引力波引起的脉冲星计时残差模拟与分析

为了能将引力波引起的脉冲星计时残差从总的脉冲星计时残差中分离出来,我们介绍了3种形式的引力波(单一持续的引力波、单一瞬时的引力波和随机引力波背景)及其对脉冲星计时残差的影响,并利用脉冲星计时处理软件Tempo2进行了模拟,对模拟得到的这三种引力波源引起的脉冲星计时残差进行了分析比较。该工作在脉冲星时间尺度的建立及其应用方面具有参考意义。

经验模态分解方法在脉冲星计时残差分析及预报中的应用

高精度脉冲星计时分析在脉冲星诸多应用领域中占重要地位,而多个未能消除的误差源的存在,限制了脉冲星计时精度的进一步提高.分析其观测特征,这种影响将导致脉冲星计时残差波动的多样性.利用从北美计时阵(NANOGrav)观测的4颗毫秒脉冲星数据,采用经验模态分解(EMD)方法对计时残差的波动特征进行了研究.通过分析发现:计时残差的振荡可用几个内在本征模态函数和一个剩余趋势揭示其多时间尺度的振荡结构和非平稳性.进一步比对脉冲星间多振荡结构对计时残差波动贡献的差异,发现经验模态分解非常有利于寻找脉冲星计时残差数据间的共性及个性.同时,采用自回归滑动平均模型进行残差预报,发现应用经验模态分解方法将残差序列分解后再预报,在短期预报时具有明显的优势.上述结果有利于拓展脉冲星计时残差在时域的分析.

Hurst指数在脉冲星计时残差分析中的应用

利用从北美计时阵(NANOGrav)观测的14颗毫秒脉冲星数据,在时域范围内分析了计时残差的观测特征.通过研究发现,脉冲星计时残差的均方根与Hurst指数取值无关.长观测时间跨度有利于Hurst指数判断残差的有偏特性.通过比对数据,多种计时噪声估计均表明,Hurst指数分析能有效判断脉冲星计时残差数据是否存在低频红噪声,这有利于与主流红噪声分析方法互相证认.上述结果将进一步拓展脉冲星计时噪声在时域的分析.

Crab脉冲星标准脉冲轮廓更新对计时精度的改进

对于脉冲星试验01星的两年实测数据,针对蟹状星云脉冲星星历经历了多次更新的特点,提出了更新标准脉冲轮廓进行X射线计时的改进方法。以一系列观测时长为实测数据分组,再采用改进后的方法进行计时分析并与改进前的结果进行对比。通过对比改进前后的计时结果,发现改进方法得到的计时残差的均方根(root mean square, RMS)平均降低了14.2%,定位精度平均提高了14.4%,估计原子钟相对频率偏差的精度平均提高了26.2%,体现了改进方法处理经历多次星历更新的Crab脉冲星观测数据的合理性和优越性。此外,改进方法对脉冲星试验01星两年观测数据的稳定度σ_(z)没有量级上的改进,说明改进方法对Crab脉冲星时间稳定度的影响不大。

XPNAV-1卫星先期发布数据的计时分析

本文处理了XPNAV-1先期公布的35组Crab脉冲星的观测数据,采用离散傅里叶变换(DFT)方法得到脉冲到达时刻(TOA)及其测量精度。利用英国Jordrell Bank发布的Crab脉冲星星历与美国JPL发布的DE200历表,得到的拟合前计时残差均方根(RMS)为1.14μs,且不存在系统性趋势,从而验证了XPNAV-1观测数据的有效性。同时,得到了该观测数据时间段内Crab脉冲星的X射线和射电波段之间的零点相位差为0.04。本文还给出了建立脉冲轮廓时子相位间隔N的取值与计时残差的RMS之间的关系。

