一种GCRS下Λ型双向频率传输的高精度相对论模型

高精度时频信号传递是现代物理学、天文学和计量科学所需要的重要技术.要实现空间高精度时频传递必须考虑相对论效应的影响.在IAU(国际天文学联合会)2000决议提出的相对论天文参考架下,结合当今国内外微波和激光链路传递技术,考察了在信号传递过程中涉及到的相对论效应,在地心天球坐标系下提出了超高精度的相对论理论模型(1/c~4量级),可用于未来高精度频率传递试验.并在该频率不确定度的前提下结合实例对定轨精度、信号转发间隔等技术指标给出了约束条件,对于国内未来空间超高精度时频传递以及开展相关的科研任务具有较重要的参考和应用价值.     

欧洲空间原子钟组ACES与超高精度时频传递技术新进展

高精度时间频率的产生和超高精度时频信号的传递是现代物理学、天文学和计量科学的基础。空间原子钟组计划(Atomic Clock Ensemble in Space,ACES)是由欧洲空间局实施的基于国际空间站(International Space Station,ISS)微重力环境下的新型空间微波原子钟实验验证项目。概要介绍ACES项目基本情况,重点介绍ACES项目的主要科学和技术目标,围绕科学目标而形成的ACES组成结构,并梳理涉及的关键技术,特别介绍了ACES将应用的超高精度时频传递技术,为我国自主研究并实现相关空间时间频率系统及其应用提供参考。最后简述了我国正在建设的空间站时频系统主要情况和实施计划。     

天文地球动力学中的相对论效应

天文地球动力学利用空间与地面观测手段 ,监测和研究地球整体与各圈层的物质运动以及它们间的相互作用 ,这都离不开广义相对论涉及的时间与空间。随着空间对地观测精度的提高 ,为了充分利用高精度观测提供的信息 ,在天文地球动力学的研究中必须考虑相对论效应。所涉及的相对论效应包括 :( 1 )相对论参考系的建立 ,( 2 )在恰当的参考系中对观测者和被观测对象的相对论运动方程 (平动和自转 )的描述 ,( 3 )观测者和被观测对象间的电磁信号传播 ,( 4 )依赖于坐标选择的结果与具有物理意义的可观测量间的转换 ,( 5)某些基本概念与定义在广义相对论框架下的重新确认。本文对天文地球动力学中的这些相对论效应作了简要的评述。     

50 m 射电望远镜的时间标准问题的讨论

定量分析了原子钟的时间频率特性产生的守时时差,估算了原子时频标准的守时时差对有关物理量测量所产生的影响．给出了现代实用型原子钟的性能指标比较表,和用现代无线电手段传递、比对时频标准信号达到的指标．论述了高精度时间频率标准在大地、深空间探测、VLBI及毫秒脉冲星计时应用测量中的重要地位、作用．阐述了50 m射电望远镜的科学目标、“嫦娥”1号探月卫星任务对时间标准提出的高精度要求和选用原则．为了实现其科学目标和任务,必须建设与其研究目标相适宜的、标准尽可能高的原子时频标准,才能获得高质量的数据信息和高效能的研究成果．并对建设怎样的时间标准等问题进行讨论和提出具体建议．     

时频测量中的相对论效应

目前,实验室所用的原子钟和频率标准的稳定度,比在不同引力势的地方进行时频测量时所要求的相对论改正量要高得多。因此,在高精度(准确度和稳定度接近10~(-13)量级)时频测量中,需要考虑相对论效应改正。这已经不仅是理论概念问题,而是实际应用的需要,特别对空间技术的应用尤其如此。因为在那里将遇到很大的相对速度和不同于地球表面的引力势。本文将简要介绍同时频测量有关的一些相对论概念和改正公式。     

天文地球动力学中的相对论效应

天文地球动力学利用空间与地面观测手段，监测和研究地球整体与各圈层的物质运动以及它们间的相互作用，这都离不开广义相对论及的时间与空间。随着空间对地观测精度的，为了充分利用高精度观测提供的信息，在天文地球动力学的研究中必须考虑相对论效应。所涉及的相对论效应包括：（1）相对论参考系的建立，（2）在恰当的参考系中对观测者和被观测对象的相对论运动方程（平动和自转）的描述，（3）观测者和被观测对象间的电磁信号传播，（4）依赖于坐标选择的结果与具有物理意义的可观测量的转换，（5）某些基本概念在定义在广义相对论框架下的重新确认。本文对天文地球动力学中的这些相对论效应作了简要的评述。     

