毫秒脉冲星计时(MSPT).ppt

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1、毫秒脉冲星计时(MSPT)及其在科学研究中的应用倪广仁（中国科学院国家授时中心）2007.9.6倪广仁工作简介倪广仁工作简介 现供职于国家授时中心，并被聘于西安电子科技大学电子现供职于国家授时中心，并被聘于西安电子科技大学电子工程学院。工程学院。主要研究领域：主要研究领域：射电望远镜系统的研制和观测分析（射电望远镜系统的研制和观测分析（7.5cm7.5cm和和3.2cmRT3.2cmRT系统）；系统）；长波长波（BPL）授时台监测设备授时台监测设备“大气噪声电平概率分布大气噪声电平概率分布仪仪”和和“钟同步器钟同步器”等仪器的研制；等仪器的研制；原子钟守时、授时和应用研究；原子钟守时、授时和应

2、用研究；时间标准用户服务研究；时间标准用户服务研究；毫秒脉冲量计时的理论、方法及其应用研究。毫秒脉冲量计时的理论、方法及其应用研究。目前正与西安电子科技大学等单位合作进行以下项目研究：目前正与西安电子科技大学等单位合作进行以下项目研究：毫秒脉冲星极弱信号检测及消色散方法研究（自然科学基金毫秒脉冲星极弱信号检测及消色散方法研究（自然科学基金项目）；项目）；基于基于X X射线脉冲星的空间导航定位机理和仿真研究（自然科射线脉冲星的空间导航定位机理和仿真研究（自然科学基金项目）；学基金项目）；利用利用X X射线脉冲星进行天文自主导航的理论方法和新技术研射线脉冲星进行天文自主导航的理论方法和新技术研究究

3、（863）；脉冲星时间尺度与原子时的关系及其算法研究。脉冲星时间尺度与原子时的关系及其算法研究。倪广仁工作简介倪广仁工作简介 曾获曾获19781978年全国科学大会奖一项，中科院科技进步三等奖年全国科学大会奖一项，中科院科技进步三等奖二项。二项。以第一作者发表论文以第一作者发表论文4040多篇，合作发表论文多篇，合作发表论文1010多篇。被多篇。被SCI检索检索4篇，篇，EI及及AAA收录收录1212篇。主要发表在电波科学篇。主要发表在电波科学报、计量学报、报、计量学报、IAU会刊、西安电子科技大学学报、天文会刊、西安电子科技大学学报、天文学报、中国计量、量子电子学报、数据采集与处理、天文学报

4、、中国计量、量子电子学报、数据采集与处理、天文研究与技术、时间频率学报等刊物。研究与技术、时间频率学报等刊物。倪广仁工作简介倪广仁工作简介 毫秒脉冲星计时毫秒脉冲星计时(MSPT)及其在科学研究及其在科学研究中的应用中的应用 p脉冲星的发现、观测事实及成就脉冲星的发现、观测事实及成就发现、观测分析结果、成就及重要特征发现、观测分析结果、成就及重要特征部分重要特征（主要含信息学科和计量学、射电天文学）部分重要特征（主要含信息学科和计量学、射电天文学）p毫秒脉冲星时间尺度及其与原子时的关系毫秒脉冲星时间尺度及其与原子时的关系毫秒脉冲星计时研究现状毫秒脉冲星计时研究现状毫秒脉冲星计时理论模型、研究成

5、果毫秒脉冲星计时理论模型、研究成果p时间尺度的演变和时间尺度的演变和MSMS脉冲星时间尺度脉冲星时间尺度p对脉冲星研究的学科领域和应用前景对脉冲星研究的学科领域和应用前景发现、观测分析结果、成就及重要特征发现、观测分析结果、成就及重要特征19671967年年7 7月，首颗脉冲星月，首颗脉冲星（CP1919+21CP1919+21，P=1.3373SP=1.3373S）由由英国剑桥大学射电天文台的英国剑桥大学射电天文台的Joselyn.BellJoselyn.Bell及她的导师及她的导师AntonyAntony HewishHewish发现，并开始了对脉冲星开拓性研究。这一发现被誉发现，并开始了

6、对脉冲星开拓性研究。这一发现被誉为六十年代四大发现之一（类星体、星际有机分子、微波背为六十年代四大发现之一（类星体、星际有机分子、微波背景辐射、脉冲星）。景辐射、脉冲星）。19681968年年6 6月，康奈尔大学教授月，康奈尔大学教授T.GoldT.Gold在在NatureNature杂志发表论文，证认这一发现是杂志发表论文，证认这一发现是2020世纪世纪3030年代物理学年代物理学家所预言的中子星。家所预言的中子星。19671967年初，在发现首颗脉冲星的前几个年初，在发现首颗脉冲星的前几个月月PaciniPacini就在就在“NatureNature”论述了具有强偶极子磁场的快速自论述了具

