上误差源影响，如地球历表误差、色散误差、大气误差等。基于脉冲星共视比对，相比基于GNSS卫星的共视比对方法，基准源数量多，可视时间长，脉冲信号可靠、稳定，可实现超远距离两地共视比对，应用不受地域限制。
附图说明
图1是脉冲星与原子钟比对流程图；
图2是基于脉冲星的共视时间比对流程图。
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。
本发明利用两个地面站通过同时接收同1颗脉冲星辐射的周期性脉冲信号，实现两地原子钟时间同步。
脉冲星具有高稳定的自转频率特性，自转频率一旦精确测定可长期使用。基于稳定自转频率可精确预报脉冲到达地面天线的时间，以原子钟为参考利用地面天线可精确测定脉冲到达天线的时间。若脉冲星自转频率和观测参考原子钟都准确，则测量脉冲到达时间与预报脉冲到达时间一致。其中，预报脉冲到达时间代表脉冲星时(pulsar time，PT)，以原子钟为参考测量脉冲到达时间代表原子时(atomic time，AT)。利用脉冲星计时观测及数据处理技术可获得脉冲星时与原子时之差，即钟差时间序列 PT-AT。若将脉冲星时PT作为时间基准，以原子钟为参考测量脉冲星信号时，当原子钟AT存在误差时，则原子钟误差会体现在上述的PT-AT钟差序列中。
脉冲星与原子钟比对值PT-AT，可通过脉冲星计时观测技术获得，其具体流程如下：
1)观测获得高信噪比脉冲轮廓
通过地面射电望远镜接收(L波段接收)并记录脉冲星的辐射信号，由本地原子钟作为参考记录观测时间，然后将一定观测时长内脉冲星数据，通过消色散、周期折叠等技术处理，得到高信噪比的积分脉冲轮廓。
2)数据处理获得脉冲到达天线TOA
对1颗脉冲星进行多次计时观测，获得一系列积分脉冲轮廓，将得到的积分脉冲轮廓与同一波段标准模板脉冲轮廓互相关，得脉冲到达天线时间(Time of Arrive，TOA) 及其误差序列。标准模板是由该脉冲星长时间观测数据折叠而成信噪比更高的脉冲轮廓。
3)天线TOA转换为到达SSB处TOA
将到达天线的TOA利用时间转换模型，转换为脉冲到达太阳系质心(Solar SystemBarycentre，SSB)处的TOA，TOA时间转换模型时延修正项主要包括：测站钟误差 (修正到TT)、几何时延、引力时延、爱因斯坦时延、色散时延、大气时延等，详细TOA时间转换见下文公式(2)。
4)获得脉冲星与原子钟钟差序列：PT-AT
将经TOA转换得到的SSB处的TOA与脉冲星钟模型预报的脉冲到达SSB处的 TOA比较，获得脉冲星时(PT)与原子时(AT)之差，即PT-AT。如果脉冲星处于双星系统中，则预报脉冲到达SSB处时间还需考虑双星系统引起的时延。具体脉冲星计时数据处理流程如图1所示。
当远距离的两个站点分别以本地原子钟为参考观测同1颗脉冲星，类似于GNSS 卫星共视比对技术，可实现远距离两地时间同步。对任意1个地面脉冲星观测站，利用脉冲星计时观测技术，可获得脉冲星与原子钟比对钟差PT-AT，可描述为：
Figure BDA0003330895120000051
其中，
Figure BDA0003330895120000052
为利用脉冲星自转模型预报的脉冲到达SSB时间，
Figure BDA0003330895120000053
为利用原子钟为参考测量的脉冲到达SSB时间。
在实际观测中，由于观测站在地面，只能测量获得脉冲到达观测站的时间
Figure BDA0003330895120000054
由于观测站受地球自转和公转影响，不是一个惯性系，需要将观测站测量的脉冲到达天线TOA转换为脉冲到达太阳系质心SSB处TOA，以消除外界对脉冲信号时延影响，只留下能够反应脉冲星本征辐射的信号特征。在TOA转换过程中主要包括：参考钟误差修正、几何延迟、引力延迟、相对论时间转换(TT转换到TCB)、大气延迟、色散延迟等，脉冲星TOA转换模型为：
Figure BDA0003330895120000055
其中，
Figure BDA0003330895120000056
是脉冲到达太阳系质心SSB处时间，
Figure BDA0003330895120000057