XPNAV-1卫星首批公开数据中光子能量对计时精度影响的统计分析

针对XPNAV-1卫星发布的首批35组Crab脉冲星数据,将探测器记录的光子按照光子数比例与光子能量分组,并分别得到了相应的积分脉冲轮廓。利用离散傅里叶变换法将各组的积分脉冲星轮廓与标准脉冲轮廓进行相关计算,得到了各组光子各次观测的脉冲到达时刻(TOA)及其测量精度σTOA,结合Jodrell Bank给出的Crab脉冲星星历和JPL发布的DE200历表进一步获得了拟合前计时残差。通过比较各组标准脉冲轮廓的形状特征、计时残差、σTOA等统计特征,分析光子能量对脉冲星计时精度的影响。分析结果可供XPNAV-1卫星今后的观测方案以及后续卫星的设计参考。

脉冲星计时导航技术及发展趋势

基于脉冲星的计时导航技术可以实现航天器在自主飞行条件下需要的时间和定位需求,应用前景广阔。介绍了基于脉冲星计时的相位计算,重点分析了其中的关键环节,包括TOA观测和理论值的计算,观测方程式和计时残差分析等,最后探讨了其未来发展的趋势。脉冲星计时导航技术是未来深空探测的发展需求,也是其重要发展方向之一。

基于脉冲星观测的原子时波动检验研究

脉冲星时(pulsar time,PT)具有较高的长期稳定性,其与原子时(atomic time,AT)的建立属于两个完全不同的物理过程.因此,脉冲星时可作为原子时波动的一种独立检验方式.本文结合真实钟差数据,展示了基于脉冲星时的原子时波动检验结果.首先,给出了Parkes脉冲星计时阵(Parkes pulsar timing array,PPTA)发布数据中四颗毫秒脉冲星的计时结果.为进行原子时波动的检验,利用四颗脉冲星的计时模型参数,仿真生成以地球时(terrestrial time,TT)(BIPM19)为参考的脉冲到达时间(pulse times of arrival,TOAs)数据,然后将参考时由TT(BIPM19)改为TT(TAI).基于此,分别采用经典加权平均算法与维纳(Wiener)滤波算法提取了原子时相对于脉冲星时的波动.将两种方法得到的检验结果进行对比,结果表明Wiener滤波算法对原子时波动的提取效果优于加权平均算法.本文在Wiener滤波算法提取钟差信号的基础上加入了小波阈值去噪算法以扣除高频噪声,去噪后PT更接近于TT(BIPM19),进一步提高了PT对AT波动的检测能力.对于TOA测量精度为100 ns的情况,PT与TT(BIPM19)的差值大致保持在40 ns以内.本文是在给定TOA测量精度的前提下研究进一步提高PT精度的方法,对下一步PT更加有效的守时应用具有重要意义.

基于IPTA数据的毫秒脉冲星综合稳定度评估

利用脉冲星极其稳定的自转频率可以形成一种天文时间基准,部分毫秒级脉冲星的稳定度甚至超越了原子钟,但其观测稳定度易受多种噪声源的影响。一般来说,不同的脉冲星的噪声大部分是相互独立的,因此可以通过加权综合和滤波算法构建综合脉冲星时,有效去除计时残差中的噪声。针对此问题,采用10颗毫秒级脉冲星的国际脉冲星计时阵列(international pulsar timing array, IPTA)数据进行了稳定度评估分析,其中7颗脉冲星的观测数据长度在10年以上。综合考虑单颗脉冲星稳定度评估的结果和观测数据的长度后,筛选出了4颗脉冲星用于构建综合脉冲星时。同时对比了经典加权算法、小波分解算法和维纳滤波算法的综合脉冲星时稳定度结果。结果表明:脉冲星的长期稳定度优于短期稳定度,2颗脉冲星在1年处稳定度达10^(-15)量级,8颗在1 000天处也达到了10^(-15)量级,其中PSR J1600-3053在5年处稳定度达到了最佳,为7.023×10^(-16 )。此外,三种算法中,维纳滤波建立的综合脉冲星时稳定度最佳,在5年处达到了1.502×10^(-15),优于参与构建的其他所有脉冲星的5年稳定度。