7、有强偶极子磁场的快速自转的中子星像一个极强功率的发电机一样向周围星云提供辐转的中子星像一个极强功率的发电机一样向周围星云提供辐射能源。射能源。19681968年，年，staelinstaelin等发现了蟹状星云等发现了蟹状星云（CrabCrab）脉冲脉冲星星PSR0531+21PSR0531+21（P=33msP=33ms）。它被天文学家称之为毫秒脉冲星。它被天文学家称之为毫秒脉冲星。那个时代，科学家探索重点在脉冲星的内部物理结构、巡天那个时代，科学家探索重点在脉冲星的内部物理结构、巡天新脉冲星、固态理论、磁层、辐射机制、模型和改进接收系新脉冲星、固态理论、磁层、辐射机制、模型和改进接收系统设

8、备等方面。统设备等方面。发现、观测分析结果、成就及重要特征发现、观测分析结果、成就及重要特征真正意义上的毫秒脉冲星（十毫秒以内）是由真正意义上的毫秒脉冲星（十毫秒以内）是由Backer等人在等人在19821982年年发现的发现的1937+211937+21，周期为，周期为1.561.56ms。至今发现至今发现MSP约有百余颗，约有百余颗，X射线源射线源3030余颗。余颗。成就辉煌：自成就辉煌：自19671967年以来，在天体物理学研究方面，获得诺贝尔奖年以来，在天体物理学研究方面，获得诺贝尔奖与脉冲星有关的有四项：与脉冲星有关的有四项：19741974年诺贝尔物理奖授予脉冲星发现者和开拓性研究

9、贡献者赫威年诺贝尔物理奖授予脉冲星发现者和开拓性研究贡献者赫威斯等；斯等；19931993年诺贝尔物理学奖授予脉冲星双星发现者（年诺贝尔物理学奖授予脉冲星双星发现者（19741974年）及对引年）及对引力波间接验证做出重大贡献的力波间接验证做出重大贡献的Taylor和和Hulse等。其实质是引力波对脉冲等。其实质是引力波对脉冲星脉冲到达时间星脉冲到达时间（PTOA）的微变效应的分析成就；的微变效应的分析成就；19941994年，在凝聚态物质研究中发展了中子散射技术成就的加拿大年，在凝聚态物质研究中发展了中子散射技术成就的加拿大人人布罗克和美国的沙尔；布罗克和美国的沙尔；20022002年，在探

10、测宇宙中微子和发现宇宙年，在探测宇宙中微子和发现宇宙X X射线源方面取得重要成射线源方面取得重要成果，做出先驱性贡献者，美国科学家雷蒙德果，做出先驱性贡献者，美国科学家雷蒙德戴维斯和日本科学家小柴戴维斯和日本科学家小柴昌俊昌俊,及美国科学家里卡尔多及美国科学家里卡尔多贾科尼荻获天体物理诺贝尔奖，并导致贾科尼荻获天体物理诺贝尔奖，并导致中微子天文学的诞生。中微子天文学的诞生。周期年变率周期年变率 ,MSPT,MSPT长期稳定度长期稳定度 ,实际观测精度达实际观测精度达。目前。目前,年平均观测精度小于年平均观测精度小于的毫秒星有的毫秒星有2020多颗多颗,小于小于的有的有1010多颗多颗(不含星团

11、中的不含星团中的MSP)MSP)。,1855+09(,1855+09(),1713+0747(),1713+0747(),0437-4715(),0437-4715()。其中最好的。其中最好的PSRJ1713+0747PSRJ1713+0747长期稳定度优于长期稳定度优于E-14E-14)。对于。对于PSR0437-47PSR0437-47的观测，若的观测，若,那么那么,其长期其长期,也优于也优于典型的可用于脉冲星时间尺度标准的典型的可用于脉冲星时间尺度标准的MSMS脉冲星有脉冲星有:PSR1937+21:PSR1937+21（）（稳定度优于稳定度优于E-15,E-15,它既优于它既优于USN

12、O的原子钟长稳的原子钟长稳德国德国PTBPTB的原子喷泉钟。对的原子喷泉钟。对PSR1855+09PSR1855+09观测观测1010年年,它的长稳也它的长稳也优于优于USNO和和PTB的的AT。(Backer.D.C,Hama.s.et,AP.J.1993,404:636)。中国天体物理学家杨建早在中国天体物理学家杨建早在19771977年称年称“脉冲星实脉冲星实在是宇宙中天然的精确时钟在是宇宙中天然的精确时钟”。某些某些MSP辐射周期辐射周期P具有很高的准确度和稳定度具有很高的准确度和稳定度极强的辐射功率和极弱信号接收极强的辐射功率和极弱信号接收观测估算得到观测估算得到,脉冲星超强磁场达脉

13、冲星超强磁场达。辐射能。辐射能)尔格尔格,若以每秒损耗若以每秒损耗尔格能量尔格能量,一般脉冲一般脉冲)年年。由于距地球极遥远由于距地球极遥远(30055000光年光年).).目前目前,大天线接收系统大天线接收系统对于脉冲星定位精度可以优于对于脉冲星定位精度可以优于0.00030.0003”(VLBI)(VLBI)。比太阳大比太阳大100100万倍万倍(太阳射能为太阳射能为1 1万亿亿亿度电万亿亿亿度电/s)/s)。脉冲星总能。脉冲星总能量约为量约为(星可以辐射（星可以辐射（),),距地球最近的距地球最近的MSPMSP是是PSRO437-4715(162pcd205pc),它的它的周期周期为为5