是脉冲到达观测站的时间 (以原子钟作为参考测量)，Δclock世界时UTC与地球时TT偏差(修正值为：闰秒 +32.184s)，ΔR是Roemer延迟，即地球相对于太阳质心运动引起的几何时间延迟，ΔS是引力延迟，由于太阳系内大质量天体引起的时空弯曲而带来的时间延迟，ΔE是爱因斯坦延迟，即相对论时间延迟(TT转换为TCB的时延)，ΔA是地球大气引起的时间延迟，ΔD是色散延迟，即观测信号在星际介质中传播时相对于在真空中传播的时间延迟。目前专用脉冲星计时软件Tempo2给出的TOA转换模型精度已优于1ns，已满足脉冲星时应用需求。
若两地观测站同时观测同一颗脉冲星则基于共视原理可获得两地钟差：
AT1-AT2＝(PT-AT2)-(PT-AT1) (3)
根据上式可知，计算两地原子钟钟差，可借助于脉冲星基准源，首先分别计算各地原子钟与脉冲星时钟差值。将公式(1)和(2)代入上式，可获得两地原子钟钟差与脉冲星TOA观测量之间的关系，公式如下所示：
Figure BDA0003330895120000061
其中，
Figure BDA0003330895120000062
和
Figure BDA0003330895120000063
为两站点分别测量的脉冲到达时间，后面括号内为站点2相对于站点1的TOA相对修正项。其中，δclock两地原子钟修正项之差 ，根据(2)式，该项为0，δR为两站点间的几何时延，为最大修正项，δS为两站点间的引力时延之差，δE为两站点间的相对论时延之差，δA两站点间的大气时延之差，δD为两站点间的色散时延之差，利用脉冲星计时专业软件Tempo2可精确计算两地时延之差，模型计算精度优于1纳秒。
根据公式(4)，利用两地观测脉冲星计时数据可计算获得两地原子钟钟差值，实现基于脉冲星基准源的两地共视时间比对技术。基于脉冲星共视比对，相比于脉冲星单向授时技术具有以下优势：可以消除共同误差源，如参考基准脉冲星本身误差影响，包括：自转参数误差、位置误差、双星轨道误差、脉冲星内部噪声等；还可降低路径上误差源影响，如：地球历表误差，色散误差，大气误差等。
本发明的实施例中，时间比对两个站点分别以本地原子钟为参考共视观测同1颗脉冲星，利用脉冲星计时观测及数据处理技术，分别获得脉冲星时与两地原子钟钟差序列(PT-AT)。最后通过数据交换处理分析(类似于GNSS共视比对数据处理技术)，获得两地原子钟钟差。基于脉冲星基准源共视时间比对方法具体实施方案如下：
(1)共视站点建设脉冲星计时观测系统
在各共视站点建设脉冲星计时观测系统，其中，天线形状为抛物面，天线口径约15米，各站点配备相同的天线接收机系统和脉冲星接收终端系统，以本地原子钟为时间参考建立脉冲星计时观测系统。
(2)筛选脉冲星共视基准源
根据共视站点地理位置、天线系统观测能力等，选择一组辐射流量强、满足各站点可共视观测的脉冲星。且该组候选源满足两站点的全天候连续共视观测覆盖。例如，若两站点都在北半球中高纬度地区，可在北天区选择赤纬高的源(可共视时间长)。对于部分高纬度地区，北天1颗高赤纬脉冲星即可满足全天候的两地连续共视观测。
(3)制定观测纲要开展共视观测
根据候选脉冲星位置、观测站点坐标位置，计算给出各共视源可共视时间段，制定候选源观测顺序，以满足全天候有共视源可观测。然后，利用两站点脉冲星计时观测系统，按制定的候选源观测顺序对候选源依次进行计时观测。
(4)脉冲星观测数据处理
对各站点观测采集数据，利用专业数据处理软件PSRCHIVE，采用积分时间15分钟进行周期折叠处理，获得一系列间隔为15分钟的积分脉冲轮廓，然后将积分脉冲轮廓与标准脉冲轮廓模板互相关，则获得一系列采样间隔为15分钟的脉冲到达天线TOA 时间序列。最后，利用Tempo2软件进行计时分析，获得该脉冲星与原子钟钟差序列，即PT-AT。
(5)计算获得脉冲星时与两地原子钟钟差
利用步骤(4)数据处理方法，可获得观测的每颗脉冲星PTi与观测站点1原子钟(AT1)钟差序列PTi-AT1。利用同样的脉冲星数据处理方法，可获得每颗脉冲星PTi与观测站点2原子钟(AT2)的钟差序列PTi-AT2。
(6)数据交换计算获得两地钟差数据
