面向脈沖星時(shí)的原子鐘鐘差研究

黃玉祥，李柯伽，郝龍飛，李志玄，徐永華，沈發(fā)新，汪敏，程向明,6

面向脈沖星時(shí)的原子鐘鐘差研究

黃玉祥1,2,3，李柯伽4,5，郝龍飛1,3,*，李志玄1,3，徐永華1,3，沈發(fā)新1,2,3，汪敏1,3，程向明1,2,3,6

（1. 中國(guó)科學(xué)院 云南天文臺(tái)，昆明 650216；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國(guó)科學(xué)院 天體結(jié)構(gòu)與演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650216；4. 北京大學(xué) 物理學(xué)院天文系，北京 100871；5. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)，北京 100101；6. 云南省應(yīng)用天文技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，昆明 650216）

毫秒脈沖星是宇宙中穩(wěn)定的“天然時(shí)鐘”。毫秒脈沖星這一特性可用于建立新的時(shí)間保持基準(zhǔn)，通過(guò)協(xié)同原子鐘的短期穩(wěn)定性，形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的脈沖星時(shí)。利用40 m射電望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)觀測(cè)若干顆毫秒脈沖星，研究人員開(kāi)展了脈沖星計(jì)時(shí)和脈沖星鐘方面的研究。目前，已經(jīng)完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建、原子鐘之間的長(zhǎng)期比對(duì)和鐘差外推等實(shí)驗(yàn)，成功地將貝葉斯方法應(yīng)用于鐘差譜估計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)了鐘差信號(hào)的最優(yōu)估計(jì)和外推。

毫秒脈沖星；脈沖星鐘；貝葉斯估計(jì)

0 引言

脈沖星是20世紀(jì)60年代的天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)之一[1]，目前普遍接受的唯象輻射模型是“旋轉(zhuǎn)燈塔”模型[2]。它們最大的特點(diǎn)是輻射周期性脈沖，周期主要分布在幾毫秒到幾秒之間。其中，有一部分脈沖星的周期變化率在1×10-19到1×10-21之間，且周期小于30 ms，通常被稱(chēng)為毫秒脈沖星，在已發(fā)現(xiàn)的 3 000多顆脈沖星中約占11%[3]。它們輻射周期具有超高穩(wěn)定性，故可以被用作時(shí)間信標(biāo)[4]。

當(dāng)前我們使用的時(shí)間基準(zhǔn)是基于國(guó)際原子時(shí)（International Atomic Time，TAI）的衍生時(shí)標(biāo)。TAI是時(shí)間權(quán)度局（Bureau International des Poids et Mesures，BIPM）[5]利用全球各地450多臺(tái)原子鐘的歷史數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加權(quán)平均后通過(guò)頻率基準(zhǔn)和次級(jí)基準(zhǔn)對(duì)自由原子時(shí)EAI進(jìn)行頻率校準(zhǔn)，每月計(jì)算一次，準(zhǔn)確度約為10-16量級(jí)?，F(xiàn)代授時(shí)體系中，高精度時(shí)間是通過(guò)BIPM提供的事后紙面時(shí)間實(shí)現(xiàn)，每月一次。脈沖星時(shí)間的物理機(jī)制和地面原子鐘完全不同，脈沖星時(shí)標(biāo)的系統(tǒng)差完全獨(dú)立于TAI時(shí)標(biāo)系統(tǒng)，因此它可以提供獨(dú)立的時(shí)間改正。