14、.75ms（sandhu.J.S,D,California Institute of Technology,2001）。信号到达地面站的流密度仅仅约为。信号到达地面站的流密度仅仅约为0.01mJy200Jy(1Jy(1fu)=可以收到小于可以收到小于0.01mJy0.01mJy的信号的信号.采样速率可达采样速率可达5GPSP,5GPSP,即采样间即采样间隔为隔为0.2ns0.2ns。脉冲星脉冲辐射类似于海上导航灯的灯塔辐射模式脉冲星脉冲辐射类似于海上导航灯的灯塔辐射模式超强密度超强密度1014g/cm3和超大质量和超大质量(和太阳相当和太阳相当,d仅为十几公仅为十几公里里),),并具有超高压等

15、极端物理特性并具有超高压等极端物理特性,誉为天然的极端条件誉为天然的极端条件下的太空实验室下的太空实验室脉冲星脉冲叠加得到的轮廓图有单峰至五峰模式结构，主脉冲星脉冲叠加得到的轮廓图有单峰至五峰模式结构，主脉冲宽度占全脉冲周期的脉冲宽度占全脉冲周期的(310%）。脉冲星平均脉冲幅度）。脉冲星平均脉冲幅度有两个量级左右的变化。在极宽的频率范围内白噪声和色有两个量级左右的变化。在极宽的频率范围内白噪声和色噪声均存在，我们做了一定的研究。噪声均存在，我们做了一定的研究。部分重要特征（主要含信息学科和计量学、部分重要特征（主要含信息学科和计量学、射电天文学）射电天文学）脉冲接收的流密度脉冲接收的流密度(

16、通量通量)与频率的幂指数的相关性与频率的幂指数的相关性一般讲两者呈反比关系一般讲两者呈反比关系。具体表达式是具体表达式是:其中，其中，为频率为频率,为幂指数为幂指数,一般为一般为。流通量。流通量最大值一般在最大值一般在400MHz600MHz。近地空间综合噪声对脉冲信号的噪音随机影响呈现低谷状近地空间综合噪声对脉冲信号的噪音随机影响呈现低谷状态的频率波段在态的频率波段在1G3GHz，常选择常选择1G3GHz频段作为观频段作为观测脉冲星信号的频率，尤对于天文观测要求保护的测脉冲星信号的频率，尤对于天文观测要求保护的1.4GHz1.5GHz波段使用的最多。波段使用的最多。脉冲信号接收的信噪比脉冲信

17、号接收的信噪比(S/N)常为常为-40dB-50dB。一般天线一般天线综合输入噪声在约综合输入噪声在约100Jy上下。上下。脉冲星横向运动速度典型值约为脉冲星横向运动速度典型值约为v=(20050)km/s,年偏移角年偏移角为为0.01度度0.3度。度。脉冲星脉冲接收到的波段范围是脉冲星脉冲接收到的波段范围是:10MHz1018MHz,几乎在几乎在无线电全波段均有辐射。无线电全波段均有辐射。部分重要特征（主要含信息学科和计量学、部分重要特征（主要含信息学科和计量学、射电天文学）射电天文学）由于辐射路径中各种介质的影响，使脉冲波产生衍射、折由于辐射路径中各种介质的影响，使脉冲波产生衍射、折射和色

18、散等效应。综合影响的结果造成脉冲星脉冲到达时射和色散等效应。综合影响的结果造成脉冲星脉冲到达时间间（PTOA）延迟不同。较高频率的调幅波信号先到达地延迟不同。较高频率的调幅波信号先到达地球。球。在不同波段上对同一脉冲星进行在不同波段上对同一脉冲星进行PTOA观测（含观测（含、射线）射线），累加的平均脉冲轮廓形状极为相一致。而且时标高度一，累加的平均脉冲轮廓形状极为相一致。而且时标高度一致。为计时创造了基本有利的前提条件。致。为计时创造了基本有利的前提条件。脉冲星辐射具有双极化（线、圆偏振）特性，且偏振度很脉冲星辐射具有双极化（线、圆偏振）特性，且偏振度很高，起伏较大。单脉冲星圆偏振度可达高，起

19、伏较大。单脉冲星圆偏振度可达100%100%，也有，也有90%100%的线偏振和圆偏振情况。圆偏振大多是高度偏的线偏振和圆偏振情况。圆偏振大多是高度偏振，也有偏振度小于振，也有偏振度小于20%的表现。的表现。部分重要特征（主要含信息学科和计量学、部分重要特征（主要含信息学科和计量学、射电天文学）射电天文学）观测估计出银道面上平均电子密度约观测估计出银道面上平均电子密度约（310）e/100cm3,起伏差异约有起伏差异约有2 2个量级。个量级。脉冲辐射振动面由于受到星际物质、星际磁场的复杂影响，脉冲辐射振动面由于受到星际物质、星际磁场的复杂影响，波动较大。这无疑对波动较大。这无疑对PTOAPTO

