關(guān)于脈沖星時(shí)定義的初步探討

何婷，鄭勇

關(guān)于脈沖星時(shí)定義的初步探討

何婷，鄭勇

（中國(guó)人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)，鄭州 450001）

毫秒脈沖星作為新發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定頻率源，為新的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生奠定了物理基礎(chǔ)?；诤撩朊}沖星自轉(zhuǎn)周期建立的脈沖星時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)，對(duì)人類拓展時(shí)間計(jì)量及應(yīng)用的時(shí)空維度，提升時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)精度、安全性等方面具有重要意義。目前學(xué)術(shù)界對(duì)脈沖星時(shí)的研究主要集中在如何通過長(zhǎng)期的脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖星計(jì)時(shí)模型的持續(xù)修正和精化。從嚴(yán)格意義上說(shuō)，脈沖星時(shí)尚未有一個(gè)明確、完整的定義。這既不利于對(duì)脈沖星時(shí)的科學(xué)理解和研究，也不利于其時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化建立及維持與應(yīng)用。為此，論文在回顧總結(jié)現(xiàn)有時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)定義及其發(fā)展的基礎(chǔ)上，依據(jù)時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)定義的基本慣例，遵循獨(dú)立性、可測(cè)性、穩(wěn)定性、一致性、可復(fù)制性和可用性原則，提出了脈沖星時(shí)的初步定義，包括脈沖星時(shí)起點(diǎn)、秒長(zhǎng)的定義等；探討了脈沖星鐘設(shè)計(jì)及脈沖星時(shí)建立、維持與應(yīng)用的初步思路。本文內(nèi)容只是個(gè)人觀點(diǎn)，希望能為脈沖星時(shí)的定義提供參考，為脈沖星鐘的研制提供新的角度和思路。

時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；原子時(shí)；脈沖星時(shí)；脈沖星時(shí)定義

0 引言

時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的選擇和定義，是人類認(rèn)知時(shí)間、應(yīng)用時(shí)間的重要依據(jù)。我國(guó)西漢古籍《淮南子》中就有：“天設(shè)日月，列星辰，調(diào)陰陽(yáng)，張四時(shí)”的論述。太陽(yáng)和月亮的視運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)為一種恒常的、循環(huán)往復(fù)的周期現(xiàn)象，古人在對(duì)日、月等天象及其運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期觀察中體悟到了不可見的時(shí)間，也由此誕生了最初的計(jì)時(shí)和紀(jì)時(shí)行為，包括：公元前2000年古巴比倫的日晷計(jì)時(shí)、中國(guó)的香漏計(jì)時(shí)，公元前1500年古埃及的水鐘計(jì)時(shí)，公元前700年中國(guó)的立表測(cè)影，公元900年英國(guó)的蠟燭鐘計(jì)時(shí)，15世紀(jì)歐洲的沙漏計(jì)時(shí)等。公元前300年中國(guó)制定并頒行了顓頊歷，公元前45年古羅馬執(zhí)政官儒略·凱撒施行了儒略歷[1]。觀象授時(shí)標(biāo)志著古人對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)和實(shí)際應(yīng)用達(dá)到一個(gè)高峰，同時(shí)也是人類進(jìn)一步探索時(shí)間之質(zhì)和時(shí)間之量的發(fā)端。以觀象授時(shí)為起點(diǎn)，人類的計(jì)時(shí)技術(shù)歷經(jīng)了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程，取得了輝煌的成就，從早期的日晷、香漏、水鐘（漏刻）、蠟燭鐘、沙漏等，到天文鐘、機(jī)械鐘、石英鐘、原子鐘，再到當(dāng)前已成為新的發(fā)展方向的光鐘和脈沖星鐘等。計(jì)時(shí)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，即對(duì)于更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)的頻率標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)探索，推動(dòng)了時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生及變遷。

計(jì)時(shí)器（鐘）由兩大核心要素構(gòu)成：一是頻率標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)生的周期性物理事件（信號(hào)）是構(gòu)建秒長(zhǎng)或其他基本時(shí)間尺度的物理基礎(chǔ)；二是累加器，它從確定的起點(diǎn)（時(shí)刻校準(zhǔn)點(diǎn)）開始，對(duì)計(jì)時(shí)器建立的基本時(shí)間尺度進(jìn)行累加，從而確定時(shí)刻[2]。計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)精度主要取決于起點(diǎn)的校準(zhǔn)偏差，以及基于頻率標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的基本時(shí)間尺度的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和對(duì)于環(huán)境擾動(dòng)（溫度變化、磁場(chǎng)變化、干擾及噪聲）的敏感程度等。由此，起點(diǎn)和基本時(shí)間尺度構(gòu)建方法的定義就成為時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)定義的核心。

隨著科技的飛速發(fā)展、生產(chǎn)力的大幅提高、計(jì)時(shí)技術(shù)的日趨成熟，時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。在此之前，世界各地普遍采用的是地方時(shí)，它由本地天子午圈與太陽(yáng)所在赤經(jīng)圈的夾角（時(shí)、分、秒表示）確定。任何經(jīng)度上的微小差異，都會(huì)造成地方時(shí)的不同，即任何經(jīng)度不同的地點(diǎn)都有自己的地方時(shí)，從而造成了世界范圍內(nèi)時(shí)間的混亂。這給世界各國(guó)日益頻繁的國(guó)內(nèi)和國(guó)際交通造成了很大的不便，特別是在鐵路交通迅速發(fā)展以后，地方時(shí)因經(jīng)度不同而不同的缺點(diǎn)顯得更加突出。1878年，加拿大鐵路工程師弗萊明提出用分區(qū)計(jì)時(shí)的辦法來(lái)解決這個(gè)問題，統(tǒng)一全世界的時(shí)間。1884年在美國(guó)華盛頓舉行的國(guó)際子午線會(huì)議采納了該建議，建立了以格林尼治時(shí)間為核心的時(shí)間體系，由此誕生了人類歷史上第一個(gè)全球統(tǒng)一的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)——世界時(shí)。

時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的定義，需著重考慮依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)所建立的時(shí)間尺度的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，所建立的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)工作的連續(xù)性及可復(fù)制性，所計(jì)量出的時(shí)間應(yīng)滿足人類的習(xí)慣性等因素。天文學(xué)及物理學(xué)的發(fā)展，計(jì)時(shí)技術(shù)的突破，對(duì)精度和穩(wěn)定性的不懈追求，推動(dòng)了時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)發(fā)展和變遷。繼世界時(shí)之后，又相繼提出了歷書時(shí)、國(guó)際原子時(shí)和協(xié)調(diào)世界時(shí)。當(dāng)前國(guó)際上法定的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)為協(xié)調(diào)世界時(shí)。未來(lái)也一定會(huì)發(fā)展出基于更高性能計(jì)時(shí)器的新的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

