历表误差对脉冲星计时残差空间相关性影响的研究

在介绍脉冲星计时残差及历表误差影响机制的基础上,给出了由历表误差引起的脉冲星计时残差及其角相关的解析式,基于澳大利亚PPTA(Parkes Pulsar Timing Array)毫秒脉冲星实测计时数据,计算由不同历表如DE(Development Ephemeris)200、DE405和DE421导致的计时残差角相关结果,并在4种脉冲星参数拟合情况下进行了比较和分析,验证了历表误差会导致计时残差角相关结果具有不同程度的偶极效应,发现历表误差引起的太阳系质心(SSB)位置误差是导致脉冲星计时残差角相关偶极效应的主要原因,通过拟合自转参数和天测参数可消除历表误差对计时残差相关性的影响.     

利用经验模态分解提高极移预报精度（英文）

经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)是一种数据驱动的自适应非线性、非平稳信号分解方法。为提高极移预报精度,将经验模态分解应用于极移预报中。首先利用经验模态分解方法对极移序列进行分解,获得极移的高频分量和低频分量;然后采用最小二乘(Least Squares,LS)外推模型对极移低频分量进行拟合,获得最小二乘拟合残差;其次采用自回归(Autoregressive,AR)模型对极移高频分量和最小二乘拟合残差之和进行建模预报;最后将最小二乘模型和自回归模型外推值相加获得极移预报值。将经验模态分解和LS+AR组合模型预报结果与LS+AR模型预报以及地球定向参数预报比较竞赛(Earth Orientation Parameters Prediction Comparison Campaign,EOP PCC)的预报结果进行比较,结果表明,将经验模态分解应用于极移预报中,可以明显改善极移预报精度。     

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。     

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50m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.     

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.     

正常脉冲星计时噪声的研究进展

脉冲星自转的稳定性是其最显著的特征之一,利用这种特征可以提供脉冲星自身自转减慢的精确信息,研究强引力场中的广义相对论效应,检验引力波,探测太阳系外行星,以及提供计时标准。然而,在脉冲星自转的长期观测中,两种有趣的不规则性被观测到,这其中把广泛存在于脉冲星中且最为普遍的现象称为"计时噪声",多表现为相当连续且不稳定的行为,并且多由低频结构组成。对于具有较大周期导数的脉冲星而言,通常会具有更加明显的计时噪声。全面地研究计时噪声有助于深入了解中子星的内部结构。在回顾分析脉冲星自转减慢模型的基础上,对近年来脉冲星计时噪声的观测进展进行了概述。针对现有的观测数据,讨论了目前关于计时噪声分类以及观测制动指数中存在的问题。另外,介绍和评述了脉冲星计时噪声的相关理论模型。最后,展望了未来观测方面的发展方向和前景。     

四种综合脉冲星时算法比较

由单颗脉冲星定义的脉冲星时受多种噪声源的影响,其短期和长期稳定度都不够好.为了削弱这些噪声源对单脉冲星时的影响,可以采取合适的算法对多个单脉冲星时进行综合得到综合脉冲星时,从而提高综合脉冲星时的长期稳定度.文中介绍4种综合脉冲星时算法:经典加权算法、小波分析算法、维纳滤波算法和小波域中的维纳滤波算法,将这4种算法分别应用于Arecibo天文台对两颗毫秒脉冲星PSR B1855+09和PSRB1937+21观测得到的计时残差并作出比较.     

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。     

脉冲星计时技术及其应用

简述脉冲星发现和计时观测的概况。文中概述脉冲星计时的物理模型和计算用的各种钦件,特别是全球广泛应用的TEMPO2软件,并描述脉冲星计时阵的概念和国际脉冲星计时阵。对脉冲星计时观测应用:建立脉冲星时标、改进行星历表(包括外行星质量测定和海外天体的发现)、检测引力波、测定脉冲星的旋转和天体测量参数、脉冲星自主导航、相对论引力理论的验证等作了介绍。最后,对我国开展此项工作的情况给予简要描述,并提出若干建议。     

几何因素对脉冲星自转参数的影响

脉冲星自转参数是脉冲星最重要的参数之一,能反映脉冲星本身的物理性质.根据计时观测所得的自转参数除了包含脉冲星本身固有的部分,还受到几何因素的影响,例如地球自转参数、岁差章动模型、行星历表误差、脉冲星相对于太阳系质心(solar system barycenter,SSB)的速度和加速度.通过分析脉冲星计时观测模型,从而推导出这些因素与脉冲星自转参数的关系,进一步估计了这些因素对自转参数影响的量级大小.在现有的观测精度下,地球自转参数和岁差章动模型的误差对计时观测的影响可忽略,可以认为脉冲星自转参数不受其影响.行星历表误差对自转参数的影响远小于自转参数本身,同样可以忽略.脉冲星相对于太阳系质心的视向速度影响到脉冲星周期,该影响比脉冲星本身周期约小4个量级.值得注意的是,脉冲星横向速度和脉冲星相对于太阳系质心的视向加速度对周期变率的影响不可忽略,特别是对于周期变率较小的毫秒脉冲星来说,这两个因素的影响可能是脉冲星视周期变率中的主要成分.     

