一种月基脉冲星时间基准生成系统技术方案

本发明专利技术公开了一种月基脉冲星时间基准生成系统，该系统放置于月球表面，该系统包括：月基X射线脉冲星观测设备、原子钟组、时间数据融合设备；其中，所述月基X射线脉冲星观测设备用于采集记录X射线脉冲星的脉冲到达时刻，并将其转换为脉冲星时；所述原子钟组用于提供原子钟时；所述时间数据融合设备用于将脉冲星时与原子钟时进行组合，生成月基脉冲星时间基准。本发明专利技术的月基脉冲星时间基准生成系统大大降低了X射线脉冲星信号接收设备的复杂性，同时提高了工作性能；将脉冲星时和原子钟时进行组合，使两种时间系统优势互补，取长补短，充分发挥了脉冲星时长期稳定性好和原子钟时短期稳定性好的优点，同时克服了二者的缺点。

A time reference generation system for lunar pulsar

【技术实现步骤摘要】
一种月基脉冲星时间基准生成系统
本专利技术涉及天文测量及导航领域，特别涉及一种月基脉冲星时间基准生成系统。
技术介绍
时间基准体系是一个国家重要的技术支撑，可广泛应用于空间探测、深空导航和精准授时等军事和民用领域。随着天文学、物理学等自然科学学科的发展，对于时间基准体系的稳定性和系统抗干扰性提出了越来越高的要求。现有的时间基准体系是以高精度原子钟为核心进行构建，系统存在长期稳定性不好，容易受干扰和维护成本高的问题，因此，亟需开展新型时间基准技术的研究。脉冲星(Pulsar)，又称波霎，是中子星的一种，为会周期性发射脉冲信号的星体，直径大多为10千米左右，自转极快。1967年7月，剑桥大学的博士生JocelynBell首次发现脉冲星，从此改变了人类对宇宙的看法，也给人类带来了一种新的时间概念—脉冲时。毫秒脉冲星年龄都比较老，典型年龄为109年，辐射流量较弱，但固有的内部扰动很小，自转十分稳定，脉冲轮廓很陡且规则，其基本特征有：1、毫秒脉冲星的自转周期具有很好的稳定度；2、毫秒脉冲星能够连续长期自然地辐射信号，在太阳系的任何时间和地方，均可以通过对观测数据的处理来获得稳定的脉冲信号；3、毫秒脉冲星的脉冲TOA和脉冲星时均可用精确的数学模型表达，具备一般学科的数学描述特征；4、借助辅助装置可以使毫秒脉冲星时具有计数和显示特征。可见，毫秒脉冲星完全符合建立时间系统的基本条件，是理想的时间计量和频率标准源。其研究已经在相关科研机构进行开展。从1984年开始，美国、英国、澳大利亚、印度等国相继建立了脉冲星计时系统，特别是美国，其普林斯顿大学的脉冲星研究组利用Arecibo天文台的射电望远镜对PSRB1937+21和PSRB1855+09两颗毫秒脉冲星进行了长达10余年的观测，积累了大量的观测资料。2018年，ESA在荷兰的技术中心已开始运行基于脉冲星的时钟系统—“PulChron”系统，其利用欧洲的多个脉冲星射电定时阵列对空间毫秒脉冲星进行高精度观测，用于对原子钟的钟差进行高精度的修正以及寻找引力波存在的潜在证据。中国虽然起步晚，但世界第一大单口径射电望远镜FAST(Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope)的建成为中国在脉冲星计时领域赶超上述国家提供了非常有效的平台。考察目前国内外现有的脉冲星时间系统的实现方式，主要分为两大类，第一类是在地面，利用大口径射电望远镜接收射电波段的脉冲星辐射信号，通过一定的算法得到脉冲星时，再加以利用；第二类是将检测脉冲星辐射信号的设备搭载到卫星上，接收X波段的脉冲星辐射信号，通过一定算法得到脉冲星时。上述两大类实现方式有着各自的局限性：地面上接收脉冲星信号需要大口径射电望远镜，设备庞大；卫星上接收脉冲星信号时，对脉冲星信号监测设备的体积、重量、功耗等要求苛刻，另外，卫星的稳定性、卫星的姿态、周围的大气都对脉冲星接收信号影响大，不利于得到稳定、精确的脉冲星时。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决目前地月空间中缺乏稳定统一的时间基准的问题，从而提供一种月基脉冲星时间基准生成系统，为目前及未来人类在地月空间的探索活动提供时间基准。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种月基脉冲星时间基准生成系统，该系统放置于月球表面，该系统包括：月基X射线脉冲星观测设备、原子钟组、时间数据融合设备；其中，所述月基X射线脉冲星观测设备用于采集记录X射线脉冲星的脉冲到达时刻，并将其转换为脉冲星时；所述原子钟组用于提供原子钟时；所述时间数据融合设备用于将脉冲星时与原子钟时进行组合，生成月基脉冲星时间基准。上述技术方案中，所述月基X射线脉冲星观测设备包括：X射线光子探头、光子信息采集子系统、能源子系统、TOA数据处理子系统、脉冲星时转换模块；其中，所述X射线光子探头用于聚焦收集脉冲星微弱光子信号，然后对所收集的微弱光子信号做光电转换、信号提取及滤波成形，得到两路光子信号；所述光子信息采集子系统对一路光子信号做时间标记处理，并进行数字化采集，对另一路光子信号通过时标甄别判断，采集得到光子能量信息；由所述光子能量信息与带时间标记的光子信号生成X射线光子到达时间序列；所述TOA数据处理子系统用于对所述X射线光子到达时间序列的预处理、大尺度时空转换、轮廓折叠和与标准轮廓比对，输出脉冲到达时间TOA；所述脉冲星时转换模块用于将脉冲到达时间转换为脉冲星时；所述能源子系统用于实现对整个月基X射线脉冲星观测设备的供电。上述技术方案中，所述对所述X射线光子到达时间序列的预处理包括：将输入的X射线光子到达时间序列进行数据解码，对各个时段光子个数进行统计，如果某一时段光子数量剧增，去掉该段数据，将筛选后的数据作为最终的光子序列。上述技术方案中，所述大尺度时空转换包括：调用太阳系星历表和脉冲星数据库，将X射线光子到达时间序列进行包括Roemer延时和Shapiro延时的时间变换，从而将X射线光子到达时间由探测器本体坐标系下的原子钟记录时转换为太阳系质心坐标下的质心坐标时。上述技术方案中，所述轮廓折叠和与标准轮廓比对包括：将所有光子按照单个光子到达时间进行对齐排列，通过历元折叠得到脉冲轮廓，然后采用互相关法，将折叠所得到的脉冲轮廓与标准脉冲轮廓进行比对，得到脉冲到达时间TOA。上述技术方案中，所述将脉冲到达时间转换为脉冲星时包括：对所得的脉冲到达时间TOA进行参考框架变换，将其转换为太阳系质心坐标系中的脉冲到达时间TOA，并与由星历表所得的计时模型进行比对，获得计时残差，该残差一方面反馈、校准所述计时模型，另一方面对脉冲星时模型中包括频率漂移、尺度差异在内的误差项进行校准，同时结合对原子钟频率的日校准，对脉冲星时间的误差项进行更新，最后得到脉冲星时。上述技术方案中，所述时间数据融合设备将脉冲星时与原子钟时进行组合包括：首先，接收多个脉冲星时和多个原子钟时数据，将这些数据分别进行采样噪声预处理、滤波，再将脉冲星时数据做采样率均匀化；接着，将两种时间尺度转化到相同的参考尺度；然后对脉冲星时数据与原子钟时数据中的跳变值与异常值进行处理，包括一旦发现有跳变值或异常值，用上一时刻的预测值替代这一时刻的输入；再接着，计算不同源的艾伦方差，根据方差定义不同源的权重，再进行权重方程平滑，从而利用脉冲星时实现对原子钟的长期钟差进行校正；再然后，以相位、频率以及频率漂移作为状态向量进行卡尔曼滤波，得到组合时间尺度；每次滤波后对组合时和脉冲星时之差进行校准反馈；最后，去除常数频漂，输出组合时间，即月基脉冲星时间基准。本专利技术的优点在于：一方面，通过将脉冲星信号检测设备建立在月球表面，使接收X射线脉冲星信号设备的工作平台变得非常稳定，且对设备的体积、功耗等要求没有限制，大大降低了X射线脉冲星信号接收设备的复杂性，同时提高了工作性能；另一方面，将脉冲星时和原子钟时进行组合，使两种时间系统优势互补，取长补短，充分发挥了脉冲星时长期稳定性好和原子钟时短期稳定性好的优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种月基脉冲星时间基准生成系统，其特征在于，该系统放置于月球表面，该系统包括：月基X射线脉冲星观测设备、原子钟组、时间数据融合设备；其中，/n所述月基X射线脉冲星观测设备用于采集记录X射线脉冲星的脉冲到达时刻，并将其转换为脉冲星时；所述原子钟组用于提供原子钟时；所述时间数据融合设备用于将脉冲星时与原子钟时进行组合，生成月基脉冲星时间基准。/n