因此，時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的定義，始終代表著計(jì)時(shí)技術(shù)和頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展的最新水平，對(duì)人類生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究等產(chǎn)生基礎(chǔ)性的、廣泛而深遠(yuǎn)的影響。

1 現(xiàn)有時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的定義及發(fā)展

秒是計(jì)量時(shí)間的基本單位，秒長(zhǎng)的確定問題是時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)定義的根本問題。確定秒長(zhǎng)需要持續(xù)、穩(wěn)定的周期現(xiàn)象作為參照。地球的自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)所伴隨的晝夜交替、四季輪回的周期現(xiàn)象為人類確定秒長(zhǎng)提供了天然的物理參照，這是世界時(shí)、歷書時(shí)定義的基礎(chǔ)。第一臺(tái)實(shí)用型銫原子頻標(biāo)研制成功后，人類對(duì)于恒常周期物理參照的探索從宏觀世界深入到微觀世界，原子躍遷所輻射的頻率高度準(zhǔn)確和穩(wěn)定的電磁波，成為原子秒及原子時(shí)定義的物理基礎(chǔ)。

1.1 世界時(shí)

1884年美國(guó)華盛頓國(guó)際子午線會(huì)議的決議[3]指出：“會(huì)議建議采用世界日（universal day），同時(shí)不影響在必要情況下使用地方時(shí)。上述世界日為平太陽(yáng)日，考慮將人類習(xí)慣的一日的起始時(shí)刻與通過天文觀測(cè)定義的一日的起始時(shí)刻相協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)世界日的起始時(shí)刻為本初子午線的午夜時(shí)刻，并且按照從0至24時(shí)的方式計(jì)時(shí)?！备鶕?jù)上述決議，英國(guó)格林尼治天文臺(tái)觀測(cè)得到的由平子夜起算的平太陽(yáng)時(shí)稱為世界時(shí)，記為UT（Universal Time），起點(diǎn)為1858年11月17日零時(shí)。1960年以前，世界時(shí)是國(guó)際上統(tǒng)一采用的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

平太陽(yáng)時(shí)是以平太陽(yáng)的周日視運(yùn)動(dòng)為依據(jù)建立的時(shí)間系統(tǒng)。它以平太陽(yáng)在當(dāng)?shù)剡B續(xù)兩次上中天的時(shí)間間隔為一個(gè)平太陽(yáng)日，并以平太陽(yáng)在當(dāng)?shù)厣现刑焖查g作為平太陽(yáng)日開始。由于人們習(xí)慣于一天從子夜開始，根據(jù)習(xí)慣性原則，平太陽(yáng)時(shí)定義改為：平太陽(yáng)時(shí)角+12?。一個(gè)平太陽(yáng)日分為24平太陽(yáng)時(shí)，1平太陽(yáng)時(shí)分為60平太陽(yáng)分，1平太陽(yáng)分分為60平太陽(yáng)秒。

世界時(shí)定義后，經(jīng)歷了極移改正和地球自轉(zhuǎn)速率季節(jié)性變化改正，分別記為UT1和UT2。即使進(jìn)行了季節(jié)性變化的改正，地球自轉(zhuǎn)速率仍然存在長(zhǎng)期變慢的趨勢(shì)以及不規(guī)則的變化。地球自轉(zhuǎn)速率的不均勻性意味著世界時(shí)的基本尺度“日”在逐漸變長(zhǎng)且存在不規(guī)則變化，由此定義的標(biāo)準(zhǔn)秒長(zhǎng)，也存在相應(yīng)的變化。雖然天文學(xué)家一直在研究世界時(shí)秒長(zhǎng)中地球自轉(zhuǎn)不規(guī)則變化的修正方法，其均勻性和精度也只能達(dá)到10-8量級(jí)[4]。尺度的非均勻性使得世界時(shí)不再適合作為更高精度時(shí)間計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)。但是由于人類生活在地球上，其活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)及太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)密不可分，所以世界時(shí)仍具有難以替代的作用和地位。目前應(yīng)用最廣泛的世界時(shí)是UT1，因?yàn)樗苯臃从沉说厍虮砻嬉稽c(diǎn)相對(duì)于天球參考系的精確角位置，在精密定位與導(dǎo)航、測(cè)地等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用[4]。

1.2 歷書時(shí)

歷書時(shí)（Ephemeris Time，ET）是以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為依據(jù)建立起來(lái)的計(jì)時(shí)系統(tǒng)，起點(diǎn)是世界時(shí)1900年1月1日12時(shí)，基本時(shí)間尺度是一回歸年長(zhǎng)度。歷書時(shí)是1960年至1966年國(guó)際上采用的，繼世界時(shí)之后的第二個(gè)時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

地球的公轉(zhuǎn)速率雖然時(shí)快時(shí)慢，但公轉(zhuǎn)周期（即一回歸年）是非常穩(wěn)定的。一回歸年指地球在公轉(zhuǎn)過程中兩次經(jīng)過軌道上同一點(diǎn)所需要的時(shí)間間隔。以歷書時(shí)1900年1月1日12時(shí)起算的回歸年長(zhǎng)度作為標(biāo)準(zhǔn)，將這一年長(zhǎng)度的1/31 556 925.974 7（365.242 2×24×60×60），即這一年的平太陽(yáng)秒作為1秒的固定長(zhǎng)度，稱為歷書時(shí)秒（用于制訂天文歷書的標(biāo)準(zhǔn)秒）。1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)[5]決定采納歷書時(shí)秒作為秒長(zhǎng)的新定義：“秒是1900年1月1日歷書時(shí)12時(shí)起算的回歸年的 1/31 556 925.974 7。”

歷書時(shí)秒在理論上是一種均勻的時(shí)間尺度，但實(shí)際應(yīng)用中不太容易得到，且很難保存。由于技術(shù)上的原因，一般通過觀測(cè)月亮來(lái)測(cè)定歷書時(shí)。實(shí)際測(cè)定過程中，月面形狀和邊緣的不規(guī)則性，以及地球—月球潮汐作用引起的月球減速，都會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度，加上天文觀測(cè)儀器本身的精度所限，綜合三年的觀測(cè)資料得到的歷書時(shí)秒的精度只能達(dá)到10-9量級(jí)[1]，仍然滿足不了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求。盡管如此，歷書時(shí)秒仍作為一個(gè)天文常數(shù)保存下來(lái)，在大地測(cè)量和天文學(xué)的研究上有重要的參考價(jià)值。

1.3 原子時(shí)