20、A测量带来随机不确定性，如在测量带来随机不确定性，如在平行于银道面的磁场为平行于银道面的磁场为（23）10-6GS（韩金林给出了（韩金林给出了1.8微高斯），微高斯），它的强度起伏有它的强度起伏有12个量级。垂直于银道面的个量级。垂直于银道面的磁场为磁场为0.20.3微高斯（韩金林）。空间磁场波动使脉冲微高斯（韩金林）。空间磁场波动使脉冲信号波动面会产生法拉第旋转效应，频率不同，其旋转信号波动面会产生法拉第旋转效应，频率不同，其旋转量也不同。例如靠近太阳附近的脉冲波，会产生量也不同。例如靠近太阳附近的脉冲波，会产生“引力引力弯曲弯曲”。所以为了补偿，在。所以为了补偿，在PTOA观测系统中，采用

21、实时观测系统中，采用实时双频接收测量双频接收测量“消色散消色散”等方法，可以尽量消弱部分影等方法，可以尽量消弱部分影响，但不能全消除。响，但不能全消除。部分重要特征（主要含信息学科和计量学、部分重要特征（主要含信息学科和计量学、射电天文学）射电天文学）毫秒脉冲星计时研究现状毫秒脉冲星计时研究现状从从19831983年建立起第一个脉冲到达时间测量系统之后，真正的脉冲年建立起第一个脉冲到达时间测量系统之后，真正的脉冲星计时才开始。星计时才开始。19861986年，年，Arecibo对对PSR1937+21PSR1937+21的观测分析，计时精度可达的观测分析，计时精度可达0.10.2us，长期稳定

22、度（长期稳定度（2 2年）可与当时的年）可与当时的E-14E-14原子钟相当。原子钟相当。19861986年第一个脉冲星计时阵年第一个脉冲星计时阵（PTA=Pulsar Timing Array）开始开始运行。到目前全球已有运行。到目前全球已有1010多个多个PTAPTA。脉冲星计时阵是用同一射电脉冲星计时阵是用同一射电望远镜按照程序对一组选定的脉冲星进行定时间、长期观测。望远镜按照程序对一组选定的脉冲星进行定时间、长期观测。主要目的之一是用于建立综合脉冲星时主要目的之一是用于建立综合脉冲星时PTens。去年年底，我国才建立起去年年底，我国才建立起50m50m和和40m40m口径的射电望远镜。

23、口径的射电望远镜。毫秒脉冲星计时研究现状毫秒脉冲星计时研究现状美国海军天文台美国海军天文台（USAO）从从19841984年利用年利用NRAO的的4242m和后来和后来（19901990年）建成的年）建成的100100m全息控制的射电望远镜进行长期有效的全息控制的射电望远镜进行长期有效的TOATOA观测系统。观测系统。19861986年，美日合作开始了至今成十次年，美日合作开始了至今成十次X射线源脉冲星源的空间探射线源脉冲星源的空间探测。测。19951995年，美国防部非常支持年，美国防部非常支持PTPT研究，开始了对研究，开始了对305m305m大天线为期三大天线为期三年多的大改进，目标在于

24、计划于年多的大改进，目标在于计划于20112011年实施脉冲星空间自主导年实施脉冲星空间自主导航等项目的实际实验研究和关键理论技术的检验（下面有专题航等项目的实际实验研究和关键理论技术的检验（下面有专题报告）。报告）。俄罗斯毫不懈怠，于俄罗斯毫不懈怠，于19951995年下半年及时跟进并行动，即时召开了年下半年及时跟进并行动，即时召开了1313位各方面专家参加的圆桌会议。制定应对计划，主要涉及理位各方面专家参加的圆桌会议。制定应对计划，主要涉及理论方法、关键技术、手段和实验室的启动研究。为论方法、关键技术、手段和实验室的启动研究。为X射线脉冲星射线脉冲星天文自主导航和实施作全面研究和实验。天文

25、自主导航和实施作全面研究和实验。毫秒脉冲星计时研究现状毫秒脉冲星计时研究现状英、法、日本和印度随后跟进，尤日本动作积极。美、英、俄等英、法、日本和印度随后跟进，尤日本动作积极。美、英、俄等国专家及官方人士的基本理念是导航、定位不能仅仅依赖国专家及官方人士的基本理念是导航、定位不能仅仅依赖GPSGPS和和GLONASSGLONASS。至至20002000年，年，MSPTMSPT（毫秒脉冲星计时）的应用热又一度开始。可我（毫秒脉冲星计时）的应用热又一度开始。可我国一直从认识到实施非常缓慢和滞后。国一直从认识到实施非常缓慢和滞后。毫秒脉冲星计时毫秒脉冲星计时（msPTens）研究成果应该包括理论研究

