基于卡尔曼滤波的综合脉冲星时驾驭原子时算法研究

利用综合脉冲星时(PT)具有较好长期频率稳定度的优点,将原子时驾驭到综合脉冲星时,可以改进其长期频率稳定度水平。文章描述了综合脉冲星时驾驭原子时的卡尔曼滤波方法。以美国海军天文台地方原子时TA(USNO)为例,采用卡尔曼滤波方法将地方原子时驾驭到国际原子时TAI,进而利用综合脉冲星时PT数据将其再驾驭到综合脉冲星时系统,最后得到经过2次频率驾驭后的PT-TA(USNO)钟差序列。考虑到综合脉冲星时PT包含有较大白频噪声,利用滤除其高频噪声后的PT驾驭原子时,能够获得更佳频率驾驭效果,驾驭后的钟差序列长期频率稳定度有明显提高。采用同样算法,将美国国家标准和技术研究院地方原子时TA(NIST)驾驭到TAI,再驾驭到PT,也得到相似结果。

脉冲星在空间飞行器定位中的应用

利用脉冲星钟模型能高精度地预报脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间。基于脉冲星时、空参考架可实现各类空间飞行器的自主导航。讨论了脉冲星钟的模型和脉冲星导航系统的框架结构,描述了脉冲星导航的基本原理和算法。指出脉冲星导航系统对脉冲星脉冲到达探测器时刻的测量精度,是决定空间飞行器位置解算精度的关键因素。脉冲星导航观测采用的原子钟如果足够稳定,则空间飞行器位置的解算方法可以简化。在脉冲星导航系统计时观测精度达到或优于几十微秒量级时,脉冲星视差、相对论效应的影响是不可忽略的。对脉冲星导航系统开发设计中的关键技术和进一步研究的主要问题进行了初步分析和讨论。

计时观测测量脉冲星参数的数学模型与精度估计

脉冲星计时观测能够精确测量脉冲星自转参数和天体测量参数.概述了脉冲星计时模型和利用最小二乘拟合测量脉冲星各个参数并估计其方差的数学方法.在黄道坐标系导出了脉冲星各个参数误差与计时残差之间关系的数学表达式.给出了脉冲星黄经、黄纬和周年视差测量精度与脉冲星黄纬绝对值之间的关系曲线.讨论了脉冲星各个天体测量参数测量精度与脉冲星纬向参数本身的关系.

Crab脉冲星X射线计时观测数据处理与分析

对我国公开发布的空间试验卫星X射线探测器观测Crab脉冲星的数据进行了处理与分析,描述了利用X射线脉冲星观测数据与卫星轨道数据建立积分脉冲轮廓与标准脉冲轮廓的方法,给出了在频域测量脉冲星脉冲到达时刻(toa)的原理方法与算法.利用每组观测数据,计算得到Crab脉冲星脉冲toa,通过与Crab脉冲星星历预报脉冲toa的比较,分析得到卫星载荷X射线探测器观测Crab脉冲星,在消除掉系统误差后,50 min积分时间的观测精度约14μs.

毫秒脉冲星计时观测进展

在评述国际上毫秒脉冲星长期计时观测成果的基础上,比较了由毫秒脉冲星自转定义的脉 冲星时PT与原子时AT的长期稳定度。毫秒脉冲星PSR B1855+09 15 yr的长期稳定度优于 原子时TAI-USNO,而接近原子时TAI-PTB;其短期稳定度主要受到计时观测误差的限 制。毫秒脉冲星PSR J0437-47 1 yr以上的稳定度明显优于上述两原子时系统。毫秒脉冲星PSR B1937+21和PSR J1713+07的长期稳定度受到低频噪声影响,但仍能对综合脉冲星时PTens的 建立与保持作出贡献。另外,介绍和评述了国际上脉冲星计时阵的现状及发展。随着脉冲星计时阵 的实施,在脉冲星时间标准研究、原子时误差、太阳系历表误差研究和引力波探测方面将会取得重 要成果;展望了国际上平方公里望远镜(SKA)在毫秒脉冲星计时观测方面的发展前景。