原子時(shí)的提出與實(shí)用型原子鐘的研制及發(fā)展密不可分。原子鐘的構(gòu)想是由諾貝爾獎(jiǎng)得主拉比（I. I. Rabi）在20世紀(jì)40年代早期提出的。1949年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的哈羅德·萊昂斯（H. Lyons）向世界推出了第一臺(tái)原子鐘，該原子鐘基于氨分子的諧波共振，應(yīng)用了微波光子吸收原理，其穩(wěn)定度與地球自轉(zhuǎn)速率相當(dāng)，但不能夠像一臺(tái)實(shí)用的工作時(shí)鐘那樣持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。盡管如此，氨分子鐘的成功研制，使時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的定義在哲學(xué)及科學(xué)意義上均邁出了重要的一步。20世紀(jì)50年代早期，萊昂斯的團(tuán)隊(duì)研究了使用銫束作為原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的可能性，這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作展示了高精度原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的潛力。1955年6月，英國(guó)皇家物理實(shí)驗(yàn)室的艾森（L. Essen）和帕里（J. V. L. Parry）研制推出了世界上第一臺(tái)實(shí)用型銫原子鐘[2]。

20世紀(jì)50年代實(shí)用型銫原子鐘的成功研制為秒長(zhǎng)的重新定義提供了新的方向、思路以及現(xiàn)實(shí)可能。1967年第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)定義了原子時(shí)秒長(zhǎng)：“秒是銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射的9 192 631 770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間[6]?！痹撁腴L(zhǎng)定義被國(guó)際單位制（International System of Units，SI）采納并沿用至今。同時(shí)，大會(huì)決定采用新的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)——原子時(shí)（Atomic Time，AT），這是人類歷史上定義的第3個(gè)時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。原子時(shí)的秒、分、時(shí)、日、月、年的換算關(guān)系仍與世界時(shí)相同，起點(diǎn)是世界時(shí)1958年1月1日零時(shí)，這一瞬間要求原子時(shí)與世界時(shí)完全重合，但由于技術(shù)上的原因，存在0.003 9 s的差值，該值作為一個(gè)歷史事實(shí)被永久保存下來(lái)。

與世界時(shí)和歷書時(shí)不同，原子時(shí)的建立不再基于天文觀測(cè)，而是基于原子鐘。將某臺(tái)原子鐘的起點(diǎn)校準(zhǔn)后，從該起點(diǎn)開始，對(duì)該原子鐘復(fù)現(xiàn)的秒長(zhǎng)進(jìn)行累加，就得到了原子時(shí)。但原子鐘作為儀器設(shè)備，有自身的壽命，存在發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)，且受環(huán)境因素及自身技術(shù)指標(biāo)影響，輸出頻率存在偏移、漂移和隨機(jī)抖動(dòng)。上述因素使得基于單臺(tái)原子鐘建立的原子時(shí)在準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及工作的連續(xù)性上均得不到保證，因此，原子時(shí)的構(gòu)建需基于原子鐘組。

根據(jù)構(gòu)成鐘組的原子鐘的來(lái)源，可將原子時(shí)劃分為地方原子時(shí)和國(guó)際原子時(shí)。由一個(gè)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室若干臺(tái)原子鐘或一個(gè)地區(qū)若干時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的原子鐘組成的鐘組導(dǎo)出的原子時(shí)，稱為地方原子時(shí)，記為TA()。其中表示建立地方原子時(shí)的時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)稱。分布在世界范圍內(nèi)的各時(shí)間實(shí)驗(yàn)室共同協(xié)作可顯著提高原子時(shí)的穩(wěn)定性。1971年，第十四屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)指定由國(guó)際計(jì)量局（International Bureau of Weights and Measure，BIPM）根據(jù)SI時(shí)間單位秒的定義，以世界各地時(shí)間實(shí)驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)的原子鐘讀數(shù)為依據(jù)，經(jīng)相對(duì)論修正并歸算到平均海平面上所建立的原子時(shí)間系統(tǒng)稱為國(guó)際原子時(shí)，命名為TAI（Temps Atomique International or International Atomic Time）：“國(guó)際原子時(shí)是國(guó)際時(shí)間局根據(jù)國(guó)際單位制中時(shí)間單位秒的定義，依據(jù)世界范圍內(nèi)各守時(shí)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的原子鐘的讀數(shù)而確定的時(shí)標(biāo)[7]?！碑?dāng)前，TAI由參與國(guó)際協(xié)作的八十多家時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的五百多臺(tái)自由運(yùn)行的原子鐘經(jīng)加權(quán)平均（優(yōu)化其時(shí)間尺度的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度）和頻率駕馭（使其時(shí)間尺度符合SI秒長(zhǎng)定義）產(chǎn)生，準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度均達(dá)到10-15～10-16量級(jí)，是實(shí)際應(yīng)用中具有權(quán)威性、代表性的高性能時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。TAI是紙面時(shí)間，需事后數(shù)據(jù)處理，滯后一個(gè)月以時(shí)間公報(bào)的形式由BIPM發(fā)布，告知相關(guān)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室其上個(gè)月以5 d為間隔的TA()相對(duì)于TAI的差值，相關(guān)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室利用該差值得到TAI。

隨著原子鐘技術(shù)、高精度時(shí)頻傳遞技術(shù)的持續(xù)發(fā)展以及數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)化，目前基于銫噴泉鐘和光鐘實(shí)現(xiàn)的SI秒長(zhǎng)的實(shí)際復(fù)現(xiàn)精度可達(dá)10-16～10-18量級(jí)，成為國(guó)際單位制七個(gè)基本單位中，計(jì)量精度最高的物理量，并且相對(duì)于世界時(shí)和歷書時(shí)的秒長(zhǎng)，它更容易測(cè)定和應(yīng)用，不需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的天文觀測(cè)。高度準(zhǔn)確、穩(wěn)定、且應(yīng)用方便的原子時(shí)更符合科學(xué)研究和工程應(yīng)用的需求，而人類活動(dòng)更習(xí)慣于世界時(shí)。原子時(shí)秒長(zhǎng)與世界時(shí)秒長(zhǎng)存在差異，且由于地球自轉(zhuǎn)速率存在的不規(guī)則變化和長(zhǎng)期變慢趨勢(shì)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，兩者秒長(zhǎng)差異日益增大，原子時(shí)將逐步偏離世界時(shí)，從而導(dǎo)致原子時(shí)時(shí)間尺度（秒長(zhǎng)）的精確性與世界時(shí)時(shí)刻的不均勻性之間的矛盾。

1.4 協(xié)調(diào)世界時(shí)