自從1982年第一顆毫秒脈沖星PSR B1937+21[6]被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，國(guó)際上紛紛開(kāi)展了利用毫秒脈沖星計(jì)時(shí)來(lái)構(gòu)建脈沖星時(shí)間系統(tǒng)的研究。同年，J. Defter和P. Boynton[7]把頻域分析方法應(yīng)用到脈沖星計(jì)時(shí)噪聲功率譜的研究中。1988年，B. Guinot等[8]首次提出利用脈沖星建立時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)辟了該領(lǐng)域的相關(guān)探索。1990年，R. S. Foster和D. H. C. Backer等[9]把多顆脈沖星的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用到原子鐘誤差的分析中。1991年，B. Guinot及G. Petit等[10]討論了利用脈沖星計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖星時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的可行性，用BIPM時(shí)間尺度，PSR B1937+21 8年的計(jì)時(shí)精度約為4×10-15。1994年，V. M. Kaspi等[11]深入分析了脈沖星PSR B1855+09和PSR B1937+21計(jì)時(shí)結(jié)果，指出其在一年以上的相對(duì)頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10-14，與一般地方原子時(shí)的穩(wěn)定度相當(dāng)，使脈沖星計(jì)時(shí)檢驗(yàn)原子時(shí)誤差成為可能。1996年，G. Petit和P. Tavella[12]第一次提出了建立綜合脈沖星時(shí)的意義并給出了脈沖星時(shí)加權(quán)的算法。1997年，S. M. Kopeikin應(yīng)用散射噪聲理論研究了計(jì)時(shí)噪聲，將低頻噪聲進(jìn)行分類(lèi)[13]并在1999年建立了脈沖星低頻計(jì)時(shí)噪聲的統(tǒng)計(jì)模型[14]；2004年，他[15]又研究了低頻計(jì)時(shí)噪聲對(duì)計(jì)時(shí)殘差及其測(cè)量參數(shù)的影響和它的傅里葉分析與譜敏感性。2001年，A. N. Lommen[16]在分析上述兩顆脈沖星長(zhǎng)期計(jì)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星PSR B1855+09約15年跨度的觀測(cè)數(shù)據(jù)得到脈沖星時(shí)間長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度可優(yōu)于美國(guó)海軍天文臺(tái)保持的原子時(shí)間基準(zhǔn)。后來(lái)，A. E. Rodin等[17-18]研究了脈沖星時(shí)的維納濾波算法，發(fā)現(xiàn)在弱紅噪聲條件下，該算法優(yōu)于加權(quán)算法。為了更好地研究和應(yīng)用毫秒脈沖星計(jì)時(shí)特性，三大獨(dú)立的脈沖星計(jì)時(shí)陣從2012年起逐步建立，分別是Parkes脈沖星計(jì)時(shí)陣（Parkes Pulsar Timing Array，PPTA）[19-20]、歐洲脈沖星計(jì)時(shí)陣（European Pulsar Timing Array，EPTA）[21]和北美納赫茲引力波天文臺(tái)（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Wave，NANOGrav）[22]。為了提高計(jì)時(shí)精度以更好地探測(cè)引力波，這三個(gè)脈沖星計(jì)時(shí)陣聯(lián)合構(gòu)成了國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣（International Pulsar Timing Array，IPTA）[23]。除了探測(cè)引力波，這些計(jì)時(shí)陣的數(shù)據(jù)也被用于脈沖星時(shí)間方面的研究。G. Hobbs、W. Coles和D. J. Reardon等[24-26]利用頻率論思想研究了脈沖星計(jì)時(shí)陣鐘差的紅噪聲，測(cè)量了原子時(shí)的波動(dòng)并構(gòu)建了脈沖星時(shí)標(biāo)。2014年，K. J. Lee等[27]指出最優(yōu)化脈沖星時(shí)間尺度的構(gòu)建其實(shí)就是脈沖星計(jì)時(shí)噪聲的測(cè)量及相關(guān)波形估計(jì)問(wèn)題，并提出貝葉斯隨機(jī)波形估計(jì)算法。 L. Lentati、K. J. Lee和R. N. Caballero等[28-29]把貝葉斯算法應(yīng)用到脈沖星時(shí)間的問(wèn)題上來(lái)，分析了計(jì)時(shí)噪聲。R. Píriz和G. Hobbs等[30-31]利用貝葉斯算法，基于脈沖星計(jì)時(shí)陣構(gòu)建了脈沖星時(shí)間。由于脈沖星計(jì)時(shí)陣發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)間間隔較長(zhǎng)，R. Píriz和G. Hobbs等給出的事后紙面時(shí)間在較長(zhǎng)的時(shí)間跨度上預(yù)報(bào)時(shí)間的精度會(huì)嚴(yán)重下降，而脈沖星鐘則需要望遠(yuǎn)鏡在較短的時(shí)間跨度（如一周）上定期進(jìn)行計(jì)時(shí)觀測(cè)以實(shí)現(xiàn)持續(xù)預(yù)報(bào)高精度時(shí)間。EPTA在2018年啟動(dòng)了“PulChron”研究項(xiàng)目[30]，針對(duì)18顆毫秒脈沖星進(jìn)行精確的計(jì)時(shí)觀測(cè)，目的是為了驗(yàn)證脈沖星時(shí)標(biāo)服務(wù)于現(xiàn)有原子鐘系統(tǒng)尤其是伽利略導(dǎo)航時(shí)間系統(tǒng)的有效性和可行性。這是真正意義上的脈沖星鐘項(xiàng)目。然而，他們構(gòu)建脈沖星鐘的具體算法是不公開(kāi)的，國(guó)內(nèi)需要獨(dú)立地開(kāi)展研究。

