氢原子钟的频率驾驭算法研究

以氢钟作为主钟系统的频率源,可产生短期稳定度更好的本地时间UTC(k),氢钟通常具有频率漂移效应,这使得氢原子钟的长期稳定度随着时间的推移不断降低,进而影响UTC(k)的稳定度与准确度.为解决这一问题,比较分析了氢钟和铯钟的性能,改进了氢钟参与时间尺度计算的算法,并提出了基于主钟为氢钟的频率驾驭算法.通过搭建试验系统,编制相关的软件,对该算法进行了检验.测试结果表明当氢钟参与原子时计算时,可有效改善参考时间尺度的短期稳定度,同时主钟频率源为氢钟比主钟频率源为铯钟产生的本地时间UTC(k)具有更好的短期频率稳定度.     

主钟的频率驾驭算法研究

各时间实验室产生的标准时间UTC(k)是UTC(协调世界时)在各时间实验室的物理实现.为了更好地驾驭主钟系统,使得主钟系统输出时间与标准时间UTC的偏差尽可能地小,且主钟系统输出的信号满足好的短、长期稳定度,因此提出了一种新的驾驭算法,并编制了相应的软件,自动定时计算给出相位微调仪的调整量,从而使频率驾驭后的主钟系统输出时间与标准时间UTC的偏差控制在较小的相位偏差范围内,并尽量不影响其稳定度.测试结果表明了新的主钟频率驾驭算法可以实现相位偏差保持在±15 ns之内,并且在保证不降低UTC(k)长期稳定度的前提下,可以提高它的短期稳定度.     

基于脉冲星的星载钟时间修正算法研究

讨论了一种对长期在轨运行的星载钟的钟差进行修正的方法,该方法以导航用毫秒脉冲星作为高稳定度频率源,采用卡尔曼最优估计算法对星载钟进行控制。仿真计算表明,该方法可以有效提高星载钟的长期频率稳定度,增强星载钟的长期自主运行能力。     

SOHM型氢钟在国家授时中心的运行情况分析

上海天文台研制的型号为SOHM-3和SOHM-4的3台氢原子钟在中国科学院国家授时中心(NTSC)已经运行了一年多时间。收集了每个氢原子钟与NTSC主钟的时间比对数据。数据的分析结果给出了这几台氢钟在不同采样间隔上的频率稳定度,也显示出1台氢钟明显的相位跳变,讨论了这种相位跳变的原因。比较了这3台氢钟和从美国进口的Symmetricom公司制造的氢钟的频率稳定度的温度变化效应,指出了上海天文台研究制的氢钟存在的主要问题。     

主动型氢原子钟性能监测及评估方法研究

主动型氢原子钟是时间尺度建立和保持的主要频率源,具有短期稳定度高及相位噪声低等特性,目前在国际原子时TAI (International Atomic Time)及各地方时间尺度中的作用日益重要.首先结合主动型氢原子钟内部状态参数,分析状态参数与氢原子钟比对数据的相关性,提出了氢原子钟性能监测方法.其次,针对氢原子钟性能特点,在衡量氢原子钟性能最主要的两方面,即频率稳定度及"可预测性"方面,给出了氢原子钟性能评估方法,并利用该方法对目前国际通用的两种主动型氢原子钟(CH1-75型及MHM-2010型)进行性能评估.原子钟状态参数与比对数据联合分析结果表明,状态参数监测可以有效预报钟性能的变化.原子钟频率稳定度及"可预测性"评估结果表明,中、长期稳定度越高的原子钟"可预测性"也越好. BIPM (Bureau International des Poids et Measures)权重验证结果表明,基于BIPM公布数据以及基于2次模型两种预报方法计算出来的钟"可预测性"均与BIPM公布的权重相吻合,可以作为钟"可预测性"的定量评估方法.     

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。     

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。     

脉冲星时稳定度及可能应用

给出了毫秒脉冲星长期计时观测最新结果和脉冲星时与原子时频率稳定度的比较。指出脉冲星时频率稳定度的提高受到计时观测误差的限制,讨论了提高毫秒脉冲星计时观测精度的方法。随着脉冲星计时阵的实施,脉冲星时的应用已为期不远。可能的应用包括毫秒脉冲星与原子钟结合守时、建立综合脉冲星时和用脉冲星计时阵检测原子时误差等方面。     

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。     

SOHM-4型氢原子钟的设计改进与初步性能

氢原子钟是一种最稳定的 (除极短测量时间间隔之外 )频率标准 ,但是环境温度变化及微波谐振腔老化会引起原子钟输出频率的变化 ,从而导致氢原子钟长期性能变差。为了减小这些影响 ,可借助一种自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上 ,并采用新的温度控制系统来改善氢原子钟的长期性能。针对这些年来许多氢钟出现的有关问题 ,上海天文台在借鉴国外氢钟实验室经验的基础之上 ,对原有氢钟进行了技术改造 ,并为国家授时中心研制了SOHM - 4型氢原子钟。对该型氢原子钟技术改造特点作了介绍 ,并给出了期望的性能指标及初步的测试结果     