協(xié)調(diào)世界時(shí)（Coordinated Universal Time，UTC）不是一種獨(dú)立的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，而是由國(guó)際原子時(shí)（TAI）與世界時(shí)（UT1）協(xié)調(diào)后產(chǎn)生的，起點(diǎn)是世界時(shí)1960年1月1日零時(shí)。UTC自1972年1月1日起在全世界實(shí)施，并正式被確立為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，成為世界各國(guó)的官方時(shí)間。

由于采用了相同的時(shí)間尺度（秒長(zhǎng)），UTC和TAI的尺度建立方式相同，UTC本質(zhì)上仍是原子時(shí)。在時(shí)刻上，兩者相差整秒，即從TAI中減去正確的閏秒數(shù)就是UTC。

2 建立脈沖星時(shí)間基準(zhǔn)的意義

2.1 毫秒脈沖星及其基本物理特性

脈沖星誕生于超新星爆發(fā)過程中大質(zhì)量恒星內(nèi)核的塌縮，是高速旋轉(zhuǎn)的磁化中子星。中子星在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生極高的能量，這些能量會(huì)以高強(qiáng)度的電磁輻射形式（脈沖星輻射跨整個(gè)電磁頻譜，從無(wú)線電波、可見光，到X射線、伽馬射線），散射到宇宙空間中[9]。中子星具有非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，在磁極冠的開放磁力線區(qū)域中，帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)發(fā)出曲率輻射，形成以磁軸為中心的方向性很強(qiáng)的束狀電磁波束[10]。由于磁軸與自轉(zhuǎn)軸不重合，在中子星自轉(zhuǎn)的同時(shí)，其輻射的電磁波束就像燈塔一樣掃過不同的方向。部分中子星每自轉(zhuǎn)一周，它的電磁波束就會(huì)掃過地球一次或兩次，地球上的觀測(cè)者借助射電望遠(yuǎn)鏡可觀測(cè)到有規(guī)律的電磁脈沖。這些中子星獨(dú)有的電磁脈沖令它們得名“脈沖星”。從1967年發(fā)現(xiàn)射電脈沖星到1974年發(fā)現(xiàn)射電脈沖雙星，形成了脈沖星研究的一次高潮[10]。1982年毫秒脈沖星PSR B1937+21的發(fā)現(xiàn)，引起學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，再次形成脈沖星觀測(cè)研究的高潮[10]。毫秒脈沖星與之前發(fā)現(xiàn)的脈沖星的特性迥然不同，是一種新類型的脈沖星，具有自轉(zhuǎn)周期短（毫秒量級(jí)）、年齡老（約1010年）、表面磁場(chǎng)弱（108～1010Gauss量級(jí)）等特性[9]。毫秒脈沖星被認(rèn)為是從X射線雙星演化而來(lái)的[10]。在X射線雙星階段，中子星接受來(lái)自伴星的物質(zhì)，不僅輻射X射線，而且吸積物質(zhì)帶來(lái)的角動(dòng)量使中子星的自轉(zhuǎn)不斷加快，其自轉(zhuǎn)周期可低至毫秒量級(jí)[10]。目前，發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)目已接近3 000顆，其中毫秒脈沖星約200顆。發(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星中，約80%為雙星系統(tǒng)，另外20%為孤立毫秒脈沖星[10]。

脈沖星具有非常穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)周期，在宇宙天體中是絕無(wú)僅有的[10]，其自轉(zhuǎn)周期表達(dá)式如式（1）所示[11]：

毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期穩(wěn)定性要遠(yuǎn)高于普通脈沖星。目前周期測(cè)量最準(zhǔn)確的脈沖星是PSR J0437-4715，其在約化儒略日MJD（51 194）的自轉(zhuǎn)周期為（5.757 451 831 072 007±8×10-15）ms，已精確到10-15ms[10]。毫秒脈沖星也存在自轉(zhuǎn)減速，周期隨時(shí)間十分緩慢的增加，但比普通脈沖星約低5個(gè)數(shù)量級(jí)，周期變化率在10-19～10-21之間。周期變化最慢的脈沖星是PSR J2322+2057，每秒變長(zhǎng)7.1×10-21s[10]。

脈沖星自轉(zhuǎn)周期除了有規(guī)律的減速，還存在隨機(jī)變化，稱之為計(jì)時(shí)噪聲。年輕脈沖星的計(jì)時(shí)噪聲比較大，毫秒脈沖星年齡老，計(jì)時(shí)噪聲相比普通脈沖星要小的多。產(chǎn)生計(jì)時(shí)噪聲的物理機(jī)制并不十分清楚，很可能與中子星內(nèi)部的超流及溫度變化有關(guān)，也可能與發(fā)生在磁層中的某些過程有關(guān)。老年脈沖星的計(jì)時(shí)噪聲比較小是非常重要的發(fā)現(xiàn)，這意味著老年脈沖星的時(shí)間測(cè)量精度可以很高。毫秒脈沖星的計(jì)時(shí)噪聲普遍很小，周期的長(zhǎng)期穩(wěn)定性非常高。一年以上的觀測(cè)表明，毫秒脈沖星的周期穩(wěn)定度普遍優(yōu)于10-12，有近20顆毫秒脈沖星的周期穩(wěn)定度約為10-14，有6顆優(yōu)于10-14 [10]。

2.2 建立脈沖星時(shí)的意義

毫秒脈沖星獨(dú)特的物理特性，即自轉(zhuǎn)周期的精確可測(cè)性和高度穩(wěn)定性，使其具備作為一類獨(dú)立的、天然的頻率標(biāo)準(zhǔn)的條件和優(yōu)勢(shì)；基于毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期定義脈沖星時(shí)，具備理論上、物理上的合理性。雖然當(dāng)前原子時(shí)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)?shù)钠毡楹蛷V泛，但脈沖星時(shí)的建立亦具有以下3方面重要的價(jià)值和意義：

① 從空間維度來(lái)看，人類活動(dòng)已經(jīng)拓展至深空。深空探測(cè)、深空導(dǎo)航等應(yīng)用對(duì)時(shí)間精度的要求很高，而如何在深空獲取和維持精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)至今仍未解決的難題。在地面上，我們有高性能的原子鐘，但受準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、復(fù)雜度、體積、重量、壽命、宇宙極端環(huán)境（相對(duì)論效應(yīng)、輻射、溫度、磁場(chǎng)）等因素限制，深空原子鐘的研制異常困難。直至2019年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）發(fā)射了一臺(tái)深空原子鐘到近地軌道進(jìn)行測(cè)試。該鐘為離子阱頻標(biāo)，由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)[12]。NASA希望深空原子鐘能在21世紀(jì)30年代早期應(yīng)用于引導(dǎo)宇宙飛船。相比尚處于起步階段的深空原子鐘，利用毫秒脈沖星進(jìn)行定時(shí)和自主導(dǎo)航在技術(shù)上更為成熟，并且引力勢(shì)環(huán)境簡(jiǎn)單，可同時(shí)獲得精確的時(shí)間信號(hào)和空間位置坐標(biāo)，在應(yīng)用上更加實(shí)際，可以認(rèn)為脈沖星時(shí)在深空應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)越性。