3颗脉冲星自转性质的研究

正常脉冲星和亳秒脉冲星都表现出计时噪声.脉冲星的自转变化是造成计时噪声的重要原因之一.通过联合新疆天文台南山25m射电望远镜和澳大利亚Parkes64m射电望远镜的脉冲到达时间数据，使用脉冲星计时的方法对PSRJ1539--5626、J1832- -0827和J1847- -0402的自转进行分析研究，它们在到达时间残差上均表现出很强的计时噪声，低频噪声的功率谱分别符合谱指数为-6、-6、 -4.5的幂律,功率谱强度分别为1.77 x 10^-17 yr³、4.43x 10^-18 yr³和2.09x 10^-18yr3.这3颗脉冲星在自转频率1阶导数的变化上都表现出较为明显的振荡,振荡幅度分别为0.61(3)x 10^-15s^-2、0.54(5) x 10^-16s^-2和0.11(2) x 10^-15s^-2 (其中括号内数字代表末位数字的有效误差,下同)，自转频率1阶导数振荡变化的相对大小分别是0.75(5)%、0.035(9)%、 0.076(2)%.利用Parkes 64 m射电望远镜的观测数据,分别获得了这3颗脉冲星积分脉冲轮廓及其半高全宽,发现3颗脉冲星的脉冲轮廓的宽度均有一定 的变化，变化幅度分别为0.0028(6)、0.00059(3)和0.00011(4)个相位.没有探测到自转减慢率的变化与辐射变化之间存在明显的相关性.     

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.     

基于实测数据的综合脉冲星时研究

介绍了脉冲星计时在几个重要方面的应用,给出了脉冲星时间尺度的简要定义.基于澳大利亚PARKES天文台的毫秒脉冲星实测计时数据,建立了基于4颗毫秒脉冲星的综合脉冲星时,并将其稳定度σz与原子时进行比较,最后分析了影响综合脉冲星时的几个重要因素及其对脉冲星计时精度的影响与应用.     

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。     

毫秒脉冲星计时观测的研究进展

对毫秒脉冲星时间测量的理论、方法和技术研究的进展进行了阐述。根据近年来取得的观测研究结果,毫秒脉冲星计时测量误差～2×10－7秒,毫秒脉冲星自转周期稳定性足以和现代原子钟相媲美：其相对频率不稳定度达到1×10－14（1年≤γ≤5．2年）,并可望更高。近年来,脉冲星计时观测系统的接收灵敏度获得很大改进,计时观测的数据采集、处理技术、脉冲到达时间分析模型研究等都有长足发展。通过综合脉冲星时间算法得到的脉冲星时间尺度将比现代原子时具有更高的长期稳定度。叙述了脉冲星的物理特性及有关计时观测系统的技术成果,如观测频率和带宽的选择,消色散和接收系统灵敏度等问题。最后对毫秒脉冲星时间测量的误差源进行了讨论,并对脉冲星时间尺度的应用前景做了展望。     

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 15yr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 1yr以上的稳定度明显优于上述两原子时系统。毫秒脉冲星PSR B193T 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旅，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。     

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。     

基于双谱滤波的综合脉冲星时算法研究

毫秒脉冲星的自转频率非常稳定,提供了一种独立的基于遥远自然天体并能持续数百万乃至数十亿年的时间基准,具有稳定性强、运行时间长、服务范围广等特点.为了减弱毫秒脉冲星计时观测中各种高斯噪声对脉冲星时的影响,研究了一种基于双谱滤波的综合脉冲星时构建算法,处理分析了国际脉冲星计时阵(International Pul-sar Timing Array,IPTA)最新发布的4颗毫秒脉冲星(PSR J0437-4715、J0613-0200、J1713+0747和J1909-3744)的观测数据,分析了不同时间尺度综合脉冲星时的稳定性,并与构成国际原子时(International Atomic Time,TAI)的4家授时单位原子钟稳定性进行了比较.结果表明:双谱滤波算法能够较好地抑制观测噪声,提高综合脉冲星时的稳定性.相比于经典加权算法,综合脉冲星时1 yr、10 yr稳定度从7.77×10^-14、8.56×10^-16分别提高到1.50×10^-14、3.50×10^-16,单脉冲星时稳定性的提升也类似.同时发现,综合脉冲星时稳定性在5 yr及以上时间尺度上优于原子钟稳定性,可用于改善当前原子时的长期稳定性.     

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.     

旋转射电暂现源研究进展

旋转射电暂现源是McLauglin等人在2006年采用单脉冲搜寻技术,对Parkes射电望远镜多波束脉冲星巡天数据的处理过程中发现的一类特殊天体。该类天体在绝大多数时间都处于射电宁静状态,偶尔发射特征宽度为毫秒量级的脉冲信号。对其进行长期脉冲到达时间观测发现,其具有类似于脉冲星到达时间特性,但目前还不清楚该天体和脉冲星之间的具体关系。综述了近10年来射电以及其他波段的观测研究和理论模型方面的进展。在射电观测方面,主要介绍观测认证技术(包括零色散滤波、DM搜寻、阈值设定、匹配滤波和效果图检验等)、到达时间以及偏振方面的观测研究进展;在其他波段方面,主要介绍X射线、光学以及近红外波段的观测研究进展。在相关理论模型方面,主要介绍远距离的脉冲星模型,物质与脉冲星磁层相互作用模型以及脉冲星磁层辐射带模型等研究进展。最后将对射电暂现源观测研究进行总结与展望。