利用单颗脉冲星观测检测原子时钟跳的方法

1.本发明属于时频技术领域，涉及一种检测原子时任意时间跳跃大小的方法。


背景技术：

2.原子时是目前时间基准保持基础，原子时依赖原子钟产生。原子钟属于精密仪器，其制造工艺复杂，对环境要求高，难以批量生产，同一厂商制造的两台钟，性能差异很大，一般原子钟寿命在10年左右。原子时是积分时间尺度，具有误差累积的特性，影响其长期稳定性。原子时由原子钟导出，受原子钟制造技术和使用环境的影响，单台钟不仅有误差，而且出现故障时会造成原子时中断。为避免出现原子时中断，守时实验室通常采用多台原子钟联合守时的方式，利用守时钟组内原子钟之间的比对，及时发现并屏蔽有问题的原子钟，并采用原子时算法形成综合原子时尺度，降低单个钟误差的影响，提高原子时精度和可靠性。
3.只有时间保持实验室由一组原子钟联合守时，大多数时间用户终端只有1台原子钟，对于由1台原子钟保持的时间，当原子钟中断时，再次重新或更换1台新的原子钟时，会导致中断前后的时间不连续，依靠自身无法自主恢复时间，需要与外部时间基准进行比对校准，实现与中断前时间保持连续。传统方法是利用另1台连续运行的原子钟检测钟跳，基于原子钟的1pps比对检测时钟跳跃。但1pps是周期性脉冲信号，不具有可识别性。利用参考原子钟1pps比对只能检测出小于1s的时间跳跃值，大于1s以上的钟跳存在整周模糊度问题。因此，单独利用原子钟1pps无法检测大于1s钟跳。需要结合外部时码信息实现时间的准确校准。
4.脉冲星是致密天体，具有强磁场、强电场特性，辐射稳定的周期性脉冲信号，被誉为自然界最稳定的“天然时钟”，并认为毫秒脉冲星的长期稳定性可以与原子钟相媲美，可应用于时频领域。脉冲星钟具有寿命长、可靠性高、服务范围广、不易受攻击等优点。脉冲星自转频率可通过天文观测技术测量的非常精确，如脉冲星j0437-4715通过计时技术，测量的本征自转频率值为173.68794581218460089hz，误差为8.0e-14hz，自转频率不确定度(误差/自转频率)为4.6e-16。随着观测技术的进步，如fast已开始常规化观测脉冲星，以及未来ska的建成，将使脉冲星本征自转频率的测量精度不断提升，进一步加速脉冲星时的应用。
5.脉冲星辐射稳定的周期脉冲信号，不同的脉冲星辐射的轮廓特征不同，自转周期不同，具有可识别性。辐射的周期性脉冲信号可类比于原子钟的秒脉冲(1pps)。按照类似于传统原子钟1pps比对技术，利用单颗脉冲星无法检测大于脉冲星自转周期的钟跳值。另外，毫秒脉冲星计时精度高，更适合用于检测钟跳，但由于周期短，使得可检测的钟跳值范围更小。即使检测出小于周期(p)的钟跳值δt，也无法判断实际的时钟跳值为δt还是δt-p。
6.2020年中科院云南天文台李志玄等人提出基于脉冲星计时观测检测原子钟钟跳方法，文中给出利用贝叶斯统计方法解算原子钟钟跳值，并利用云南40米天线观测数据对算法进行验证，其钟跳值解算误差为80ns。但是该方法只适用于检算小于脉冲星自转周期的钟跳值。文中利用j0437-4715计时观测数据检测钟跳，该源的周期为5.7ms，当钟跳值大
于5.7ms时，利用该源解算钟跳值存在脉冲星自转整周模糊度，无法获得实际钟跳值。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用单颗脉冲星观测检测原子时钟跳的方法，能够通过观测1颗脉冲星信号实现任意原子时钟跳值的解算。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