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。     

高精度GPS时间传递测定和校准原子钟频率偏差

描述了高精度GPS时间传递进行原子钟频率偏差测定和校准的方法,并介绍了上海天台氢原子钟频率偏差的测试结果,同时比较了两种不同定时接收机（精密的和轻便的）确定原子钟频率偏差的长期测频能力。采用合适的数据处理方法,可以减少SA效应的影响,提高长期测频精度2－4倍,精密GPS定时接收机在1－30天内的校频水平为1.5×10^-13－1.0×10^-14 ,轻便GPS定时接收机在1－10天内的校频水平为2×10^－12－2×10^－13。     

关于使用VFC技术测频的浅析

目前,我们有可能利用 VF 转换技术进行高精度的频率测量,如果把经典比相方法和该技术结合起来,则相位显示的精度将能得到较大的提高,因而频率计数器的±赫误差可被忽略。正因为如此,该方法可进一步扩展经典比相技术的测频精度,所以,这种方法有可能适用于现代原子频标的高精度频率测量。本文讨论了一些有关把检相电压转换为频率以用于测频的有关问题,诸如该方法的基本关系式。主要误差项韵分析和讨论,这又包括了 V—F 转换器件的非线性误差及相位比较系统的噪声电压 Vn,以及系统可能达到的测频灵敏度和该方法的有关一些技术问题。     

一种单站精确测量通信卫星本振频率的方法

星载振荡器频率的测量对利用通信卫星进行标准时间和频率传递有重要的意义,测量的难点是多普勒频移的处理。提出了一种只需要一个地面站而不需要定轨系统就可以精密测量卫星本振频率的方法。根据卫星两个下行信号的频差与多普勒频移的关系,可以计算得到卫星相对于主控站的径向速度。然后测量其中一个下行频率后,就能计算星载振荡器的频率值。实际测量结果表明,这种方法的测量精度优于2.4×10-10。     

临界曲线附近的微引力透镜效应模拟

在光滑物质分布模型下,临界曲线是强引力透镜系统中像平面上一条放大率为无穷的线,而考虑少量离散质量的微透镜效应后,源平面上的放大率分布会出现复杂的结构,为暗物质成分的探测提供了一种有效途径.模拟临界曲线附近微透镜效应存在临界曲线上放大率无穷大和计算量巨大的困难.要达到所需的模拟精度,直接使用传统的光线追踪算法需要巨大的计算资源.为此发展了一个能实现海量计算的Graphics Processing Unit (GPU)并行方法来模拟临界曲线附近的微引力透镜效应.在型号为NVIDIA Tesla V100S PCIe 32 GB的GPU上,对于需要处理13000多个微透镜天体、发射1013量级光线的模拟,耗时在7000 s左右.在GPU并行的基础上,与直接的光线追踪算法相比,插值近似的引入使计算速度提升约两个数量级.利用该方法生成80个放大率分布图,并从中抽取800条光变曲线,进行了微焦散线数密度和峰值放大率的统计.     