毫秒脉冲星计时噪声估计

在以探测引力波和建立脉冲星时间标准为目标的脉冲星计时观测和研究工作中,选用具有低计时噪声的毫秒脉冲星是非常必要的。在比较不同的脉冲星计时噪声估计模型的基础上,采用与脉冲星自转频率、频率一阶导数和观测时间尺度相关的计时噪声估计模型,估计和分析了Parkes脉冲星计时阵观测的20颗毫秒脉冲星的计时噪声。与实测结果比较表明,对于具有明显计时噪声的脉冲星,模型预报与实测结果一致。进而,对于脉冲星数据库中给出自转频率和频率一阶导数的165颗毫秒脉冲星,采用该模型分别估算了每颗星在5 a和10 a时间尺度的计时噪声。结果表明,其中93颗毫秒脉冲星10 a尺度的计时噪声小于300 ns。这些毫秒脉冲星由于其计时噪声不明显,可作为脉冲星计时阵观测的候选毫秒脉冲星。

脉冲星时稳定度及可能应用

给出了毫秒脉冲星长期计时观测最新结果和脉冲星时与原子时频率稳定度的比较。指出脉冲星时频率稳定度的提高受到计时观测误差的限制,讨论了提高毫秒脉冲星计时观测精度的方法。随着脉冲星计时阵的实施,脉冲星时的应用已为期不远。可能的应用包括毫秒脉冲星与原子钟结合守时、建立综合脉冲星时和用脉冲星计时阵检测原子时误差等方面。

毫秒脉冲星定时研究进展

毫秒脉冲星守时的理论和方法研究己取得重要进展,利用现有2颗毫秒脉冲星约10yr的计时观测资料分析得到的 TAI-PT,其长期稳定度为 2×10－14。采用合适的长期稳定度算法,由多颗毫秒脉冲星计时观测可以建立综合脉冲星时间尺度。它可以成为与原子时系统比较的重要手段,并对原子时长期稳定度的改进做出贡献。介绍了该领域研究的基本状况,重点对毫秒脉冲星守时的理论方法,综合脉冲星时间及与原子时的关系等进行了讨论和评述。对由双星系统内毫秒脉冲星的轨道运动定义的双星脉冲星时也做了介绍。

脉冲星时间尺度及其TOA预报初步分析

在简述国际天文学会(IAU)定义的几种不同时间尺度的基础上,重点讨论脉冲星计时观测中时间坐标相对论转换问题。脉冲星计时观测资料分析应该参考地球时TT,并将TT转换为质心坐标时TCB或质心力学时TDB。基于IAU重新定义的TDB,讨论和比较了时间坐标转换的解析算法和利用太阳系天体历表的数值积分算法。分析了TCB和TDB对脉冲星自转参数测量的影响。最后,以毫秒脉冲星PSR B1855+09的计时模型为例,初步分析了脉冲星脉冲到达时间的预报问题。

X射线脉冲星脉冲到达航天器时间测量

X射线脉冲星脉冲到达时间(TOA)的空间测量是航天器自主导航和用脉冲星钟作航天器时间标准的基础.在简要介绍地面射电观测TOA测量方法基础上,重点研究了X射线脉冲星脉冲到达时间的空间测量方法和算法.讨论了利用X射线脉冲星辐射光子到达时间观测,建立X射线脉冲轮廓的方法;给出了通过观测得到的X射线脉冲轮廓与标准脉冲轮廓比较,精确确定TOA的测量方法和实用算法.讨论了削弱多普勒效应对TOA测量影响的方法.

应用X射线源的航天器姿态测量

在介绍X射线源和X射线探测器、准直器的基础上,重点描述了应用X射线源测量航天器姿态参数的原理和方法。对X射线星扫描仪的结构、扫描观测X射线源方法和矩形准直器响应函数等做了介绍,较详细地论述了应用单准直器X射线星扫描仪和差分准直器X射线星扫描仪确定航天器姿态参数的测量模型,并进行了二者间的比较和分析。简单讨论了X射线星扫描仪测量建模和应用测量模型拟合航天器姿态参数的算法问题。最后,对采用编码孔径系统确定航天器姿态参数的方法做了概括性介绍。

用脉冲星钟作航天器时间标准

在介绍参考坐标系和时间标准的基础上,讨论了用脉冲星为航天器导航的时间标准问题。利用X射线脉冲星实现航天器自主导航,星载钟的任何误差都会直接影响航天器位置测量。脉冲星钟具有较高的长期频率稳定度,适合用作各类航天器的时间标准。重点讨论了时间标准误差对航天器定位的影响;给出了用脉冲星钟作航天器时间标准的物理实现方法。

脉冲星时间特征和多星计时观测

在评介脉冲星时研究发展趋势的基础上 ,讨论了基于毫秒脉冲星自转的脉冲星时间的短期特征和长期稳定度 ,并对影响其稳定度的因素作了初步分析。 50m射电望远镜计时观测的目的之一就是综合脉冲星时研究。对于