南山26 m射電望遠(yuǎn)鏡于20世紀(jì)90年代開(kāi)始進(jìn)行脈沖星計(jì)時(shí)方面的研究，是國(guó)內(nèi)最早的。通過(guò)對(duì)300余顆脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間（time of arrival，TOA）進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，初步形成了自主的星歷表。從2017年9月起，500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）[32]逐步進(jìn)行脈沖星高精度計(jì)時(shí)方面的研究，目前的結(jié)果表明，計(jì)時(shí)精度比國(guó)際平均水平高出10倍以上[33]。從21世紀(jì)初開(kāi)始，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心在脈沖星時(shí)間尺度領(lǐng)域取得了一些成果[34-42]，此外洛南40 m望遠(yuǎn)鏡也從2018年開(kāi)始在L波段開(kāi)展單偏振脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)并取得了成果。昆明40 m射電望遠(yuǎn)鏡（KM 40 m）對(duì)PSR J0437-4715、PSR J1713+0747 和 PSR J1909-3744等毫秒脈沖星開(kāi)展了S波段（圓極化）的計(jì)時(shí)觀測(cè)，取得了初步的計(jì)時(shí)結(jié)果，PSR J0437-4715的計(jì)時(shí)精度達(dá)到500 ns左右。2019年，李志玄等[43]利用KM 40 m的脈沖星計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)成功估計(jì)了2018年8月份前后由于本地原子鐘鏈路切換而造成的原子鐘鐘差的跳變，初步驗(yàn)證了KM 40 m的脈沖星計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)用于脈沖星鐘構(gòu)建的可行性。

本文首先介紹脈沖星鐘的概念，然后敘述云南天文臺(tái)開(kāi)展的鐘比對(duì)和鐘差外推實(shí)驗(yàn)，最后分析和討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初步實(shí)現(xiàn)了計(jì)時(shí)用的原子鐘鐘差的最優(yōu)估計(jì)和高精度外推。

1 脈沖星鐘

脈沖星鐘系統(tǒng)需要脈沖星計(jì)時(shí)陣，本地原子鐘和相位微躍計(jì)等實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中“天線”接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和整形送到數(shù)字接收機(jī)中進(jìn)行消色散、周期折疊和數(shù)據(jù)格式化存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖星數(shù)據(jù)處理流程形成脈沖星的TOA。由于數(shù)字接收機(jī)鎖相到本地原子鐘，因此TOA以本地原子鐘為參考。針對(duì)多顆脈沖星的TOA可以開(kāi)展本地原子鐘時(shí)間和頻率誤差估計(jì)，其結(jié)果通過(guò)伺服器反饋到相位微躍計(jì)上，以形成低相位噪聲的、融合原子鐘與脈沖星數(shù)據(jù)的新的鐘信號(hào)（1 PPS和10 MHz）。經(jīng)過(guò)分配器緩沖后輸出供外界使用。