② 從時(shí)間維度來(lái)看，人類需要建立在數(shù)百年時(shí)間跨度下維持高穩(wěn)定度的時(shí)間基準(zhǔn)。深空航天器飛出太陽(yáng)系、飛出銀河系，需要數(shù)百年的時(shí)間，上述超長(zhǎng)穩(wěn)時(shí)間基準(zhǔn)必將成為重要支撐。原子時(shí)的穩(wěn)定度是通過參與國(guó)際原子時(shí)合作的、分布于全球的、大量獨(dú)立運(yùn)行的原子鐘的鐘面時(shí)依據(jù)綜合原子時(shí)算法加權(quán)平均保證的，準(zhǔn)確度是通過基準(zhǔn)原子頻標(biāo)及二級(jí)原子頻標(biāo)的頻率駕馭保證的。然而，當(dāng)將時(shí)間跨度擴(kuò)展至數(shù)十年、數(shù)百年，甚至更長(zhǎng)久時(shí)，即使發(fā)展了性能更優(yōu)良的原子鐘以及更優(yōu)化的算法，原子時(shí)的穩(wěn)定度也很難測(cè)量和維持。而基于毫秒脈沖星自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)建的脈沖星時(shí)在長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。觀測(cè)研究表明，一些毫秒脈沖星長(zhǎng)期的時(shí)間穩(wěn)定度優(yōu)于原子鐘，如PSR J0437-4715、PSR B1855+09，觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，周期穩(wěn)定度越高[10]。作為獨(dú)立于地球的、完全不同于原子時(shí)的、能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間尺度范圍內(nèi)有效運(yùn)轉(zhuǎn)并保持高穩(wěn)定性的時(shí)間源，脈沖星時(shí)具有成為時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值和潛力，可同原子時(shí)相互取長(zhǎng)補(bǔ)短、互為補(bǔ)充，如利用脈沖星時(shí)補(bǔ)償原子時(shí)在長(zhǎng)期穩(wěn)定度方面的缺陷，校正、改進(jìn)原子時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。

③ 從安全性考慮，時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用依賴于精密、安全、可靠的授時(shí)手段。目前，原子時(shí)的發(fā)播有GNSS衛(wèi)星授時(shí)、長(zhǎng)波授時(shí)、短波授時(shí)、低頻時(shí)碼授時(shí)、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)、光纖時(shí)頻傳遞等多種手段，其中GNSS衛(wèi)星授時(shí)以其覆蓋范圍大、精度高的優(yōu)勢(shì)成為最主流的在各領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的授時(shí)方式。但GNSS衛(wèi)星授時(shí)所固有的脆弱性，即易受干擾和欺騙的影響，使其在應(yīng)用過程中存在較大的安全隱患。當(dāng)前解決該問題的主要途徑是采用多手段冗余授時(shí)，但因各授時(shí)手段在同步精度、覆蓋范圍、部署便利性及靈活性等方面存在差異，該途徑并不能夠真正解決原子時(shí)的有效傳遞問題。而脈沖星時(shí)為上述問題的解決提供了新的思路。作為完全獨(dú)立于原子時(shí)的時(shí)間系統(tǒng)，脈沖星時(shí)具有特有的尺度建立方式及時(shí)間傳遞方式，其在抗打擊（脈沖星處于深空）、抗干擾（射電望遠(yuǎn)鏡視野開闊、工作頻率寬、靈敏度高、環(huán)境適應(yīng)性好）、抗欺騙（射電望遠(yuǎn)鏡可同時(shí)接收、處理多顆脈沖星信號(hào)）方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可為終端側(cè)的授時(shí)安全檢測(cè)提供可信的冗余時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)參照。

以上分析表明，脈沖星時(shí)能夠極大的拓展原子時(shí)間系統(tǒng)及其應(yīng)用的空間、時(shí)間及領(lǐng)域范圍，完全有其存在的必要性和合理性。以發(fā)展的眼光來(lái)看，脈沖星時(shí)并不一定要替代原子時(shí)，同樣原子時(shí)也無(wú)法替代脈沖星時(shí)，考慮到未來(lái)時(shí)間頻率應(yīng)用的廣度、深度和復(fù)雜性，多元化的、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)將成為一種必然趨勢(shì)。

3 定義脈沖星時(shí)的初步研究

3.1 研究脈沖星時(shí)定義的意義

當(dāng)前，學(xué)術(shù)界對(duì)于脈沖星時(shí)的研究主要集中在通過長(zhǎng)期的脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)對(duì)脈沖星計(jì)時(shí)模型進(jìn)行持續(xù)的修正和精化，脈沖星時(shí)由脈沖星計(jì)時(shí)模型表達(dá)，借助脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)建立。根據(jù)各噪聲源特點(diǎn)，對(duì)多顆脈沖星定義的脈沖星時(shí)進(jìn)行加權(quán)平均，可建立具有更高長(zhǎng)期穩(wěn)定度的綜合脈沖星時(shí)[13-25]。但是嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，脈沖星時(shí)尚未有一個(gè)明確的、完整的定義，體現(xiàn)為脈沖星時(shí)的起點(diǎn)未定義、基本時(shí)間尺度的建立方法未定義、脈沖星時(shí)秒長(zhǎng)未定義等。上述定義的缺失不利于脈沖星時(shí)的科學(xué)理解及其標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化應(yīng)用。

脈沖星時(shí)的定義是推動(dòng)其成為一種獨(dú)立的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和前提?；仡檿r(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展史，每一種標(biāo)準(zhǔn)都有科學(xué)、明確的定義，以及起點(diǎn)、基本尺度、秒長(zhǎng)等完整的要素。同世界時(shí)、歷書時(shí)及原子時(shí)一樣，脈沖星時(shí)也應(yīng)擁有自己的頻率標(biāo)準(zhǔn)（毫秒脈沖星自轉(zhuǎn)頻率）和累加器（到達(dá)脈沖計(jì)數(shù)）等，這是作為一種獨(dú)立時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)所應(yīng)具備的必要條件。目前對(duì)脈沖星時(shí)概念的描述，基本上都落腳到脈沖星計(jì)時(shí)模型上，這一方面不夠直接，缺少必要的要素定義，與其他時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的定義非同一語(yǔ)系；另一方面，脈沖星計(jì)時(shí)模型的建立（觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理）及表達(dá)，均以原子時(shí)為參考，而依賴原子時(shí)，必受其影響和制約，在原子時(shí)基礎(chǔ)上定義脈沖星時(shí)，從計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的角度考慮是矛盾不合理的。因此，要推動(dòng)脈沖星時(shí)成為一種新的、獨(dú)立的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，就必然要從時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)定義的邏輯和原則出發(fā)去定義脈沖星時(shí)。