26、成果应该包括理论模型、高精尖的大天线接收系统、数据存储和快速准确的模型、高精尖的大天线接收系统、数据存储和快速准确的统计分析系统等均有长足发展。其中理论模型方面：统计分析系统等均有长足发展。其中理论模型方面：从观测的脉冲星脉冲到达时刻（从观测的脉冲星脉冲到达时刻（tobstobs）归算到脉冲星归算到脉冲星辐射时刻辐射时刻T可以归纳在一个典型公式中（双星可以归纳在一个典型公式中（双星PTOAPTOA）：）：毫秒脉冲星计时毫秒脉冲星计时理论模型理论模型研究研究成果成果（1）(见kaspi等，1994，A.P.J.428)其中，为特定脉冲星的PTOA，是参考历元时刻，是站原子钟是f信号在星际介质中传

27、播相对于在真空中传播的是脉冲星信号太阳系内传播延迟效应和相对论改正；和是对脉冲星双星系统中的脉冲信号延迟的改进量。下标项都是时间的函数。其中Roemer项的幅度大约为，是轨道周期，是轨道速度。太阳系中Roemer改正项一年中延迟的最大秒（为脉冲星的黄纬）。Einstein改正项比，其中e为轨道偏心率。除了太阳系内的Roemer，其它项都比小几个量级，有时只能测得它们的综合相对于TAI的改正，延迟量，R、E、S、A分别代表Roemer，Einstein，Shapiro和光行差改正，所有幅度约为Roemer改正项要多乘一个小于1的因子Shapiro延迟是由于光线（电波）经过大质量天体时发生弯曲而造

28、成的时间延迟，太阳系内的误差最大可达到改正影响。毫秒脉冲星计时理论模型研究成果毫秒脉冲星计时理论模型研究成果脉冲星的自转相位可用脉冲星的自转相位可用Taylor级数展开式表达：级数展开式表达：地面站心地面站心PTOA时刻时刻与脉冲到达太阳质心的时间与脉冲到达太阳质心的时间间的间的关系式为关系式为(单星系统单星系统)：（2）（3）TaylorTaylor等通过对脉冲星双星系统中等通过对脉冲星双星系统中PSR1913+16PSR1913+16的长期（的长期（2020年）年）观测间接验证了广义相对论预言的引力辐射。观测间接验证了广义相对论预言的引力辐射。Camilo等人对等人对msPSR J1713

29、+0747(1994年年)，PTOAPTOA的测量误差达的测量误差达0.4us0.4us。2222个月测得广义相个月测得广义相对论项的对论项的shapiroshapiro延迟。延迟。(1)(1)式反映了脉冲星的直接观测值，例如色式反映了脉冲星的直接观测值，例如色散，位置，自行等都可以通过到达时间观测获得。星际介质、星周散，位置，自行等都可以通过到达时间观测获得。星际介质、星周介质、脉冲星分布和超新星遗迹等都与介质、脉冲星分布和超新星遗迹等都与PTOAPTOA的观测结果相关。的观测结果相关。近近2020多年来，基于现代原子钟为参考的毫秒脉冲星多年来，基于现代原子钟为参考的毫秒脉冲星TOATOA数

30、据经事后数据经事后处理而获得处理而获得PTiPTi(第第i i颗星脉冲星时颗星脉冲星时)。除了天文误差、统计误差和脉冲星。除了天文误差、统计误差和脉冲星本征（本征（P P）噪声误差外，原子钟噪音算法、）噪声误差外，原子钟噪音算法、TAITAI本身误差和本地钟本身误差和本地钟ATAT在测在测量过程中也会引入误差，使各站的量过程中也会引入误差，使各站的ATi-PTiATi-PTi误差均存在差异（系统观测误差均存在差异（系统观测和处理等存在不统一，不规范）。若选一组和处理等存在不统一，不规范）。若选一组MSPMSP，持续进行，持续进行TOATOA多星观测，多星观测，就可能获得就可能获得PTAensP

31、TAens（计时阵综合脉冲星时）。我们可以称这一系统为（计时阵综合脉冲星时）。我们可以称这一系统为“脉冲星钟脉冲星钟”。当今建立和完善脉冲星钟。当今建立和完善脉冲星钟PCPC（PSR ClockPSR Clock）的努力正处在）的努力正处在多学科融合点上：与时间计量学前沿学科的交叉。引入的脉冲星时多学科融合点上：与时间计量学前沿学科的交叉。引入的脉冲星时（PTiPTi），以达到与原子时），以达到与原子时ATAT同时发展，优势互补，相互比对检验的新同时发展，优势互补，相互比对检验的新局面。只要保持对数颗局面。只要保持对数颗msms脉冲星持续观测（等间隔采样）就可能利用脉冲星持续观测（等间隔采样）