9.(1)以重启后原子钟提供的时间为参考，对脉冲星进行计时观测，获得脉冲星数据积分轮廓，以及脉冲到达时间toa；
10.(2)对脉冲星的钟跳前历史数据与钟跳后观测数据统一计时分析，获得时间跳跃前后脉冲相位跳跃值小数部分φ0；
11.(3)以p
·
φ0为初值，脉冲星周期p为步长，迭代搜索获得钟跳修正值δt；
12.(4)利用钟跳修正值δt对参考时间进行修正，重复步骤(1)～(3)，获得更新后的钟跳修正值δt
′
；
13.(5)利用钟跳修正值δt
′
控制时频系统，实现参考系统时间校准。
14.所述的脉冲星选择双星系统中的脉冲星。
15.所述的步骤(3)利用单星钟跳解算方法迭代搜索获得钟跳修正值δt；单星钟跳解算方法获取太阳系行星历表或双星轨道参数因参考时间误差导致的最终计时残差，然后根据残差中的趋势性拟合获得钟跳值。
16.所述的单星钟跳解算方法包括以下步骤：
17.(1)将脉冲星整个时间跨度数据拟合获得钟跳前后粗略的小数相位跳跃值φ0，并将p
·
φ0值作为后续迭代拟合钟跳值的初始值；
18.(2)判断初始钟跳值p
·
φ0是否为最终钟跳值，若以钟跳值p
·
φ0修正参考时钟后，对整个数据进行计时处理，计时分析结果满足判断条件a，则初始钟跳值为最终钟跳拟合值；
19.所述的判断条件a是钟跳前后计时数据的计时残差值相对偏差小于设定阈值；
20.若初始值p
·
φ0不是最终钟跳值，则需要判断钟跳值的正负，通过在初始值上增加1个脉冲周期p作为钟跳修正值，修正钟跳后重新对整个计时数据计时分析；按照判断条件b，分析钟跳值修正的方向k，若钟跳后的残差值变小，则钟跳值的迭代方向为正，k取值1；反之，钟跳值的迭代方向为负，k取值-1；
21.所述的判断条件b是以相邻两次迭代钟跳值修正后进行计时处理，相邻两次钟跳值修正后数据计时残差之差δ作为评价标准；δ＜0说明迭代钟跳值后脉冲星计时残差在变小，δ＞0说明迭代修正钟跳后脉冲星计时残差在变大；
22.(3)若钟跳值大于周期p，则需要不断迭代搜寻真实钟跳值，以脉冲星周期p为步长，不断迭代增加整周期数改变钟跳值，第i次钟跳迭代修正值δti＝p
·
(k
·
ni+φ0)，第i+1次钟跳迭代修正值δt
i+1
＝δti+p
·
k；通过判断条件a和b，判断是否为最佳钟跳。
23.所述的判断条件a中设定阈值为0.01。
24.所述的步骤(1)之前选择1颗计时精度高于设定要求、处于双星系统中的毫秒脉冲星，根据天线观测能力和脉冲星辐射强度，确定每次观测积分时长，观测频次，以及总观测数据时间跨度。
25.本发明的有益效果是：以中断重启后的时间为参考观测1颗脉冲星，可实现任意时钟跳跃值高精度解算，为中断后的时间信号的精准恢复提供支撑。
附图说明
26.图1是钟跳引起脉冲星相位跳跃示意图；
27.图2是利用单颗脉冲星观测修正时间跳跃实施方案流程图；
28.图3是脉冲星j0437-4715的计时残差示意图；
29.图4是参考时钟跳跃导致j0437-4715计时残差的变化示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
31.脉冲星自转稳定，对于同一参考时钟，脉冲星在不同时刻观测的脉冲到达时间(time of arrival，toa)存在相关性，即脉冲信号相位具有相关性，研究表明目前脉冲星不同时刻的脉冲相位一致性优于0.1％个相位，即相位稳定度高。若参考时钟发生突跳，钟跳后观测到的脉冲相位也将发生跳跃。但是现有的脉冲星计时技术只能测量出小于1个周期内的相位跳跃，相位测量范围为：-0.5～0.5，无法判断钟跳引起的整数相位周期变化，即存在整周相位模糊度问题，如图1所示。