ICRF与Gaia-CRF参考架特性分析

天体测量学是天文学中最古老的分支之一, 它是天文学的基础, 对天体物理学和大地测量学的许多方面至关重要.天体测量学的核心任务之一就是建立一个高精度天文参考系, 以便利用这样的惯性参照系来描述天体的位置和运动、研究银河系的运动学特征及对同一天体在不同波段的对应体进行位置认证和比较.当前的天文参考系是参照银河系外天体(主要是活动星系核)的位置来定义的, 称为国际天球参考系(ICRS).在实测上, 与之相对应的基本星表为国际天球参考架(ICRF), 它由甚长基线干涉测量(VLBI)技术在S/X、K和X/Ka波段的观测资料解算而得, 位置精度达到数十微角秒($\mathrm{\mu as}$)水平.另一方面, Gaia卫星的观测也将在光学波段建立类似精度的光学参考架(Gaia-CRF).ICRF与Gaia-CRF的连接成为天体测量领域需要解决的重大问题之一, 这要求对ICRF与Gaia-CRF参考架特性进行细致深入的分析. 首先, 分析了ICRF的整体特性.VLBI星表的内部符合精度估计值在$\mathrm{10\mu as}$和$\mathrm{40\mu as}$之间, 依赖于射电源的观测次数.这一结果一方面验证了ICRF3星表给出的位置噪声水平, 也说明了VLBI技术在天体测量方面的潜力.利用Gaia的河外源位置为参考, 分析了历代ICRF星表的外部符合精度, 指出ICRF3 X/Ka波段参考架存在约$\mathrm{200\mu as}$的系统误差.最后, 发明了一种评估射电源全天分布均匀性的量化指标并改进了ICRF定义源筛选策略, 结果表明相较于ICRF2而言, 这一方法能将ICRF轴指向稳定性提高2至3倍.这些工作很好地解释并补充了国际上ICRF3工作组的相关结果. 其次, 研究Gaia-CRF的参考架性质.使用了相对于依巴谷参考架的全局旋转和结合银河系动力学分析两种方法来评估Gaia-CRF1的惯性水平, 指出Gaia-CRF1可能存在约$\mathrm{0.3mas\cdot yr^{-1}}$的剩余旋转.对于Gaia-CRF2, 研究了其系统精度与河外源样本极限星等的依赖关系, 发现Gaia-CRF2的整体精度几乎不受星等差的影响.这一结果可作为未来ICRF与Gaia-CRF连接源选择的参考. 活动星系核的光学-射电位置差是影响参考架连接精度的重要因素之一.本文首次将光学-射电位置差研究延伸到K和Ka波段, 并研究其与河外源性质参数的相关性, 发现: 光学-射电位置差与星等的相关性是由于星等差而非真实的物理原因造成的, 因此在前人工作中被忽略的暗源也有可能作为ICRF与Gaia-CRF连接源.此外, 本文提出了一种新的参考架连接方法, 即在Gaia-CRF2框架下重新处理VLBI的历史观测资料.先期结果发现使用Gaia-CRF2来替代ICRF3尚不足以显著提高VLBI产品的精度, 但未来在Gaia-CRF参考架精度进一步提高后, 此方法仍值得进一步检验. 本文的研究, 一方面指出了ICRF与Gaia-CRF参考架中可能存在的种种问题, 另一方面也为将来光学与射电参考架连接提供了第一手的参考资料.     

基于光学辅助指向测量的太赫兹望远镜指向误差模型研究

针对太赫兹波段天文点源目标较少, 指向测量相对困难的特点, 研究了利用与太赫兹天线共轴的小型光学望远镜来辅助太赫兹望远镜指向测量以及建立指向误差修正模型的方法. 依托紫金山天文台1.2 m斜轴式太赫兹天线开展了光学辅助指向测量的实验研究, 利用一台安装在天线背架上的100mm口径折射式光学望远镜获得了优于2$''$的指向测量精度. 此外, 通过对斜轴天线的结构分析以及大气折射和本地恒星时(Local Sidereal Time, LST)偏差等误差来源的分析, 建立了包含23个误差项的斜轴式光学指向修正模型, 实现了约3$''$的拟合精度. 最后, 借助高精度数字摄影测量对光电轴一致性进行了标定, 并针对其对指向模型精度的影响进行了讨论. 研究成果将为南极5 m太赫兹望远镜(The 5m Dome A Terahertz Explorer, DATE5)及其他太赫兹望远镜提供指向测量和指向修正模型方面的技术参考.     

一种转发式卫星授时新方法

为了减少对GPS提供的高精度授时服务的依赖,建设拥有自主知识产权的且具有投入成本低、精度高的授时系统。提出了一种利用地面高稳定度原子钟作为时频基准,通过通信卫星转发实现卫星广播授时的新方法。详细研究了利用地面高稳定度原子钟和通信卫星组成的导航星座进行多星授时、单星授时的原理和测量方法,分析研究了影响授时精度的原因。由于转发式卫星授时系统的时频基准源稳定度高,其测距精度也会相应的提高。只要精确扣除时延误差,同样可以实现高精度授时。粗码的授时精度可达20ns以内,短精码的授时精度可达10ns左右。总之该系统具有组建灵活简便、应用面广等优势和特色。     