研究確定科學(xué)、嚴(yán)密、完整的脈沖星時(shí)定義，是統(tǒng)一認(rèn)知、實(shí)現(xiàn)其標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用的必然要求。當(dāng)前，無(wú)論是基于單顆毫秒脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)建立的單脈沖星時(shí)，還是基于脈沖星計(jì)時(shí)陣觀測(cè)建立的綜合脈沖星時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，都無(wú)法對(duì)這些脈沖星時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正意義的統(tǒng)一。根本原因在于脈沖星時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)未定義，脈沖星時(shí)相互之間的比對(duì)和尺度校準(zhǔn)缺失了參考基準(zhǔn)，即便是綜合脈沖星時(shí)，也是建立在原子時(shí)參考基準(zhǔn)上的綜合。從而造成了脈沖星時(shí)從屬于、服務(wù)于原子時(shí)的應(yīng)用現(xiàn)狀，限制了脈沖星時(shí)精度的進(jìn)一步提升以及脈沖星時(shí)應(yīng)用的廣度和深度的進(jìn)一步拓展。從統(tǒng)一認(rèn)知、促進(jìn)脈沖星時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用及長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度考慮，有必要進(jìn)一步完善當(dāng)前脈沖星時(shí)的概念，站在更宏觀的層次上研究如何科學(xué)的定義脈沖星時(shí)。

3.2 定義脈沖星時(shí)的原則

脈沖星時(shí)的定義，需以現(xiàn)有的脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)資料及計(jì)時(shí)研究成果為基礎(chǔ)，同時(shí)遵循以下原則：

① 獨(dú)立性原則。以毫秒脈沖星自轉(zhuǎn)這一恒常周期現(xiàn)象為參考，定義脈沖星時(shí)秒長(zhǎng)，使脈沖星時(shí)成為獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。

② 可測(cè)性原則。突破當(dāng)前的脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)模式，定義不依賴于原子時(shí)的脈沖星時(shí)間尺度建立方法，確保脈沖星時(shí)建立與維持具備實(shí)際可行性。

③ 穩(wěn)定性原則。脈沖星時(shí)的定義需保證其基本時(shí)間尺度在長(zhǎng)期穩(wěn)定度方面的顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)盡可能提高短期穩(wěn)定度。

④ 一致性原則。借助脈沖星時(shí)秒長(zhǎng)的定義，統(tǒng)一各脈沖星計(jì)時(shí)系統(tǒng)（及脈沖星計(jì)時(shí)陣）的時(shí)間，即保證脈沖星時(shí)秒長(zhǎng)的唯一性，維持各系統(tǒng)實(shí)際建立秒長(zhǎng)與脈沖星時(shí)秒長(zhǎng)的一致性。

⑤ 可復(fù)制性原則。脈沖星時(shí)間尺度建立方法的定義，需保證實(shí)際建立的脈沖星計(jì)時(shí)系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)可復(fù)制，必要時(shí)可拓展至深空，并保證一定的計(jì)時(shí)精度。

⑥ 可用性原則。脈沖星時(shí)的定義需考慮實(shí)際建立的脈沖星時(shí)的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、安全性以及可傳遞、可駕馭等應(yīng)用需求，保證脈沖星時(shí)在盡可能廣的領(lǐng)域具備可用性。

3.3 脈沖星時(shí)的初步定義

根據(jù)獨(dú)立性、可測(cè)性和一致性原則，本文建議基于一顆優(yōu)選的毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期定義脈沖星時(shí)秒，定義該毫秒脈沖星源為基準(zhǔn)毫秒脈沖星。根據(jù)穩(wěn)定性原則，基準(zhǔn)毫秒脈沖星的選擇可從如下幾個(gè)方面綜合考慮：參數(shù)測(cè)量精度高；自轉(zhuǎn)周期穩(wěn)定，計(jì)時(shí)噪聲??；脈沖輪廓窄、無(wú)明顯輪廓模式變化；接收信號(hào)具有較高的信噪比；觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度長(zhǎng)；計(jì)時(shí)殘差均方根值低。

基于以上原則，本文建議以PSR J0437-4715作為基準(zhǔn)毫秒脈沖星。PSR J0437-4715是一顆距離地球較近的X射線毫秒脈沖星，屬于雙星系統(tǒng)的一顆，是澳大利亞Parkes天文臺(tái)的64 m射電望遠(yuǎn)鏡于1992年7月11日在430 MHz的“南天毫秒脈沖星巡天”觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的，其主要參數(shù)和特性如下：

① PSR J0437-4715的歷表參數(shù)在已發(fā)現(xiàn)的同類脈沖星中，目前的測(cè)量精度是最高的。其自轉(zhuǎn)參數(shù)測(cè)量精度為：頻率誤差約6×10-15Hz，頻率一階導(dǎo)數(shù)誤差約7×10-23s-2；天體測(cè)量參數(shù)測(cè)量精度為：赤經(jīng)誤差約15μas，赤緯誤差約100 μas，赤經(jīng)自行誤差約0.5 μas·yr-1，赤緯自行誤差約0.5 μas·yr-1，視差誤差約30 μas[20]。

② PSR J0437-4715為當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的最穩(wěn)定的毫秒脈沖星。5年觀測(cè)獲得的周期穩(wěn)定度達(dá)到10-15 [10]，計(jì)時(shí)噪聲小。建立的單脈沖星時(shí)間穩(wěn)定度達(dá)到3.3×10-14/yr，1.23×10-15/10 yr[26]。

③ PSR J0437-4715輻射的射電脈沖寬度窄，且輪廓形狀穩(wěn)定[27]。

④ PSR J0437-4715是擁有強(qiáng)射電輻射的毫秒脈沖星之一，信噪比高，例如其在1.4 GHz的統(tǒng)計(jì)平均流量為150 mJy[28]。

⑤ PSR J0437-4715是澳大利亞PPTA（Parkes Pulsar Timing Array）常規(guī)監(jiān)測(cè)的20顆毫秒脈沖星之一，每?jī)傻饺苓M(jìn)行一次計(jì)時(shí)觀測(cè)，每次持續(xù)觀測(cè)1 h，觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度達(dá)二十多年。