32.脉冲星计时分析就是研究不同时刻测量的脉冲到达时间toa的相关性。地面脉冲星观测站受地球自转和公转影响，不是一个惯性系，一般选择太阳系质心参考系为基本参考系。因此，需要将观测站获得的toa转换到太阳系质心ssb处的toa，消除外界对脉冲信号时延影响，只留下能够反应脉冲星本征辐射信号的特征。在toa转换过程中主要包括几何延迟、引力延迟、相对论时间转换(tt转换到tcb)、色散延迟等，脉冲星计时toa转换模型为
33.t
ssb
＝t
obs-δ
clock-δ
r-δ
s-δ
e-δ
a-δdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
34.其中，t
ssb
是脉冲到达太阳系质心ssb处的时间，t
obs
是脉冲到达观测站的时间(以观测站原子钟作为参考时间)，δ
clock
是观测站原子钟相对于地球时tt的时间偏差，δr是roemer延迟，即地球相对与太阳系质心运动引起的几何时间延迟，δs是引力延迟，由于太阳系内大质量天体引起时空弯曲而带来的额外时延，δe是爱因斯坦延迟，即相对论时间的延迟(tt转换为tcb的时延)，δa是地球大气延迟，δd是色散延迟，即观测的信号在星际介质中传播时相对于在真空中传播的延迟。如果脉冲星处于双星系统中，还需要修正双星轨道对脉冲信号的影响。
35.根据上面的公式得知，参考钟精度直接影响toa时间转换精度，在toa转换过程中要用到太阳系行星历表，读取太阳系行星历表需要准确的时间信息，若参考时钟有误差，将导致读取行星历表产生误差。若脉冲星处于双星系统中，双星轨道的计算也需要参考时间，参考时间误差将导致双星轨道时延计算产生误差。因此，如果参考时间发生钟跳，时间误差引起的toa转换误差将在计时残差中体现出来，主要表现为3类：1)小于1个自转周期的系统性相位跳跃；2)太阳系行星历表读取误差引起的周年趋势项；3)双星轨道参考时间误差引起的双星轨道误差趋势项。由于各类误差趋势项的幅度大小，与钟跳值大小息息相关。因此，利用该规律可以精确解算钟跳值。
36.利用单颗脉冲星检测钟跳时，假定脉冲星星历表参数精确已知，主要星历参数包括：脉冲星自转参数、位置参数、双星轨道参数(若是双星)等。脉冲星星历表参数值可利用钟跳前计时数据分析获得。单颗脉冲星计时数据解算钟跳时，可将整个时间跨度的脉冲星计时残差数据分为两部分：1)钟跳前计时数据，残差为res
钟跳前
；2)钟跳发生后计时数据，残差为res
钟跳后
。
37.利用单星解算钟跳值的基本思路是首先拟合给出小数周期相位值φ0，然后以脉冲星整周相位为步长(即1为步长)，不断迭代修正钟跳值δt，钟跳修正值公式如下：
38.δt＝p
·
(ni+φ0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
39.其中，p为脉冲星自转周期，ni为第i次迭代的整周相位模糊度值。
40.将钟跳值δt作为修正量对参考时间进行修正，重新计时拟合，在钟跳值拟合过程中，主要以下面两个标准评判钟跳值拟合值是否合理。
41.a.以钟跳前计时残差值为标准，评断拟合的钟跳拟合值是否合理，因为，对于同一脉冲星观测系统，不同时段获得的计时残差值变化不大，即当准确修正钟跳后进行计时分析时，钟跳前后计时数据的计时残差值相对偏差小于0.01，公式如下：
[0042][0043]
b.相邻两次迭代钟跳值修正后进行计时处理，相邻两次钟跳值修正后数据计时残差res
钟跳后
之差作为评价标准
[0044][0045]
δ＜0时，说明迭代钟跳值后脉冲星计时残差res