时间尺度的分域递推模型

建立时间尺度是时间测量的目的之一．实时原子时则要求对时间尺度进行必要的预测．小波分析是近年来迅速发展起来的一门学科,它可以对信号在不同的分辨率下进行分析,凡是传统的Fourier分析可以应用的地方,小波分析都可以得到应用．基于小波分析建立了一种时间尺度分域递推模型,这种方法既不同于ARMA（p,q）模型,又有别于卡尔曼滤波方法．ARMA模型要求过程是平稳随机的,而卡尔曼滤波方法虽然不要求过程是平稳的,但它预测的精度有限．分城递推模型将信号在不同的频率尺度进行正交分解,在各个尺度上对小波变换系数进行建模．最后根据陕西天文台守时实验室的实测数据,验证了分域递推模型,ARMA模型一步预测误差10ns,而分域递推模型五步预测误差平均为4．5ns．结果表明这种方法简单而切实可行,分域递推模型的预测精度优于其它方法．     

On the content of cold electrons in blazar and microquasar jets

We explore the possibility of determining the corpuscular composition of the plasma in the relativistic jets of blazars and microquasars from data on the polarization and intensity of their radio synchrotron emission. We have constructed a universal diagram that allows the relative content of nonrelativistic electrons to be established in specific objects using information about their frequency spectra and polarization at individual frequencies. As a result, we have found that the electron plasma component in the jets of the blazars 3C 279 and BL Lac is relativistic. In the jets of the microquasar GRS 1915+105, the cold plasma density may be comparable to or considerably higher than the relativistic particle density.     

On the effect of the distribution function of the injected or formed relativistic particles on the frequency spectra of the radio sources

In the present paper a model of the cosmic radio source with plasma, relativistic electrons and chaotic magnetic fields is considered. It is assumed that the energy changes of relativistic electrons which are due to spontaneous scattering on the transverse and Langmuir plasmons take place in this radio source. For such a radio source the kinetic equation has been solved in the presence of the injected or formed secondary electrons and the frequency spectrum has been obtained.     

Lead angles and emitting electron energies of Io-controlled decameter radio arcs

The Io-controlled radio arcs are emissions in the decametric radio range which appear arc shaped in the time-frequency plane. Their occurrence is controlled by Io's position, so it has been for long inferred that they are powered by the Io-Jupiter electrodynamic interaction. Their frequency ranges correspond to the electron cyclotron frequencies along the Io Flux tube, so they are expected to be generated by cyclotron maser instability (CMI). The arc shape was proposed to be a consequence of the strong anisotropy of the decametric radio emissions beaming, combined with the topology of the magnetic field in the source and the observation geometry. Recent papers succeeded at reproducing the morphologies of a few typical radio arcs by modeling in three dimensions the observation geometry, using the best available magnetic field model and a beaming angle variation consistent with a loss-cone driven CMI. In the continuation of these studies, we present here the systematic modeling of a larger number of observations of the radio arcs emitted in Jupiter's southern hemisphere (including multiple arcs or arcs exhibiting abrupt changes of shape), which permits to obtain a statistical determination of the emitting field line localization (lead angle) relative to the instantaneous Io field line, and of the emitting particle velocities or energies. Variations of these parameters relative to Io's longitude are also measured and compared to the location of the UV footprints of the Io-Jupiter interaction. It is shown that the data are better organized in a reference frame attached to the UV spot resulting from the main Alfvén wing resulting from the Io-Jupiter interaction. It is proposed that the radio arcs are related to the first reflected Alfvén wing rather than to the main one.     

附有周期项的预报模型及其在GPS卫星钟差预报中的应用研究

为了有效进行GPS卫星钟差预报和更好地反映卫星钟差特性,除了考虑卫星原子钟频移、频漂和频漂率等物理性质外,还应考虑到卫星钟差的周期性变化特点.在二次多项式模型基础上,增加了周期项因素,构造了新的预报模型.选取部分GPS卫星铯钟(Cs.clock)和铷钟(Rb.clock)钟差资料,根据钟差变化趋势分3种情况,按不同时间长度进行钟差预报分析,并与二次多项式模型的预报结果比较分析,大量数据分析表明:附有周期项的二次多项式模型预报精度优于二次多项式模型,铷钟预报精度略优于铯钟.