利用毫秒脉冲星建立高稳定度的时间尺度

As a beacon in the universe, millisecond pulsar is one kind of pulsar, whose rotation velocity is higher, age is older, and magnitude field is stronger than that of normal pulsar. So the millisecond pulsars serve as some of the most reliable clocks in the universe. The measurement precision of most Time of Arrivals (TOAs) can achieve 0.1～1 microsecond , so the pulsar timescale constructed based on the high-rotation and very stable millisecond pulsar can compete with that of atomic clock. However, the pulsar timescale built with single millisecond pulsar are affected by the interstellar dispersion, gravitational wave background and atomic error, which lead to correlated timing residuals, and so the stability of the pulsar timescale is low, especially the short-term stability. In addition to the atomic time error, other errors can be removed by using adapt model. Here, we propose to study how to obtain the high precision TOAs based on the real timing data, and then separate the correlated noise from the timing residuals, finally an ensemble pulsar timescale is built. The precision of the timescale can achieve the requirements to realize terrestrial time, and could be used to detect the inaccuracies in Jet Planet Laboratory (JPL) planet ephemeris such as DE421 and atomic time.

毫秒脉冲星是自转较快、年龄较老、磁场较弱的脉冲星，是宇宙空间的"灯塔"，被誉为自然界最稳定的天然"时钟"。大部分毫秒脉冲星的脉冲到达时间（TOA）的测量精度都在0.1～1微秒，利用毫秒脉冲星的高速稳定自转的特点可以建立脉冲星时，其稳定度能够和当时原子时相媲美，但是单颗毫秒脉冲星建立的脉冲星时受到星际色散、引力波辐射以及原子时误差等噪声源的影响，导致毫秒脉冲星的计时残差之间相关，造成了脉冲星时的稳定度不够高，尤其是短期稳定度。除了原子时误差，其它误差可以通过模型消弱甚至消除，唯独原子时误差难以消除。本项目拟采用多颗毫秒脉冲星的实测计时数据，在研究解算高精度TOA的基础上，分离毫秒脉冲星的计时残差之间的相关噪声，建立一种高稳定度的综合脉冲星时，能够达到实现地球时的精度要求，并可以用来探测行星星历和原子时误差。

提出了解算高精度脉冲到达时间的策略，推导了地球时和质心坐标时转换关系，以毫秒脉冲星PSR J0437-4715的实测计时数据为例，分别研究分析了Roemer延迟、Einstein延迟、Shapiro延迟以及星际色散对其计时残差的影响，结果表明各种延迟量相差较大，最大为近200s（Roemer延迟），最小趋近于零，太阳和木星对毫秒脉冲星计时精度影响最大。以澳大利亚国家天文台Parks射电望远镜观测到的12颗毫秒脉冲星共十余年的实测计时数据为基础，首先根据互相关法获取TOA及其误差，分析太阳系质心时的计时残差，然后运用傅立叶级数建立综合脉冲星时模型，从而实现地球时，最后利用deltz方法评估了它的稳定度。结果表明综合脉冲星时的稳定度呈现线性增强趋势，10年的稳定度高于10-15，白噪声是主要噪声来源，对其稳定度的影响随着时间的增长逐渐减弱，稳定性和BIPM(2013)相当，认为综合脉冲星时可以作为地球时的一种实现方式。.分析比较了JPL行星星历DE200、DE405和DE421的差异，以及它们对毫秒脉冲星计时残差精度的影响，结果表明对于某颗毫秒脉冲星，解算采用多种设备观测多个频率的计时观测数据时，TEMPO2模型误差大于不同行星星历带来的误差，因此无法判断何种行星星历更有利于提高毫秒脉冲星计时精度；对于同一设备观测一颗毫秒脉冲星的同一频率的计时观测数据，DE421最有利于提高毫秒脉冲星的计时精度。