圖1 脈沖星鐘系統(tǒng)框圖

具體過(guò)程主要分成兩步。第一步是構(gòu)建脈沖星計(jì)時(shí)陣，獲得高精度的TOA。

脈沖星計(jì)時(shí)是利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)獲取多顆計(jì)時(shí)精度較高的毫秒脈沖星發(fā)出的脈沖到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間，主要影響因素包括地球自轉(zhuǎn)、太陽(yáng)系星歷表、太陽(yáng)風(fēng)、信號(hào)傳播路徑上的星際介質(zhì)的色散和散射、引力波背景、脈沖星自行和脈沖星的雙星效應(yīng)（對(duì)于脈沖雙星）等。脈沖星計(jì)時(shí)是扣除上述效應(yīng)后通過(guò)脈沖到達(dá)與脈沖星相對(duì)靜止的太陽(yáng)系質(zhì)心系（binary celestial reference system，BCRS）的相位的預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)的，相位多項(xiàng)式表示為

第二步是利用計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行譜估計(jì)，實(shí)現(xiàn)鐘差信號(hào)的最優(yōu)估計(jì)和外推。

利用貝葉斯估計(jì)，脈沖星計(jì)時(shí)殘差可以用于研究計(jì)時(shí)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，如頻譜，功率譜以及噪聲類(lèi)型等。貝葉斯參數(shù)估計(jì)把噪聲模型分為3類(lèi)：TOA的不確定度調(diào)制的白噪聲，紅噪聲和色散量（dispersion measure，DM）噪聲[31]。鐘信號(hào)的建模是脈沖星時(shí)間溯源原子時(shí)間的基礎(chǔ)。基于貝葉斯估計(jì)，鐘信號(hào)被構(gòu)建成平穩(wěn)的紅噪聲過(guò)程，符合冪律譜，鐘信號(hào)的冪律譜可表示為[31]

2 鐘比對(duì)實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 鐘比對(duì)實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)行脈沖星鐘算法的研究，我們開(kāi)展了兩部原子鐘的對(duì)比和鐘差外推等試驗(yàn)。利用相位微躍計(jì)、高精度頻率計(jì)和云南天文臺(tái)現(xiàn)有的硬件設(shè)備，筆者搭建了測(cè)試系統(tǒng)，如圖2所示。

試驗(yàn)系統(tǒng)由兩臺(tái)氫原子鐘、一臺(tái)頻率計(jì)、一臺(tái)相位微躍計(jì)及控制與采集計(jì)算機(jī)組成。頻率計(jì)和相位微躍計(jì)的基本性能參數(shù)分別列于表1和表2。兩臺(tái)氫原子鐘分別由上海天文臺(tái)和俄羅斯生產(chǎn)，下文分別以氫鐘S和氫鐘R表示。

實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)相位微躍計(jì)鎖相到原子鐘信號(hào)，監(jiān)視鎖相后信號(hào)的時(shí)間與另外一臺(tái)原子鐘的差異，從而理解經(jīng)過(guò)相位微躍計(jì)后鐘差的總噪聲。具體來(lái)講，把氫鐘R的秒信號(hào)和10 MHz正弦信號(hào)注入到相位微躍計(jì)中，經(jīng)過(guò)相位微躍計(jì)鎖相之后，比對(duì)相位微躍計(jì)輸出的秒信號(hào)和氫鐘S輸出的秒信號(hào)；每隔1 h采集一次二者的比對(duì)值，每次連續(xù)讀取300次秒信號(hào)比對(duì)數(shù)據(jù)（10 s孔徑），計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)采集的時(shí)間信息和秒信號(hào)的比對(duì)值。

注：氫原子鐘S是上海天文臺(tái)自研的，氫原子鐘R是俄羅斯生產(chǎn)的

表1 頻率計(jì)性能參數(shù)

表2 相位微躍計(jì)性能參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在2022年9月上旬至12月下旬期間，筆者采集了100多天的原始鐘差數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 原始鐘差數(shù)據(jù)

圖4 扣除鐘頻差和鐘頻率導(dǎo)數(shù)后的鐘差測(cè)量值和利用自主研發(fā)的clk_dqc軟件清除鐘差測(cè)量跳變后的數(shù)據(jù)

