脉冲星时间尺度建立及其在守时理论中的应用

The rotation of millisecond pulsars is extremely stable, make it be a natural frequency signal source, and based on that one can construct the so-called pulsar time scale. Millisecond pulsar timescale is a kind of time standard independent of atomic timescale, and it has the superiority of long-time stability. Multiple millisecond pulsars can be used to construct ensemble pulsar time, which has higher long-term stability. We want to find the suitable algorithm to realize the construction of ensemble pulsar time according to the different noise types. Meanwhile, we try to adjust the local atomic time kept by certain time laboratories using ensemble pulsar time, and make them attend the work of time keeping. As for the binary pulsar systems, in principle one can construct the binary pulsar timescale with the deterministic model of the orbital period and its derivative with respect to time, and based on that to examine gravity theories. Along with the running of more and more big telescopes, the observational precision is increasing, and more and more data will be released subsequently. All of these would provide advantages for the construction of pulsar time scale and the examination of gravity theories. Pulsar time scale will provide research basis for the pulsar autonomous navigation in deep space, and it satisfies the strategic requirement of China.

毫秒脉冲星的自转极其稳定，成为一种天然的频率信号源，基于此可以建立脉冲星时间尺度。毫秒脉冲星时间尺度是独立于原子时的另一种时间标准，具有长期稳定高的优越性。由多颗毫秒脉冲星可以建立综合脉冲星时，其长期稳定性更高。我们根据脉冲星计时过程中的各种噪声类型，找到合适的算法以实现高精度的综合脉冲星时的建立。同时，尝试利用综合脉冲星时校准某些时间实验室保持的地方原子时，使脉冲星时间尺度也参与到守时工作中来。对于脉冲星双星系统，原则上可以利用其轨道周期及其变化的理论模型确定性建立脉冲双星时间尺度，并以此为基础检验引力理论。随着大型射电望远镜的相继投入运行，脉冲星的观测精度日益提高，越来越多的观测数据也会相继释放，这为脉冲星时间尺度的建立和引力检验工作提供了有利支持。脉冲星时间尺度将为脉冲星深空自主导航提供重要的研究基础，满足我国战略需求。

对脉冲星时间尺度的建立方法和算法做了深入的研究，并在此基础上详细研究了脉冲星时间尺度在守时理论中的应用，该研究旨在将脉冲星时作为另一种时间基准，使其可作为TAI的备份来驾驭原子钟频率，提高原子钟的准确度。首先利用维纳滤波算法和经典加权平均算法构建了综合脉冲星时，并评估了其稳定度。然后研究了利用综合脉冲星时对原子时的频率驾驭方法，并利用两颗毫秒脉冲星（PSRs J0437-4715和J1909-3744）构建的综合脉冲星时对TA（NTSC）进行了频率驾驭,得到的驾驭结果与TAI的频率驾驭结果非常吻合。因而，综合脉冲星时可以作为TAI校准地方原子时的备份。如果脉冲星计时观测的比较密集，可以在小于月尺度上对地方原子时频率驾驭，对于产生更加稳定的UTC（NTSC）具有重要的作用。研究了协整理论在综合脉冲星时算法中的应用。针对计时噪声大的毫秒脉冲星通常在建立综合脉冲星时的时候被弃之不用。而利用协整理论建立的综合脉冲星时，即使单星的红噪声比较大，但建立的综合脉冲星时却没有表现出明显的红噪声。这说明，协整理论对于红噪声大的脉冲星参与综合脉冲星的建立提供了行之有效的方法。分析了不同脉冲星计时观测方案对脉冲星时间尺度建立的影响。首次评估了不同观测频次对脉冲星时计时残差及其稳定度的影响，发现除非观测数据异常稀少，否则基本不会影响脉冲星计时残差和脉冲星时间尺度的稳定度。另一方面，从预报出发，研究了不同计时观测数据疏密程度，数据离预报时刻的远近程度等建立的脉冲星时预报一年的精度和稳定度的影响。我们发现超过两年后建立的钟模型参数比较稳定，预报一年的脉冲星时与地球时的钟差稳定度几乎不随数据增多而变化。同时，除非建立脉冲星时距离预报位置超过5年，否则稳定度基本不变。这些研究结果对脉冲星时的应用提供了重要的理论指导。分析了脉冲星计时红噪声对于脉冲星时稳定度的影响。根据计时红噪声的功率谱，分别分析了红噪声的幅度、谱指数、转折频率等参数对脉冲星时稳定度的影响，这对后期脉冲星计时红噪声的消除方法提供了理论参考。利用脉冲星导航实验卫星XPNAV-1发布的数据进行了计时分析，并探讨了利用该数据仿真了对空间原子钟的频率驾驭，从而验证了利用脉冲星空间观测数据进行空间授时的可能性。