32、就可能利用PTensPTens检测和改进原子时的长期稳定度。检测和改进原子时的长期稳定度。毫秒脉冲星计时理论模型研究成果毫秒脉冲星计时理论模型研究成果nBackerBacker在在19861986年，在年，在AAPAAP上发表了题为上发表了题为“Pulsar-Based Time Pulsar-Based Time ScaleScale”的论文。阐述了脉冲星可作为时间尺度的基准的观点。的论文。阐述了脉冲星可作为时间尺度的基准的观点。19861986年，前苏联标准委的伊沙耶夫教授及列别捷夫物理所的皮亚索夫等人年，前苏联标准委的伊沙耶夫教授及列别捷夫物理所的皮亚索夫等人以以“脉冲星时间标准脉冲星时

33、间标准”为题，提出建立脉冲星时间标准的学术观点为题，提出建立脉冲星时间标准的学术观点（英刊（英刊计量计量，1986.No.11986.No.1）。）。n值得关注的是在脉冲星与原子时关系算法方面做出显著成绩的代表值得关注的是在脉冲星与原子时关系算法方面做出显著成绩的代表GPetitGPetit博士（博士（BIPMBIPM）和）和BGuinotBGuinot博士所做的贡献（博士所做的贡献（AAAA，19911991，248248：292292）。）。（5）上式中上式中是增加或减少参加综合的脉冲星数目之后计算得到是增加或减少参加综合的脉冲星数目之后计算得到的长稳优于原子时的长稳。的长稳优于原子时的长

34、稳。的新的综合脉冲星时。目前观测分析结果显示，的新的综合脉冲星时。目前观测分析结果显示，PTensPTens的长期稳定度及的长期稳定度及个别个别（4）（4 4）式中是在假定原子钟噪声除外条件下。（）式中是在假定原子钟噪声除外条件下。（4 4）式中权重）式中权重的取权应反比于脉冲星的不稳定度。为了避免因综合脉冲数目的增减导致的取权应反比于脉冲星的不稳定度。为了避免因综合脉冲数目的增减导致时间的阶跃变化，当脉冲星数目变化时，应加一适当改正值时间的阶跃变化，当脉冲星数目变化时，应加一适当改正值a a，使得使得 毫秒脉冲星计时理论模型研究成果毫秒脉冲星计时理论模型研究成果nG GPetitPetit在

35、在19961996年（年（A.A 308A.A 308）给出了脉冲星与原子时的关系式：给出了脉冲星与原子时的关系式：时间尺度的演变和时间尺度的演变和MSMS脉冲星时间尺度脉冲星时间尺度n按照时间基准的特征可以分为几个阶段：按照时间基准的特征可以分为几个阶段：世界时世界时UTUT历书时历书时ETET（19601967）及历书秒及历书秒 原子时原子时ATAT（Atomic Time）和原子秒和原子秒 协调世界时协调世界时UTCUTC和和AT AT 世界时世界时UTUT在在19601960年前广泛应用。它以地球自转为标准尺度。年前广泛应用。它以地球自转为标准尺度。由于参考标不同形成两种不同的时间尺度

36、：由于参考标不同形成两种不同的时间尺度：n1 1）恒量时，它是地球相对于固定恒星旋转一周的时间尺）恒量时，它是地球相对于固定恒星旋转一周的时间尺度。恒星连续两次通过地方子午圈天顶的时间间隔为一度。恒星连续两次通过地方子午圈天顶的时间间隔为一个恒星日。个恒星日。n2 2）平太阳日（平太阳时秒）。地球绕太阳公转，使得按）平太阳日（平太阳时秒）。地球绕太阳公转，使得按太阳在天空中的位置确定的太阳在天空中的位置确定的“真太阳时真太阳时”是不均匀的，是不均匀的，取其一年的平均值得到平太阳日。平太阳日再等分取其一年的平均值得到平太阳日。平太阳日再等分1/864001/86400为为1 1个平太阳时秒。平太

37、阳时秒长在一年中含有个平太阳时秒。平太阳时秒长在一年中含有 的不确定性。的不确定性。历书时历书时ETET（19601967）及历书秒及历书秒n历书时是比较均匀的时间尺度，它仍以地球绕太阳公转历书时是比较均匀的时间尺度，它仍以地球绕太阳公转的轨道运动为基础（包括月球绕地球的运动等）。历书的轨道运动为基础（包括月球绕地球的运动等）。历书时秒定义为时秒定义为“历元的历元的19001900年年1 1月月0 0日历书时日历书时1212时起算的回时起算的回归年长度的归年长度的1/31556926.97471/31556926.9747。它的不确定性为。它的不确定性为 。原子时原子时ATAT（Atomic

38、TimeAtomic Time）和原子秒和原子秒n随着人们发现原子中的电子在不同能级间跃迁过程产生的随着人们发现原子中的电子在不同能级间跃迁过程产生的电磁辐射频率非常稳定，且易测定，自电磁辐射频率非常稳定，且易测定，自19671967年开始，国际年开始，国际单位制秒定义为单位制秒定义为“位于海平面的铯原子基态（位于海平面的铯原子基态（）的两）的两个超精细能级之间在零磁场跃迁辐射的个超精细能级之间在零磁场跃迁辐射的91926317709192631770个周期个周期所持续的时间为所持续的时间为1 1个原子时秒个原子时秒”。目前，商品铯束频标。目前，商品铯束频标（HP5071A）的准确度为的准确度