参考钟对背景引力波灵敏度曲线的影响研究

为了研究参考原子时标对脉冲星计时阵探测随机引力波背景的影响,我们分别使用了TA(NTSC),TT(BIPM2013)和TT(TAI)3种参考时,利用脉冲星计时处理软件Tempo2进行了模拟,又使用了国际脉冲星计时阵IPTA的真实观测数据,从计时残差数据得出每个参考时对应的积分灵敏度曲线,分别对模拟、真实数据得到的这3种灵敏度曲线进行了分析比较,该工作在脉冲星计时阵探测引力波时对于时间尺度的选择方面具有参考意义。

国家授时中心40米射电望远镜Crab脉冲星周期跃变监测

脉冲星周期跃变是一种罕见的现象,是研究其内部结构的探针。针对2019年2月~12月国家授时中心昊平观测站40 m射电望远镜在脉冲星计时观测中监测Crab脉冲星的数据,采用脉冲星计时方法,用TEMPO2拟合程序进行分析。结果表明,Crab脉冲星在2019年7月23日(MJD 58687)附近发生了一次周期跃变现象,该跃变自转增量为Δv_(g)=5.33(4)×10^(-7)Hz,自转变化量为Δv_(g)/v=17.9(1)×10^(-9),并伴随着恢复系数Q~0.88的指数恢复过程。此次Crab脉冲星周期跃变的监测及处理,证实了40 m射电望远镜对脉冲星的监测性能,同时为研究周期跃变的产生机理积累了样本。

脉冲星导航试验卫星观测数据处理与分析

脉冲星导航试验卫星(X-ray Pulsar-based Navigation-1,XPNAV-1)的第一批观测数据公开发布,利用国际天文协会(International Astronomical Union,IAU)的标准基本天文程序库和喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)星历对数据进行处理,得到了35个光子到达太阳系质心时间序列的文件。基于历元折叠和已知的星历参数得到了35个脉冲积分轮廓,使用核回归法对轮廓进行了降噪处理,并分析了历元折叠时bin数对计时残差的影响。结果表明,观测数据有效,能够得到较好的脉冲积分轮廓,实现了对Crab星的观测,核回归算法有效改善了bin数对计时残差的影响,拟合前计时残差均方根约40 us。

利用Crab脉冲星X射线观测校准星载原子钟频率

为了改善星载原子钟长期的时间保持能力,并提高其自主性,利用XPNAV-1卫星观测的Crab脉冲星数据研究了驾驭星载原子钟频率的方法。在X射线脉冲星计时处理中,利用高斯核回归的方法平滑了脉冲星轮廓,可以有效提高脉冲轮廓的信噪比(SNR),从而提高了计时精度。通过仿真记录光子到达时刻的参考钟存在频率偏差,分析了参考钟频率偏差对脉冲星拟合前计时残差的影响,基于此给出了脉冲星校准星载原子钟频率的方法。对于存在10^(-11)量级频率偏差的星载钟,1个月左右的Crab脉冲星数据可以获得相对误差约40%的频率校准精度。利用更长时间跨度的脉冲星计时数据,预期可以进一步提高星载钟的频率校准精度。

导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题

脉冲星具有很高自转稳定性,利用一组统一参考系统下的脉冲星星历表所构建的高精度时空基准,可对飞行器进行自主导航。目前国内尚未观测给出统一参考下的导航脉冲星星历表,国际上已发布的导航脉冲星星历表是在不同参考系统下建立的,无法直接用于构建时空基准,将影响我国近期开展空间脉冲星导航试验。针对没有原始计时观测数据的情况,提出通过模拟计时观测数据,拟合获得新参考系统下的星历表,实现一组导航脉冲星星历表的参考系统统一。最后分析了基于该方法不同参考下的星历表转换精度,其中,DE200转换为DE436后,脉冲星TOA一年内预报值最大偏差由86.6μs减小为2.3μs。TT(TAI)转换为TT(BIPM15)后,TOA一年内预报值最大偏差由0.326μs减小为0.062μs。基于TEMPO2中transform插件可实现不同参考坐标时下星历表精准转换,转换误差小于6 ns,可忽略不计。参考系统DE421/TT(TAI)/TDB转化为DE436/TT(BIPM15)/TCB后,TOA一年内的预报最大偏差降低为0.047μs。