钟跳后
在变小，即钟跳修正值趋于收敛于真值，可继续迭代修正；若δ＞0，迭代修正钟跳后脉冲星计时残差res
钟跳后
在变大，说明钟跳修正值开始发散，开始偏离真值，需要将钟跳迭代方向翻转。
[0046]
基于单颗脉冲星观测数据解算参考时间跳跃值具体步骤如下：
[0047]
(1)拟合获得小数相位跳跃值φ0[0048]
将脉冲星整个时间跨度数据(包括钟跳前后所有数据)，利用脉冲星计时软件tempo2的相位跳跃jump拟合功能，拟合获得钟跳前后粗略的小数相位跳跃值φ0，并将p
·
φ0值作为后续迭代拟合钟跳值的初始值。
[0049]
(2)判断钟跳值修正值的方向
[0050]
首先，判断初始钟跳值p
·
φ0是否为最终钟跳值，若以钟跳值p
·
φ0修正参考时钟后，对整个数据进行计时处理(不做任何拟合)，计时分析结果满足上面钟跳拟合判断条件a，则初始钟跳值为最终钟跳拟合值。
[0051]
若初始值p
·
φ0不是最终钟跳值，则需要判断钟跳值的正负，通过在初始值上增加1个脉冲周期p，即：δt＝p
·
(1+φ)，作为钟跳修正值，修正钟跳后重新对整个计时数据(钟跳前后)计时分析。按照判断条件b，分析钟跳值修正的方向k，若钟跳后的残差值变小，则钟跳值的迭代方向为正，k取值1；反之，钟跳值的迭代方向为负，k取值-1。
[0052]
(3)搜寻给出钟跳值大小
[0053]
若钟跳值大于周期p，则需要不断迭代搜寻真实钟跳值，以脉冲星周期p为步长，通过不断迭代增加整周期数改变钟跳值，通过上面给出的判断条件a和b，判断是否为最佳钟
跳。
[0054]
根据上面给出的单星解算钟跳值步骤得知，首先给出钟跳初始值p
·
φ0，然后根据初始值计算判断钟跳修正值的方向k，钟跳的迭代整周期数为n，其取值为0,1,2,3...n,从0开始，迭代一次增加1。即第i次钟跳迭代修正值为：
[0055]
δti＝p
·
(k
·
ni+φ0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0056]
第i+1次钟跳迭代修正值为：
[0057]
δt
i+1
＝δti+p
·kꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0058]
根据上面给出的钟跳值δti和δt
i+1
分别计算计时残差，利用上面的判断条件a、b，判断是否为最佳钟跳值。通过不断迭代搜寻给出最终钟跳拟合值。
[0059]
利用单颗脉冲星检测钟跳的原理是基于太阳系行星历表或双星轨道参数因参考时间误差导致最终计时残差中体现的趋势性，然后根据残差中的趋势性拟合获得钟跳值，所以钟跳发生后，需要对脉冲星进行一定时间跨度的计时观测，且数据跨度越长，越有利于检测钟跳。
[0060]
在检测钟跳的候选脉冲星中，优先选择双星系统中的脉冲星，一方面双星轨道特性提升钟跳检测效率；另一方面，双星轨道在计时残差体现为轨道周期项(～天)，而行星历表体现为周年项(～年)，双星系统脉冲星大大缩短钟跳后所需的观测数据跨度。目前最短的双星轨道周期为1.5小时，即钟跳发生后观测该星1.5小时，则可利用其计时数据解算钟跳修正值。
[0061]
本发明利用单颗脉冲星观测的时间跳跃修正实施方案包括以下步骤：
[0062]
假定观测脉冲星的参考时频系统中断，导致时频系统重启后时间信号不连续，产生时间跳跃现象，通过观测单颗脉冲星可实现时间信号钟跳值检测。下面给出利用观测j0437-4715修正参考原子钟时间钟跳值实施方案，具体实施方式如下：
[0063]
(1)钟跳后脉冲星观测方案制定
[0064]