3 鐘差外推實(shí)驗(yàn)與分析

最優(yōu)波形估計(jì)是鐘差外推的基礎(chǔ)。為了構(gòu)造最優(yōu)波形估計(jì)器，筆者需要對(duì)數(shù)據(jù)做一次K-L分解，尋找函數(shù)的稀疏支撐空間的基。作為第一步嘗試，筆者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了周期圖法譜分析，對(duì)處理后的鐘差數(shù)據(jù)的直接譜分析見(jiàn)圖5（a）。數(shù)據(jù)顯示出典型的紅噪聲特征。然而由于紅噪聲譜比較陡，大量的高頻信號(hào)泄露到低頻成分處，即譜指數(shù)被周期圖法限制在≥-2的區(qū)域，因此直接周期圖譜估計(jì)是有偏的，數(shù)值無(wú)法直接使用。此外，數(shù)據(jù)存在一個(gè)2.5天左右顯著的周期信號(hào)和一些1天、半天等較弱的周期信號(hào)。由于兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的原子鐘鐘差與GPS沒(méi)有關(guān)系，筆者初步分析認(rèn)為1天和半天的信號(hào)是環(huán)境變化所導(dǎo)致的，目前尚未找到2.5天周期信號(hào)的來(lái)源。

鑒于周期圖法無(wú)法直接從數(shù)據(jù)中測(cè)量紅噪聲譜，筆者又嘗試了白化-黑化處理方法。這種方法雖然會(huì)損失信噪比，但是能夠處理比-2譜指數(shù)更加陡峭的信號(hào)。針對(duì)上述的時(shí)間差數(shù)據(jù)，筆者利用標(biāo)準(zhǔn)的加窗譜分析方法[47]計(jì)算了功率譜密度，計(jì)算中使用的是Hamming窗函數(shù)。由于頻率差等于時(shí)間差的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，因此時(shí)間差功率譜密度可以直接轉(zhuǎn)換成頻率差的功率譜密度[48]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5（b），圖中展示的頻差功率譜進(jìn)一步驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)果，頻差的低頻段（10-2～10-1day-1）仍舊展現(xiàn)出很強(qiáng)的紅噪聲。因此原始鐘差的低頻功率譜指數(shù)應(yīng)該陡于-2。

圖5 鐘差信號(hào)的功率譜和頻差信號(hào)的功率譜

注：Efac是白噪聲改正系數(shù)，Ared是紅噪聲的時(shí)域RMS值（對(duì)數(shù)），αred是特征譜指數(shù)

獲得鐘差統(tǒng)計(jì)模型后，筆者研究了鐘差的最優(yōu)估計(jì)和最優(yōu)外推。X. P. Deng等[49]研究了最優(yōu)外推和內(nèi)插的算法，K. J. Lee等[27]給出了類(lèi)似算法并得到了完整的估計(jì)誤差，并證明，可以僅利用時(shí)域數(shù)據(jù)開(kāi)展最優(yōu)估計(jì)和外推而無(wú)需借助頻域的結(jié)果，并且時(shí)域估計(jì)和維納濾波會(huì)給出同樣形式的結(jié)果。在鐘差的統(tǒng)計(jì)模型基礎(chǔ)上，筆者構(gòu)造了針對(duì)40 m望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)的最優(yōu)估計(jì)器和外推器。應(yīng)用到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后的結(jié)果如圖7所示。為了驗(yàn)證自研軟件的外推能力，僅使用前半部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)生成最優(yōu)鐘差估計(jì)數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果顯示，在輸入數(shù)據(jù)的區(qū)間內(nèi)，最優(yōu)估計(jì)相對(duì)于原始測(cè)量值，大幅度降低了測(cè)量噪聲，噪聲水平降低了8倍左右；而在輸入的數(shù)據(jù)的區(qū)間外，外推的結(jié)果和實(shí)測(cè)的結(jié)果符合很好，即在短期（數(shù)天量級(jí)，長(zhǎng)于72 h）即使沒(méi)有觀測(cè)數(shù)據(jù)，仍舊可以利用統(tǒng)計(jì)外推器對(duì)鐘進(jìn)行足夠精度的修正。