⑥ PSR J0437-4715是目前計(jì)時(shí)精度最高的源，計(jì)時(shí)殘差均方根達(dá)到108 ns[16]。歷史計(jì)時(shí)觀測(cè)結(jié)果：2008年，J. P. W. Verbiest學(xué)者對(duì)J0437-4715的10年觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得到計(jì)時(shí)殘差為200 ns，預(yù)期精度可達(dá)100 ns。2009年，G. Hobbs研究員[29]處理J0437-4715的1年3 GHz頻段的數(shù)據(jù)，計(jì)時(shí)殘差結(jié)果為60 ns，單次觀測(cè)計(jì)時(shí)殘差精度最高達(dá)30 ns。

⑦ PSR J0437-4715在MJD（51 194）的自轉(zhuǎn)周期為（5.757 451 831 072 007±8×10-15）ms，自轉(zhuǎn)頻率為（0.173 687 948 999 098 3±3×10-16）kHz。

基于上述自轉(zhuǎn)參數(shù)，本文建議的脈沖星時(shí)秒長(zhǎng)定義為：毫秒脈沖星J0437-4715在其固有參考架下，連續(xù)自轉(zhuǎn)173 687 949周所持續(xù)時(shí)間的1/1 000 000。

根據(jù)PSR J0437-4715自轉(zhuǎn)周期，可計(jì)算出上述定義的脈沖星時(shí)秒長(zhǎng)的理論值為（1.000 000 000 005 191±1.389 503 592×10-15）s，其精度為5.2×10-12量級(jí)。

本文建議脈沖星時(shí)的起點(diǎn)定義為：某確定臺(tái)站（可由國(guó)際計(jì)量大會(huì)推選）在某確定時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)PSR J0437-4715，所測(cè)站心TOA數(shù)據(jù)中最接近UTC整秒的時(shí)刻點(diǎn)。

3.4 脈沖星鐘的初步設(shè)計(jì)思路

根據(jù)可復(fù)制性和可用性原則，本文建議上述定義的脈沖星時(shí)的建立與維持以脈沖星鐘為基礎(chǔ)。同時(shí)建議脈沖星鐘的初步設(shè)計(jì)思路如下：以觀測(cè)臺(tái)站的射電望遠(yuǎn)鏡接收的PSR J0437-4715毫秒脈沖星周期性射電脈沖信號(hào)為參考，以原子頻標(biāo)為實(shí)用頻標(biāo)，將實(shí)用頻標(biāo)輸出的1 PPS信號(hào)與射電脈沖信號(hào)進(jìn)行連續(xù)比對(duì)，比對(duì)周期為1 000 000脈沖星時(shí)秒（即每1 000 000脈沖星時(shí)秒進(jìn)行1次比對(duì)），周期的起始時(shí)刻及終止時(shí)刻由射電脈沖參考點(diǎn)標(biāo)識(shí)。射電脈沖參考點(diǎn)定義為經(jīng)臺(tái)站信號(hào)處理之后的射電脈沖峰值點(diǎn)。在初始時(shí)刻（第1個(gè)比對(duì)周期的起始時(shí)刻），通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)實(shí)用頻標(biāo)輸出的1PPS與射電脈沖參考點(diǎn)之間的嚴(yán)格同步，之后每1 000 000脈沖星時(shí)秒所對(duì)應(yīng)時(shí)刻點(diǎn)進(jìn)行一次射電脈沖參考點(diǎn)與實(shí)用頻標(biāo)1 PPS之間的比對(duì)，記錄鐘差數(shù)據(jù)。累積一定數(shù)量的鐘差數(shù)據(jù)，建立脈沖星鐘鐘差模型。依據(jù)鐘差模型，對(duì)實(shí)用頻標(biāo)進(jìn)行開環(huán)駕馭，實(shí)現(xiàn)脈沖星鐘。對(duì)脈沖星鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，從校準(zhǔn)時(shí)刻開始對(duì)產(chǎn)生的1 PPS進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)?；诓煌纳潆娡h(yuǎn)鏡，不同的原子頻標(biāo)，可構(gòu)建不同的脈沖星鐘。脈沖星鐘作為實(shí)體設(shè)備，其輸出信號(hào)及數(shù)據(jù)接口建議為標(biāo)準(zhǔn)接口，以便于采用現(xiàn)有技術(shù)、設(shè)備及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖星鐘輸出時(shí)間頻率信號(hào)的傳遞、測(cè)量與比對(duì)。

脈沖星時(shí)的建立與維持可基于UTC系統(tǒng)，即在有射電脈沖接收條件的各時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的主鐘基礎(chǔ)上建立脈沖星鐘，從而建立與維持地方脈沖星時(shí)，本文記為PT()。由國(guó)際計(jì)量局基于各時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的PT()及統(tǒng)一的綜合脈沖星時(shí)算法，建立國(guó)際脈沖星時(shí)?；趪?guó)際脈沖星時(shí)對(duì)各時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的脈沖星鐘進(jìn)行二次駕馭，保證PT()與國(guó)際脈沖星時(shí)的差在規(guī)定范圍內(nèi)。上述脈沖星時(shí)的建立思路可充分利用當(dāng)前的UTC系統(tǒng)資源，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)UTC與國(guó)際脈沖星時(shí)兩套時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)的長(zhǎng)期共存。

在地面及近地空間，用時(shí)系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需求，選擇以UTC為參考，或者以國(guó)際脈沖星時(shí)為參考?？紤]到脈沖星時(shí)的秒長(zhǎng)精度以及短期穩(wěn)定度不如原子時(shí)，其優(yōu)勢(shì)主要在于長(zhǎng)期穩(wěn)定度，本文建議超長(zhǎng)期（10年及以上）的時(shí)間應(yīng)用以國(guó)際脈沖星時(shí)為參考，其他應(yīng)用以UTC為參考。例如以國(guó)際脈沖星時(shí)為參考，對(duì)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室地方原子時(shí)TA()進(jìn)行精度維持與性能監(jiān)測(cè)。原子時(shí)的基本特點(diǎn)是具有良好的短期穩(wěn)定度，但受頻率漂移的影響，其長(zhǎng)期穩(wěn)定度不如脈沖星時(shí)。當(dāng)前，各時(shí)間實(shí)驗(yàn)室主要依靠銫/氫原子鐘進(jìn)行守時(shí)，其頻率精度在10-12～10-13Hz量級(jí)，據(jù)此可推導(dǎo)出，一臺(tái)銫鐘或一臺(tái)氫鐘守時(shí)一年，由頻率漂移引入的時(shí)間不確定度約在幾十微秒量級(jí)[30]?？紤]到脈沖星時(shí)的長(zhǎng)期自主維持精度優(yōu)于地方原子時(shí)TA()，因此可基于脈沖星時(shí)實(shí)現(xiàn)TA()的自主精度維持，而無(wú)需與TAI或地球時(shí)TT（Terrestrial Time）進(jìn)行比對(duì)。將TA()的1PPS信號(hào)與經(jīng)過二次駕馭的PT()（國(guó)際脈沖星時(shí)的本地實(shí)現(xiàn)）的1PPS信號(hào)按照預(yù)設(shè)測(cè)量周期進(jìn)行連續(xù)鐘差測(cè)量，依據(jù)實(shí)測(cè)的鐘差數(shù)據(jù)對(duì)TA()實(shí)施定期校準(zhǔn)。脈沖星時(shí)服務(wù)建議采用申請(qǐng)、授權(quán)模式，各地方脈沖星時(shí)的建立與維持單位可通過TWSTFT（two-way satellite time and frequency transfer）、衛(wèi)星共視、光纖等方式向授權(quán)用戶定點(diǎn)傳遞PT()。