39、为 ，秒稳定度为，秒稳定度为 。长稳定度（长稳定度（）。最好的铯喷泉钟（德。最好的铯喷泉钟（德(PTB)(PTB)，美美(USNO)(USNO)）的准确度和稳定度可以达到的准确度和稳定度可以达到 。BIPMBIPM是国是国际原子时际原子时TAITAI的代表机构。目前国际原子时的代表机构。目前国际原子时TAITAI的长期稳定的长期稳定度在度在 水平。水平。协调世界时协调世界时UTCUTC和和ATAT nUTCUTC实际上是由原子钟产生的时间尺度（闰秒除外）。因实际上是由原子钟产生的时间尺度（闰秒除外）。因为在导航、定位、天文大地测量和空间测量等仍需要知为在导航、定位、天文大地测量和空间测量等仍需

40、要知道任一瞬间地球自转轴在空间中的角位置，即世界时时道任一瞬间地球自转轴在空间中的角位置，即世界时时刻。地球上的人类离不开世界时。所以，必须在刻。地球上的人类离不开世界时。所以，必须在UTUT和和ATAT之间寻找一种协调方法：即保持原子时尺度的高度均匀、之间寻找一种协调方法：即保持原子时尺度的高度均匀、准确的优势，又能反应地球自转的变化，这就产生了协准确的优势，又能反应地球自转的变化，这就产生了协调世界时调世界时UTCUTC和闰秒。和闰秒。协调世界时协调世界时UTCUTC和和ATAT n国际电联要求国际电联要求 。中科院国家授时中心本地。中科院国家授时中心本地UTC(NTSC)UTC(NTSC

41、)与与UTCUTC偏差从偏差从20002000年开始已控制在年开始已控制在 内：即内：即 。nMsMs脉冲星时间尺度脉冲星时间尺度PTiPTi及及PTensPTens是一个相对独立的天文时间尺度，但是一个相对独立的天文时间尺度，但目前又离不开原子钟目前又离不开原子钟ATiATi和国际原子时基准和国际原子时基准TAITAI（纸面时间）。在纸面时间）。在PTOAPTOA测量中，必须有尽可能好的测量中，必须有尽可能好的ATiATi和最优的算法，以保证和最优的算法，以保证PTOAPTOA测量测量数据的高质量、高精确和持续稳定可靠，以及由此而获得的数据的高质量、高精确和持续稳定可靠，以及由此而获得的PT

42、iPTi和和PTensPTens的高准确和高稳定，即的高准确和高稳定，即PTPT的均匀性尽量好。由于脉冲星自转周的均匀性尽量好。由于脉冲星自转周期的特异性，所以期的特异性，所以PTiPTi是独立的时间尺度，但他们的统一标准尺子又是独立的时间尺度，但他们的统一标准尺子又是同一个是同一个TAITAI尺子。这要求在进行单一尺子。这要求在进行单一ATiATi和和PTiPTi相互交叉对比的过程相互交叉对比的过程中，必须使中，必须使PTiPTi的周期尽量逼近国际原子时的秒长间隔。的周期尽量逼近国际原子时的秒长间隔。ATi-PTiATi-PTi之之差的小数部分也应科学规范优化处理，及优秀的守时算法软件。简差

43、的小数部分也应科学规范优化处理，及优秀的守时算法软件。简言之，每个脉冲星都是相对独立但又依赖于原子时的新的脉冲星时。言之，每个脉冲星都是相对独立但又依赖于原子时的新的脉冲星时。n如何规范并产生实用的如何规范并产生实用的PTensPTens，仍需作大量理论方法和实验验证研究。仍需作大量理论方法和实验验证研究。双脉冲星和脉冲星双星可以产生独立的脉冲星时间尺度，其中大量理双脉冲星和脉冲星双星可以产生独立的脉冲星时间尺度，其中大量理论和方法问题需要深入探求。论和方法问题需要深入探求。n脉冲星双星频率稳定度研究已优于脉冲星双星频率稳定度研究已优于E-12E-12水平，有报道指出对双脉冲星水平，有报道指出

44、对双脉冲星TOATOA的长期观测分析，其长稳也能达到的长期观测分析，其长稳也能达到E-15E-15（15a）水平，双脉冲）水平，双脉冲星时的前景光辉灿烂。星时的前景光辉灿烂。n对对msms脉冲星时间尺度研究内容主要是：脉冲星时间尺度研究内容主要是：PTPT的定义（的定义（SISI）？）？如何选标准如何选标准msms脉冲星？脉冲星？如何规范化优化观测程序和数据分析方法？如何规范化优化观测程序和数据分析方法？如何对如何对PTiPTi守时和产生实用的守时和产生实用的PTensPTens？如何实现观测如何实现观测PTOAPTOA数据的在线处理及与数据的在线处理及与ATiATi的实时比对？的实时比对？如

