恭贺王先生九十华诞！ 脉冲星时间标准及应用研究进展 杨廷高 中科院国家授时中心

王先生在“2000年哈纳斯脉冲星观测与研究”会议文集的序中写到： “毫秒脉冲星以其极其稳定的脉冲周期（包含极其稳定的周期变化率改正）可望用于监测(和改正）原子时的长期稳定度（一个时间基准的长期稳定度是它作为基准的基本特征）。” “进行毫秒脉冲星脉冲到达时刻的常规、持续、系统的多星测量相当于产生一种脉冲星时。当前，建立和不断改善脉冲星钟的努力正处在一个学科交叉点上：（1）时间计量学前沿上的交叉：引进脉冲星时，以达到与原子时同时发展、交叉比对的新格局。” 早在1997年王先生已有这种思想，并提出建立50米射电望远镜，在国家授时中心开展脉冲星时观测和研究工作。

脉冲星时间标准研究进展

90年代后期开始脉冲星计时阵观测 脉冲星计时阵：对选定的一组脉冲星按照既定 观测程序进行长期计时观测 计时阵观测方案根据科学目标设计 脉冲星计时阵是建立脉冲星时间标准和脉冲星 时空参考架的有效观测方法 观测目标包括导航用脉冲星和毫秒脉冲星 导航脉冲星：建立并保持脉冲星时空参考架 毫秒脉冲星：建立并保持脉冲星时间标准 观测方案：观测波段、积分时间、观测周期 应考虑两个以上波段的同时观测等

目前国际上的脉冲星计时阵项目 三者共观测40颗毫秒脉冲星，其中30颗TOA精度好于1us European Pulsar Timing Array (EPTA) Radio telescopes at Westerbork, Effelsberg, Nancay, Jodrell Bank, (Cagliari) Normally used separately, but can be combined for more sensitivity High-quality data (rms residual < 2.5 ms) for 9 millisecond pulsars North American pulsar timing array (NANOGrav) Data from Arecibo and Green Bank Telescope High-quality data for 17 millisecond pulsars Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) Data from Parkes 64m radio telescope in Australia High-quality data for 20 millisecond pulsars 三者共观测40颗毫秒脉冲星，其中30颗TOA精度好于1us

A Pulsar Timing Array (PTA) With observations of many pulsars widely distributed on the sky can in principle detect a stochastic gravitational wave background Gravitational waves passing over the pulsars are uncorrelated Gravitational waves passing over Earth produce a correlated signal in the TOA residuals for all pulsars Requires observations of ~20 MSPs over 5 – 10 years; could give the first direct detection of gravitational waves! A timing array can detect instabilities in terrestrial time standards – establish a pulsar timescale Can improve knowledge of Solar system properties, e.g. masses and orbits of outer planets and asteroids Idea first discussed by Hellings & Downs (1983), Romani (1989) and Foster & Backer (1990) 8

PPTA脉冲星时观测研究成果：

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PPTA脉冲星时观测研究成果： 11

TT(BIPM11)-TAI 从1994至2011年TAI漂移达到5us 上图：TT(BIPM11)与TAI差异 下图：拟合并消除二次多项式后的结果

PPTA脉冲星时研究成果：PPTA11-TAI 和 TT(BIPM2011)-TAI

初步结论： 脉冲星计时阵观测能够检测到原子时TAI的系统误差，得到的脉冲星时系统精度可与TT(BIPM2010)相比； 多个脉冲星计时阵的综合可获得更高精度的脉冲星时系统（共约40颗毫秒脉冲星，30颗精度好于1us)； 未来大设备（FAST、SKA等）观测精度进一步提高，能观测的毫秒脉冲星数量大大增加（几百颗）； 应用脉冲星能够实现各类空间飞行器自主导航，更适用于深空探测飞行器自主导航应用。 2012年在北京举行的IAU大会，DIVISION 1 决定并建立 “Pulsar Time Scale”工作组，开展脉冲星时应用研究。

建议： 未来，脉冲星时的应用将改变国际上时间服务格局；脉冲星导航成为未来深空飞行器自主导航的发展方向。 建议从国家需求出发逐步建立我国脉冲星时系统； 目前，FAST和其它射电望远镜建立为我国脉冲星时及其应用研究奠定了基础；应该继续重视基础设施建设； 应该深入开展脉冲星时及其应用的研究工作，包括脉冲星计时观测、脉冲星守时理论方法和脉冲星导航应用研究等； 加强该领域人才队伍建设。

导航用脉冲星时空参考架 脉冲星导航基本方程（只含一阶项）： 航天器时间已知，精确定位 航天器位置已知，精确定时 利用X射线脉冲星脉冲到达航天器时间TOA观测确定航天器相对太阳系质心的三维坐标 脉冲星导航基本方程（只含一阶项）： 航天器时间已知，精确定位 航天器位置已知，精确定时

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