Research on the Methods of Performance Monitoring and Evaluation for Active Hydrogen Maserstwo

Active hydrogen maser is the main frequency standard for establishing and maintaining the time scale. It has the characteristics of high short-term stability and low phase noise. At present, it plays an increasingly important role in the international atomic time (TAI) and various local time scales. Firstly, in combination with the internal state parameters of an active hydrogen maser, the correlation between the internal state parameters and the comparison data of a hydrogen maser is analyzed, and a method for the performance monitoring of a hydrogen maser is proposed. Secondly, according to the characteristics of hydrogen maser performance, a method for evaluating the performance of a hydrogen maser is given. The hydrogen maser performance includes mainly two aspects, namely the frequency stability and predictability. The performances of two types of active hydrogen masers (CH1-75 and MHM-2010) are evaluated by this method. The correlation analysis of the atomic clock state parameters and comparison data shows that the state parameter monitoring can effectively predict the variation of the hydrogen maser performance. The evaluation results of atomic clock frequency stability and predictability show that the atomic clock with a higher medium-and-long term frequency stability has a better predictability. There are two methods for the predictability evaluation, one is based on the data published by BIPM (Bureau International des Poids et Measures), and another one is based on the quadratic model. Both methods are consistent with the weights published by BIPM. Therefore, the two methods can be used as a quantitative method to evaluate the predictability of a hydrogen maser.     

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.     

Research on Ensemble Pulsar Time Based on Observed Data

The applications of pulsar timing to several important aspects are introduced and a skeletal definition of the pulsar time scale is given. By taking advantage of the observational timing data of millisecond pulsars obtained at the Parkes Astronomical Observatory, Australia, the ensemble pulsar time based on 4 millisecond pulsars is built up, the comparison of its stability σz, with that of the atomic time is made, and finally a few of important factors which affect the ensemble pulsar time, as well as their influences on the pulsar timing accuracy and application are analyzed.     

被动型氢钟流量变化对长期频率稳定度的影响分析

为提高系统的长期频率稳定度(它是被动型氢钟的一个重要指标),设计了一种实验,用以分析在不同微波腔谐振频率下,氢气流量变化对输出频率的影响。通过实验发现微波腔的控制电压存在一个调谐点,在调谐点附近,流量变化对输出频率的影响变小。但是对于单频系统,如何将微波腔锁定在调谐点附近以及如何减小流量的影响和提高系统的长期频率稳定度还需要进一步探索。     

The Experiment and Analysis on VLBI Observations of Space Passive Hydrogen Maser

China plans to establish a lunar orbital VLBI (Very Long Baseline Interferometer) station around 2025, which will carry a space passive hydrogen maser as the time and frequency reference. Since it is the first time to use a space passive hydrogen maser for VLBI observation, its feasibility needs to be studied and verified. Therefore, we carried out VLBI observations using the space passive hydrogen maser as the frequency reference. In the experiment, the active hydrogen atomic clock and space passive hydrogen maser were used as the frequency standard, and the alternate VLBI observations of China’s Mars probe TW1 (Tianwen 1) were carried out using the 25 m radio telescope at Sheshan, Shanghai, and other VLBI stations. The results of data processing and analysis show that the standard deviation of VLBI residual group delay based on both active hydrogen atomic clock and space passive hydrogen maser are within 0.5 ns, which indicates that the space passive hydrogen maser can meet the accuracy requirements of VLBI measurement for deep space exploration, and verify its feasibility as the frequency standard of lunar orbital VLBI stations.     

星载氢钟VLBI观测实验及分析

中国计划于2025年左右建立月球轨道VLBI (Very Long Baseline Interferometer)测站,将会搭载被动型星载氢钟作为时间频率标准.由于是首次在VLBI观测中使用星载氢钟,需要研究和验证其可行性.因此,利用星载氢钟作为频率基准开展了VLBI观测.实验时,分别使用主动型地面氢钟和被动型星载氢钟作为频率基准,利用上海天文台佘山25 m射电望远镜和其他测站对我国火星探测器天问一号进行了交替VLBI观测.数据处理分析结果表明,基于地面氢钟与星载氢钟的VLBI残余群时延标准差均在0.5 ns以内,表明星载氢钟可满足深空探测VLBI测定轨的精度要求,验证了其作为月球VLBI测站频率基准的可行性.     

Low-frequency flux-density measurements and spectral features of millisecond pulsars

Radio flux-density measurements for a large sample of millisecond pulsars at a low frequency of 102 MHz are presented. Using higher frequency measurements, we construct their spectra in the frequency range from 102 MHz to 4.8 GHz, the widest one studied to date. The spectra of millisecond and normal pulsars have been found to differ. The spectra of millisecond pulsars have no low-frequency turnover typical of normal pulsars. The absence of a low-frequency turnover in the spectrum suggests that the emitting regions of millisecond and normal pulsars differ in geometry, which we interpret by deviation of the magnetic field from a dipole one or by compactness of the emitting region.