【技术特征摘要】
1.一种月基脉冲星时间基准生成系统，其特征在于，该系统放置于月球表面，该系统包括：月基X射线脉冲星观测设备、原子钟组、时间数据融合设备；其中，
所述月基X射线脉冲星观测设备用于采集记录X射线脉冲星的脉冲到达时刻，并将其转换为脉冲星时；所述原子钟组用于提供原子钟时；所述时间数据融合设备用于将脉冲星时与原子钟时进行组合，生成月基脉冲星时间基准。


2.根据权利要求1所述的月基脉冲星时间基准生成系统，其特征在于，所述月基X射线脉冲星观测设备包括：X射线光子探头、光子信息采集子系统、能源子系统、TOA数据处理子系统、脉冲星时转换模块；其中，
所述X射线光子探头用于聚焦收集脉冲星微弱光子信号，然后对所收集的微弱光子信号做光电转换、信号提取及滤波成形，得到两路光子信号；
所述光子信息采集子系统对一路光子信号做时间标记处理，并进行数字化采集，对另一路光子信号通过时标甄别判断，采集得到光子能量信息；由所述光子能量信息与带时间标记的光子信号生成X射线光子到达时间序列；
所述TOA数据处理子系统用于对所述X射线光子到达时间序列的预处理、大尺度时空转换、轮廓折叠和与标准轮廓比对，输出脉冲到达时间TOA；
所述脉冲星时转换模块用于将脉冲到达时间转换为脉冲星时；
所述能源子系统用于实现对整个月基X射线脉冲星观测设备的供电。


3.根据权利要求2所述的月基脉冲星时间基准生成系统，其特征在于，所述对所述X射线光子到达时间序列的预处理包括：将输入的X射线光子到达时间序列进行数据解码，对各个时段光子个数进行统计，如果某一时段光子数量剧增，去掉该段数据，将筛选后的数据作为最终的光子序列。


4.根据权利要求2所述的月基脉冲星时间基准生成系统，其特征在于，所述大尺度时空转换包括：调用太阳系星历表和脉冲星数据库，将X射线光子到达时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：平劲松，王兆瑞，张辰东，李文潇，王明远，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：北京;11