脉冲星时间尺度的噪声分析与处理

The rotation of millisecond pulsars is extremely stable, which makes the construction of pulsar time scale be possible. Millisecond pulsar time scale is one kind of time standard independent of atomic time scale, and it has the superiority of long-time stability. Multiple millisecond pulsars with stable signals can be used to construct ensemble pulsar time, which has much stability. There are various noises of in the processes of constructing pulsar time scale, including the timing noise from rotation irregularities of pulsars, perturbations of gravitational waves, the effect of the solar ephemeris errors and so on. In this project, we will analyze the main noise sources which affect the construction of pulsar time scale, find the reasonable processing method to eliminate or suppress the various noises, and try to find the optimal algorithm of the construction of ensemble pulsar time scale. 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. 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，这使脉冲星时间尺度的建立成为可能。毫秒脉冲星时间尺度是独立于原子时的另一种时间标准，具有长期稳定的优越性。而由多颗信号稳定的毫秒脉冲星可以建立综合脉冲星时，其稳定性更高。脉冲星时间尺度建立的过程中会有各种各样的噪声，包括脉冲星计时噪声、引力波的干扰、太阳系历表误差的影响等等。本项目将分析影响脉冲星时间尺度建立的主要噪声源并找出合理的消除或减弱各类噪声的处理方法，同时尝试找出建立综合脉冲星时的最佳算法。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提供了有利条件。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。

首先，利用IPTA发布的计时观测数据通过Tempo2软件得到了47颗毫秒脉冲星可靠的计时模型参数，这是建立综合脉冲星时间尺度的基本前提。详细得分析了脉冲星计时模型的数学关系，分析了各模型参数误差对计时残差的影响，并基于此估算了模型参数的测量精度。为了减少脉冲星计时红噪声对综合脉冲星时建立的影响，我们找到了一种最佳算法-维纳滤波算法。该算法既可以有效的减少红噪声的影响，还可以大大降低白噪声，对于提高综合脉冲星时长期稳定度是一种非常行之有效的方法。利用该方法建立的综合脉冲星时间尺度的长期稳定性可达E-17的量级。另一方面，维纳滤波的方法也能很好的检测国际原子时相对与地球时的波动。同时，我们讨论了协整理论在综合脉冲星时算法中的应用，这有助于我们针对红噪声较大的毫秒脉冲星利用加权平均的方法建立综合脉冲星时的时候取比较合理的权重。其次，我们不但全面分析了引力波对脉冲星计时残差的影响以及对综合脉冲时稳定度的影响，我们还进一步讨论了参考原子钟的钟差以及太阳系行星历表误差对脉冲星时稳定的影响。针对红噪声问题，我们利用Hurst指数分析了北美脉冲星计时阵观测的多颗毫秒脉冲星的噪声特点，又利用经验模态分解方法分析了脉冲星红噪声的成分并利用ARMA模型对各红噪声成分进行了预报，并将此预报结果从脉冲星计时残差中减去，部分的抑制了红噪声对计时残差的影响。此外，我们分析了我国首颗脉冲星导航试验卫星（XPNAV-01）发布的Crab脉冲星首批数据的计时特征，根据Jodrell Bank 提供的脉冲星星历和JPL发布的DE200历表，得到了微秒量级的拟合前计时残差。充分验证了该卫星数据的有效性，同时也验证了Crab脉冲星计时模型参数的可靠性。