45、何传递如何传递PTPT及国际原子时及国际原子时TAITAI建立联接关系等等。建立联接关系等等。协调世界时协调世界时UTCUTC和和ATAT n在算法方面脉冲星除沿袭搬用传统的在算法方面脉冲星除沿袭搬用传统的ALLanALLan方差方法（方差方法（），经典），经典的的ALGOSALGOS算法（算法（BIPMBIPM）统计分析统计分析PTPT的稳定度、准确度外，具优势的小的稳定度、准确度外，具优势的小波算法，波算法，方法及现代信号处理技术。方法及现代信号处理技术。n我们在用小波分析方法研究处理原子时和脉冲星观测数据方面作了初我们在用小波分析方法研究处理原子时和脉冲星观测数据方面作了初步探索，已发表

46、约十篇研究论文。要说明的是在原子时算法中关键的步探索，已发表约十篇研究论文。要说明的是在原子时算法中关键的是解决如何取权和权重的算法。脉冲星是解决如何取权和权重的算法。脉冲星PTiPTi的算法核心也应类似于原的算法核心也应类似于原子时算法，寻找更适合脉冲星时子时算法，寻找更适合脉冲星时PTensPTens的算法是脉冲星时间尺度中一的算法是脉冲星时间尺度中一个重要课题。个重要课题。n我们认为加权小波的多尺度分析算法是上述几种算法中较好的（对于我们认为加权小波的多尺度分析算法是上述几种算法中较好的（对于长期稳定度和短期稳定度都具有优势）。至少在国内，我们在利用小长期稳定度和短期稳定度都具有优势）。

47、至少在国内，我们在利用小波算法分析脉冲星时间尺度和原子时关系方面作了开拓性的研究工作。波算法分析脉冲星时间尺度和原子时关系方面作了开拓性的研究工作。协调世界时协调世界时UTCUTC和和ATAT 脉冲星研究的科学领域和应用前景脉冲星研究的科学领域和应用前景 在天体物理学和物理学方面在天体物理学和物理学方面 在天体演化学和空间探索方面在天体演化学和空间探索方面 在新的脉冲星时间尺度和计量学研究方面在新的脉冲星时间尺度和计量学研究方面 高度稳定的脉冲周期作为一种探测手段高度稳定的脉冲周期作为一种探测手段 脉冲星在发现四十年来，开拓研究仅仅是开始，至脉冲星在发现四十年来，开拓研究仅仅是开始，至今仍吸引

48、着众多科学家（含盖数、理、化、天、地、信今仍吸引着众多科学家（含盖数、理、化、天、地、信息科学、计量学等）孜孜学习和探求，除了它的神奇、息科学、计量学等）孜孜学习和探求，除了它的神奇、神秘、深奥特异的特性外，还因为它的特殊科学价值和神秘、深奥特异的特性外，还因为它的特殊科学价值和众多学科前沿课题的交叉和广泛融合的科学地位。众多学科前沿课题的交叉和广泛融合的科学地位。在天体物理学和物理学方面在天体物理学和物理学方面n作为一种具有超高密度、超强磁场、超高压、超强辐射、作为一种具有超高密度、超强磁场、超高压、超强辐射、高速自转的恒星天体，以及偶尔也会发生星震，它的动力高速自转的恒星天体，以及偶尔也会

49、发生星震，它的动力学行为活动机制与周围物质的相互作用等等的深入探索，学行为活动机制与周围物质的相互作用等等的深入探索，为恒星物理学深化带来新的开拓，以帮助改进脉冲星结构为恒星物理学深化带来新的开拓，以帮助改进脉冲星结构模型、动力学机理、辐射机制，脉冲星对直接验证引力波模型、动力学机理、辐射机制，脉冲星对直接验证引力波存在提供了启发和可能的机会。开拓已深入到高能物理，存在提供了启发和可能的机会。开拓已深入到高能物理，凝聚态物理等。凝聚态物理等。在天体演化学和空间探索方面在天体演化学和空间探索方面n开启并激活了包括中子星、黑洞等在内的高致密天体的强开启并激活了包括中子星、黑洞等在内的高致密天体的强

50、研究；研究；n把演化线索延伸到天体物质起源，新的基础物理学和化学把演化线索延伸到天体物质起源，新的基础物理学和化学等相关学科中去；等相关学科中去；n促进了天体测量学和高、精、尖观测天线系统、接收系统、促进了天体测量学和高、精、尖观测天线系统、接收系统、数据采集及计算机处理系统及系统误差分析方法和信息学数据采集及计算机处理系统及系统误差分析方法和信息学科的发展；科的发展；n新的脉冲星空间坐标系为天文地球动力学及空间天文导航新的脉冲星空间坐标系为天文地球动力学及空间天文导航定位、深空环境探索提供机遇和挑战。定位、深空环境探索提供机遇和挑战。在新的脉冲星时间尺度和计量学研究方面在新的脉冲星时间尺度和