将两站点观测同1颗脉冲星获得的数据PTi-AT1和PTi-AT2，按公式(3)计算可获得共视第i颗脉冲星时间段内的两地钟差序列AT1-AT2，对共视观测的所有脉冲星都做如上数据处理，则可获得一系列共视时段的钟差序列。最后将钟差序列按时间顺序连接，则获得连续时间的两地钟差比对值AT1-AT2。
本发明能够实现超远距离两地时间同步，具有安全、可靠等特点。

Claims (8)

1.一种基于脉冲星的共视时间比对方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)接收并记录脉冲星的辐射信号，由本地原子钟作为参考记录观测时间，然后将设定观测时长内的脉冲星数据处理得到积分脉冲轮廓；
2)对1颗脉冲星进行多次计时观测，获得一系列积分脉冲轮廓，将得到的积分脉冲轮廓与同一波段标准模板脉冲轮廓互相关，得脉冲到达天线时间TOA及其误差序列；
3)将脉冲到达天线时间TOA通过时间转换模型转换为脉冲到达太阳系质心SSB处的TOA；
4)将通过时间转换模型得到的SSB处的TOA与脉冲星钟模型预报的脉冲到达SSB处的TOA比较，获得脉冲星时PT与原子时AT之差，即PT-AT；
5)采用两地观测站同时观测同一颗脉冲星，获得两地钟差
Figure FDA0003330895110000011
其中，
Figure FDA0003330895110000012
和
Figure FDA0003330895110000013
为以原子钟作为参考测量的脉冲到达两站点的时间，δclock为两地原子钟修正项之差 ，δR为两站点间的几何时延，δS为两站点间的引力时延之差，δE为两站点间的相对论时延之差，δA两站点间的大气时延之差，δD为两站点间的色散时延之差。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲星的共视时间比对方法，其特征在于，所述的步骤1)通过地面射电望远镜L波段接收并记录脉冲星的辐射信号。
3.根据权利要求1所述的基于脉冲星的共视时间比对方法，其特征在于，所述的步骤1)将设定观测时长内的脉冲星数据通过消色散和周期折叠处理，得到高信噪比的积分脉冲轮廓。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲星的共视时间比对方法，其特征在于，所述的步骤2)中标准模板是由该脉冲星相比设定观测时长更长时间观测数据折叠而成的脉冲轮廓。
5.根据权利要求1所述的基于脉冲星的共视时间比对方法，其特征在于，所述的时间转换模型
Figure FDA0003330895110000014
其中，
Figure FDA0003330895110000015
是以原子钟作为参考测量的脉冲到达观测站的时间，Δclock是世界时UTC与地球时TT偏差，ΔR是Roemer延迟，ΔS是引力延迟，ΔE是爱因斯坦延迟，ΔA是地球大气引起的时间延迟，ΔD是色散延迟。
6.根据权利要求1所述的基于脉冲星的共视时间比对方法，其特征在于，所述的步骤4)如果脉冲星处于双星系统中，则脉冲星钟模型预报脉冲到达SSB处的时间考虑双星系统引起的时延。
7.根据权利要求1所述的基于脉冲星的共视时间比对方法，其特征在于，所述的脉冲星时PT与原子时AT之差
Figure FDA0003330895110000021
其中，
Figure FDA0003330895110000022
为脉冲星钟模型预报的脉冲到达SSB处的时间，
Figure FDA0003330895110000023
为通过时间转换模型得到的脉冲到达SSB处的时间。
8.根据权利要求1所述的基于脉冲星的共视时间比对方法，其特征在于，利用步骤(4)获得观测的每颗脉冲星PTi与观测站点1的原子钟AT1钟差序列PTi-AT1以及每颗脉冲星PTi与观测站点2的原子钟AT2的钟差序列PTi-AT2；将两站点观测同1颗脉冲星获得的数据PTi-AT1和PTi-AT2，按AT1-AT2＝(PT-AT2)-(PT-AT1)计算获得共视第i颗脉冲星时间段内的两地钟差序列AT1-AT2；对共视观测的所有脉冲星重复以上步骤，获得一系列共视时段的钟差序列；将钟差序列按时间顺序连接，则获得连续时间的两地钟差比对值AT1-AT2。
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