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.

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1 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

2 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。

3 脉冲星时间标准研究进展

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6 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

7 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

8 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

9 PPTA脉冲星时观测研究成果：

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11 PPTA脉冲星时观测研究成果： 11

12 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

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

14 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。

15 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。

16 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

17 谢谢！