毫秒脉冲星计时的多星观测

在评价脉冲星时研究发展趋势的基础上 ,讨论了基于毫秒脉冲星自转的脉冲星时间的短期特征和长期稳定度。并对影响其稳定度的因素作了初步分析。 5 0m射电望远镜计时观测的目的之一就是综合脉冲星时研究。对于 5 0m望远镜计时观测的选星和由多星观测进行综合脉冲星时研究中的数据分析问题进行了讨论。

关于脉冲星脉冲到达时间转换方程

较详细地介绍了脉冲星脉冲到达时间(TOA)转换方程,讨论了脉冲星TOA转换方程在航天器导航算法中的具体应用问题。同时,对导航用的脉冲星脉冲TOA转换方程与地面射电计时观测用的脉冲星脉冲TOA转换方程进行了比较研究。

太阳附近主序星的光度函数

本文作者利用近距星星表第三版（ＣＮＳ３）初始星表分析研究了太阳附近主序星的光度函数，并与用近距星星表弟二版（ＣＮＳ２）所得结果和由测光视差方法得到的光度函数进行了比较。结果表明，对于绝对目视星等亮于１５．５等的恒星，由ＣＮＳ３得到的光度函数可能更接近于真实情况。同时还给出了由ＣＮＳ３得到的巨星（含亮巨星）和Ａ、Ｆ、Ｇ、Ｋ、Ｍ型主序星的光度函数。

参考架转换参数估计与分析

在描述不同参考架转换参数估计方法的基础上,利用太阳系行星历表资料估计了近代不同DE(Development Ephemeris)历表之间的转换参数;利用脉冲星计时观测与VLBI(Very Long Baseline Interferometry)技术观测得到的毫秒脉冲星位置资料,估计了基于DE历表的动力学参考架与河外射电源参考架(ICRF)之间的转换参数.给出的不同参考架之间转换参数包括旋转矩阵的3个旋转角及其随时间的变化率,参考历元为MJD51545.结果表明:DE200到DE405历表转换参数的旋转角最大绝对值为13 mas,其随时间变化率为-0.0007 mas/d.DE414到DE421历表转换参数的3个旋转角的绝对值均小于0.1 mas.估计得到的DE421到ICRF转换参数的旋转角最大绝对值为3 mas,旋转角随时间变化率也是必须计及的.

用1.05m望远镜对海尔-波普彗星的照相定位观测

1996年7月和8月间，利用陕西天文台骊山天文观测站1．05m望远镜卡焦照相，对海尔-波普彗星进行了定位观测。该望远镜卡焦焦比为F／10，底片比例尺为20”／mm，无畸变象场约为1平方度天区．用蔡司ASCORECORDE2坐标量度促进行底片测量，归算时采用6常数模型，用PPMsouth星在做参考标准，最终给出在FK5基本系统上（J2000．0历元）各观测时刻海尔-波普彗星的α和δ观测值。

用1.05m望远镜对海尔-波普彗星的照相定位观测

1996年 7月和 8月间 ,利用陕西天文台骊山天文观测站 1.0 5m望远镜卡焦照相 ,对海尔 -波普彗星进行了定位观测。该望远镜卡焦焦比为F/10 ,底片比例尺为 2 0″/mm ,无畸变象场约为 1平方度天区。用蔡司ASCORECORDE2 坐标量度仪进行底片测量 ,归算时采用 6常数模型 ,用PPMsouth星表做参考标准 ,最终给出在FK5基本系统上 (J2 0 0 0 .0历元 )各观测时刻海尔 -波普彗星的α和δ观测值。

脉冲星钟模型精度分析

毫秒脉冲星具有很高的自转稳定性,利用脉冲星自转极其稳定的特性可以开展许多应用研究,如:脉冲星时间标准的建立、宇宙背景引力波的探测、X射线脉冲星导航应用等等.利用国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)中J0437-4715和J1713+0743 2颗源的实测数据开展脉冲星钟模型参数精度分析和脉冲到达时间(Time Of Arrival,TOA)预报精度研究.通过研究得知,目前脉冲星自转频率测量精度为10-15Hz,频率1阶导数测量精度为10^(-23)s^(-2),且自转参数测量精度随观测时间跨度每4–5 yr提高1个量级.另外,利用J0437-4715 10 yr观测数据建立的钟模型,其脉冲到达时间预报偏差4.8 yr之内可保持在1μs之内.因此,利用该脉冲星建立时间标准用于校准原子时,可以使原子时相对于地球时(Terrestrial Time,TT)的偏差在4.8 yr之内小于1μs.