注：離散點(diǎn)是圖4（b）數(shù)據(jù)中扣除線性項(xiàng)和二次項(xiàng)的結(jié)果，其中黃色部分用于最優(yōu)估計(jì)器的輸入數(shù)據(jù)；藍(lán)色曲線是最優(yōu)鐘差估計(jì)和外推數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了脈沖星鐘的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，即利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行計(jì)時(shí)觀測(cè)，獲得足夠的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，基于貝葉斯方法研究計(jì)時(shí)噪聲，建立計(jì)時(shí)鐘的鐘差噪聲模型，最終實(shí)現(xiàn)保持原子鐘短期穩(wěn)定性的和脈沖星時(shí)間長(zhǎng)期穩(wěn)定性的脈沖星鐘。然后，文章敘述了云南天文臺(tái)有關(guān)脈沖星鐘的研究進(jìn)展：① 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建及鐘差、頻差自動(dòng)化測(cè)量平臺(tái)的搭建；② 鐘差的自動(dòng)測(cè)量、記錄和壞數(shù)據(jù)點(diǎn)清除；③ 鐘差的譜估計(jì)技術(shù)的探索，證實(shí)了依靠貝葉斯方法能夠?qū)崿F(xiàn)有效譜估計(jì)；④ 完成了鐘差信號(hào)的最優(yōu)估計(jì)和外推，實(shí)現(xiàn)了約8倍的噪聲削減和長(zhǎng)于72 h的數(shù)據(jù)外推預(yù)報(bào)能力。

筆者下一步將搭建脈沖星鐘平臺(tái)，利用上文中鐘差信號(hào)的最優(yōu)估計(jì)和外推算法，建立脈沖星計(jì)算時(shí)所用原子鐘的鐘差噪聲模型，在相鄰兩次脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)之間預(yù)報(bào)未來(lái)一段時(shí)間原子鐘的鐘差修正值，編寫(xiě)伺服軟件，通過(guò)伺服軟件調(diào)控相位微躍計(jì)實(shí)時(shí)修正原子鐘，實(shí)現(xiàn)脈沖星鐘。

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Research on atomic clock comparison for pulsar time

HUANG Yu-xiang1,2,3, LEE Ke-jia4,5, HAO Long-fei1,3,*, LI Zhi-xuan1,3, XU Yong-hua1,3, SHEN Fa-xin1,2,3, WANG Min1,3, CHENG Xiang-ming1,2,3,6

(1. Yunnan Observatories, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650216, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Key Laboratory for the Structure and Evolution of Celestial Objects, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650216, China;4. Department of Astronomy, School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China;5.National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;6. Engineering Laboratory on Applied Astronomical Technology of Yunnan, Kunming 650216, China)

Millisecond pulsars are the stable “celestial clock”. Based on the properties of millisecond pulsars, a new pulsar-based time scale can be established to maintain a long-term stable timescale. Pulsar timing and pulsar clocks are investigated with several millisecond pulsars, using the Kunming 40-meter radio telescope. We had built the experimental platform of pulsar clock and carried out experiments including comparison of atomic clocks and forecast of clock differences. The validation of the Bayesian approach in clock difference spectrum estimation was verified that is proved as an effective method for clock difference estimation and extrapolation.

millisecond pulsars; pulsar clock; Bayesian estimation

黃玉祥, 李柯伽, 郝龍飛, 等. 面向脈沖星時(shí)的原子鐘鐘差研究[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2023, 46(3): 206-216.

10.13875/j.issn.1674-0637.2023-03-0206-11

2023-02-24；

2023-05-25；

haolongfei@ynao.ac.cn

國(guó)家SKA計(jì)劃資助項(xiàng)目（2020SKA0120100）；云南省科技廳對(duì)外科技合作專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（02003AD150010）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2022YFC2205203）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（12073076；12173087；12041303；12063003）