首先在该天线观测的脉冲星历史数据中，选择1颗计时精度高、处于双星系统中的毫秒脉冲星(如：j0437-4715)。根据天线观测能力和脉冲星辐射强度，确定每次观测积分时长，观测频次，总观测数据时间跨度等。
[0065]
(2)对候选脉冲星进行计时观测
[0066]
利用重启后原子钟提供的时间为参考，对脉冲星j0437-4715按制定的方案进行常规化计时观测，例如：每次观测积分时长为20分钟、每天观测5次，至少连续观测6天(该源双星轨道周期为5.7天)。并通过专业脉冲星数据处理软件psrchive获得积分轮廓，以及获得脉冲到达时间toa数据资料。
[0067]
(3)计时分析获得钟跳前后相位平均偏差
[0068]
利用脉冲星计时数据处理软件tempo2对j0437-4715钟跳前历史数据与钟跳后观测数据统一计时分析，获得时间跳跃前后脉冲相位跳跃值小数部分φ0。
[0069]
(4)搜索钟跳引起的脉冲星整周模糊度
[0070]
以p
·
φ0为初值，脉冲星周期p为步长，利用单星钟跳解算方法，迭代搜索获得钟跳修正值δt。
[0071]
(5)计算给出时间跳跃值。
[0072]
利用搜索的钟跳修正值δt对参考时间进行修正，重新利用tempo2进行计时拟合，
获得更新后的钟跳修正值δt
′
。
[0073]
(6)修正系统时间
[0074]
利用计算获得的钟跳修正值δt
′
，通过对时频系统控制实现参考系统时间校准。
[0075]
下面利用中科院国家授时中心昊平40米天线脉冲星j0437-4715观测数据，开展单颗脉冲星检测时间跳跃方法模拟验证。观测数据跨度为mjd：58454.6—58789.7，共计335天，152个toa数据点，若未发生钟跳，其整个数据计时残差为386ns，计时残差图如图3所示。
[0076]
假定在mjd58600时刻，昊平40米观测站的系统参考时间突然变慢20s，即时间跳跃值为-20s，则时钟跳跃对j0437-4715的计时残差影响如图4所示，黑色点为未发生钟跳时脉冲星计时残差，其脉冲相位很稳定，红色点为发生钟跳后观测到的计时残差，残差点分布比较弥散，且呈现一定的规律性，因系统参考时间产生误差，导致双星轨道参数和太阳系行星历表参数读取时刻产生误差，引起的双星轨道周期性变化和行星历表周年变化，但因钟跳后的观测数据跨度为189天，未能体现整个周年项变化。
[0077]
在计时软件tempo2的基本功能，根据上面给出的单星解算钟跳算法编写了钟跳修正值拟合软件，实现钟跳修正值高精度拟合功能。利用软件进行钟跳修正值拟合时，假定脉冲星星历表参数已知，星历表参数利用钟跳前的计时数据拟合获得。然后利用钟跳拟合软件解算钟跳修正值，下表为拟合给出的结果。
[0078]
表.利用j0437-4715拟合钟跳的相关参数
[0079]
参数名称参数值误差是否拟合赤经04:37:15.91255085.4e-6否赤纬-47:15:09.208670.00011否频率173.687945737543.1e-10否频率1阶倒数-1.7284e-151.0e-18否钟跳修正值(秒)19.9999999886.4e-08是
[0080]
前面模拟的观测系统时间变慢20s(-20s)，因此系统时间的实际的修正值20s。上表中给出利用单星检测方法解算的钟跳修正值为19.999999988s，误差为64ns，与实际的钟跳修正值偏差为12ns。目前昊平40米天线观测j0437-4715的toa测量精度约300ns，基于该源解算的钟跳修正值拟合精度远优于toa测量精度，未来随着脉冲星toa测量精度的提高，将进一步提高钟跳修正值解算精度。