原子-脉冲星时间尺度建立方法研究

Atomic time is the mainly high precision time reference standard internationally at present. Atomic clock has very excellent frequency accuracy and short-term frequency stability, but its biggest drawback is the stability will be significantly reduced as time goes on (5E-15/5years). While the long-term stability of the pulsar time are: 3E-15/5years and 2E-15/>5years. In 2016, the Bureau International des Poids et Mesures is going to develop the work of combining pulsar time with atomic time so as to establish a composite time scale with more excellent long-term stability than the currently most accurate TT(BIPMXX) in the future. In order to keep up with the international frontier of discipline development, it is necessary to carry out the research on combining millisecond pulsar and atomic clock. This project will develop researches on the key technologies of atomic-pulsar time scale establishment and its application by using atomic clocks from the Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, and the millisecond pulsar timing observation data from PPTA, NANOGrav and EPTA. It is the pattern of high precision time services relying on atomic time singly at present that will be changed, thus improving the reliability of time services. In addition, it is expected to make a breakthrough in the UTC(k) timekeeping with pulsar time and to occupy a place in the application of the pulsar time scale in the international arena. This is of great significance for strengthening time-frequency system and improving the accuracy and long-term stability of the standard time in China.

原子时是目前国际上主要采用的高精度时间参考标准。原子钟具有很高的频率准确度和短期频率稳定度，但随着时间的推移其稳定度会明显降低（5E-15/5年），脉冲星时的长期稳定度为：3E-15/5年和2E-15/>5年。2016年国际权度局计划在未来开展脉冲星时与原子时相结合的工作，以建立长期稳定度优于目前最准确的TT(BIPMXX)的综合时间尺度。为了紧跟学科发展前沿，有必要开展毫秒脉冲星与原子钟相结合的研究。本项目利用中国科学院时间频率基准重点实验室的原子钟和PPTA、NANOGrav及EPTA的毫秒脉冲星计时观测资料，开展原子-脉冲星时间尺度建立及应用的关键技术研究，不仅能改变目前高精度时间服务单一依赖原子时的格局，提高时间服务的可靠性，而且在脉冲星时用于UTC(k)保持方面有望取得突破性成果，在国际上占有一席之地。这对健全我国时频体系，提高我国标准时间的准确度和长期稳定度具有重要意义。

脉冲星时和原子时建立机制不同，是两种相对独立的时间尺度，具有优势互补的特点：脉冲星时具有优秀的长期稳定度和准确度，原子时的测量精度高，具有优秀的中短期稳定度。本项目利用中国科学院时间频率基准重点实验室的原子钟、相位微调仪和相关时频设备，以及澳大利亚Parkes天文台PPTA、北美NANOgrav和欧洲EPTA等计时阵的观测资料（2019年IPTA发布的第二批脉冲星计时观测资料dr2），建立毫秒脉冲星与原子钟联合守时实验平台。.首先，利用长期的脉冲星计时观测资料，研究了历表误差、大气传播延迟、色散误差、Shapiro延迟及参考原子时等多种误差源对计时精度影响，为脉冲星钟模型的优化提供依据，进而为综合脉冲星时的建立提供高精度的计时残差。.其次，根据计时噪声的特点，将SigmaZ方法与经验模态分解方法相结合，用于脉冲星计时噪声的识别与提取，结果表明：对于计时噪声占主导的毫秒脉冲星，经过白化后计时残差精度提高约80%；对于计时噪声较小，主要受测量噪声影响的毫秒脉冲星，白化后计时残差的精度提高约30%。.第三，分析比较综合脉冲星时的Weiner滤波算法、参数化算法及加权平均算法，根据毫秒脉冲星计时观测的特点，提出综合脉冲星时建立方法。该方法建立的综合脉冲星时3年的稳定度为6.1E-16，达到预期指标。.第四，开展脉冲星驾驭原子钟的实验研究，证明了毫秒脉冲星驾驭原子钟的可行性。经脉冲星驾驭的原子钟不仅保持原子钟中短期频率稳定度的优势，而且具有自主可控和安全可靠等特点。.第五，将Vondrak-Cepek方法用于原子时和脉冲星时的融合，提出原子-脉冲星综合时间尺度APT建立方法，使APT在保证原子时短稳的前提下，具有脉冲星时长期稳定度。APT的稳定度为5.2E-16/1年、2.2E-16/3年和2.3E-16/5年，达到预期指标。.本项目的研究增强了原子时的频率稳定性、准确性和可靠性，提高了时频系统的鲁棒性，对满足非常时期不同领域对高精度时间/频率信号的需求，保持社会稳定和国防安全具有重要战略意义。