在深空應(yīng)用中，可基于本文建議的脈沖星鐘設(shè)計(jì)思路在航天器上構(gòu)建脈沖星鐘，作為航天器時(shí)間基準(zhǔn)。航天器載脈沖星鐘的校準(zhǔn)，可在航天器尚處于近地空間時(shí)，通過航天測(cè)控系統(tǒng)，將地面時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)建立與維持的脈沖星時(shí)的時(shí)標(biāo)信號(hào)傳遞至航天器。校準(zhǔn)后，航天器載脈沖星鐘自主獨(dú)立運(yùn)行，無(wú)需地面測(cè)控。以連續(xù)接收的PSR J0437-4715射電脈沖信號(hào)為參考，通過頻率、相位的準(zhǔn)實(shí)時(shí)調(diào)整（開環(huán)駕馭），維持頻率精度及計(jì)時(shí)精度，實(shí)現(xiàn)自主守時(shí)。如航天器載脈沖星鐘內(nèi)部的實(shí)用頻標(biāo)（原子頻標(biāo)）在深空中的短期穩(wěn)定度無(wú)法滿足實(shí)際需求，建議采用接收X射線脈沖星信號(hào)，借助鎖相環(huán)路，鎖定實(shí)用頻標(biāo)的頻率和相位的方法[19-31]，實(shí)時(shí)修正實(shí)用頻標(biāo)的偏移和漂移，提升開環(huán)駕馭間隔內(nèi)實(shí)用頻標(biāo)的性能。

4 結(jié)語(yǔ)

嚴(yán)謹(jǐn)、完整的脈沖星時(shí)定義是推動(dòng)其技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。本文系統(tǒng)梳理了時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)定義的歷史沿革及發(fā)展，進(jìn)而延伸探討了脈沖星時(shí)的意義，分析了定義脈沖星時(shí)的意義及準(zhǔn)則，提出了脈沖星時(shí)的初步定義。在本文的脈沖星時(shí)初步定義中，建議了脈沖星時(shí)的起點(diǎn)、秒長(zhǎng)、脈沖星鐘的初步設(shè)計(jì)思路以及脈沖星時(shí)建立、維持及應(yīng)用的初步思路，可為未來(lái)脈沖星時(shí)的定義提供參考。在本文研究的基礎(chǔ)上，后續(xù)需進(jìn)一步論證PSR J0437-4715作為基準(zhǔn)毫秒脈沖星的合理性，脈沖星時(shí)起點(diǎn)、秒長(zhǎng)定義的合理性，地面、深空脈沖星鐘研制的實(shí)際可行性等基本問題，同時(shí)需開展脈沖星鐘駕馭算法、綜合脈沖星時(shí)算法、脈沖星時(shí)國(guó)際合作等相關(guān)機(jī)制及關(guān)鍵算法研究。

[1] 王月霞. 時(shí)間知識(shí)篇(上)、(下)[M]. 呼和浩特: 遠(yuǎn)方出版社, 2006.

[2] ALLAN D W, ASHBY N, HODGE C C. The science of timekeeping[R]. Hewlett-Packard: Application Note No.1289. Allan’s Time Interval Metrology Enterprise: Fountain Green, 1997.

[3] US Government. International Conference Held at Washington for the Purpose of Fixing a Prime Meridian and a Universal Day[R]. Washington D.C: [s.n.], 1884.

[4] 童寶潤(rùn). 時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2003.

[5] COMPTES RENDUS DES SéANCES. ONZIèME CONFéRENCE GéNéRALE DES POIDS ET MESURES[R]//Paris: [s.n.], 1960.

[6] COMPTES RENDUS DES SéANCES. TREIZIèME CONFéRENCE GéNéRALE DES POIDS ET MESURES[R] //Paris: [s.n.], 1968.

[7] COMPTES RENDUS DES SéANCES. QUATORZIèME CONFéRENCE GéNéRALE DES POIDS ET MESURES[R] //Paris: [s.n.], 1971.

[8] 蔡娟, 于連超, 史玉成. 第二十七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過七項(xiàng)重要決議,為計(jì)量科學(xué)發(fā)展指出新戰(zhàn)略方向[EB/OL] (2022-11-23) [2023-02-22]. http://www.ce.cn/cysc/zljd/gd/202211/23/t20221123_38246862.shtml.

[9] BECKER W, KRAMER M, SESANA A. Pulsar timing and its application for navigation and gravitational wave detection[J]. Space Science Reviews, 2018(214): 30.

[10] 吳鑫基, 喬國(guó)俊, 徐仁新. 脈沖星物理[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2018.

[11] AVRAMENKO A. The relativistic inertial coordinate reference frames, synchronized the observed radio emission of pulsar[C]//Physical Interpretations of Relativity Theory, 2017.

[12] BURT E, PRESTAGE J, TJOELKER R L, et al. Demonstration of a trapped-ion atomic clock in space[J]. Nature, 2021, 595(7865): 43-47.

[13] LYNE A G. Pulsars as clocks[C] // European Frequency Time Forum, IEEE Xplore, 1996.

[14] BECKER W, KRAMER M, SESANA A. Pulsar timing and its application for navigation and gravitational wave detection[J]. Space Science Review, 2018(214): 30.

[15] JOSEPH H, TAYLOR J R. Millisecond pulsars: Nature’s most stable clocks[J]. Proceedings of the IEEE, 1991, 79(1): 1054-1062.

[16] 朱幸芝. 毫秒脈沖星時(shí)間尺度及鐘模型的研究[D]. 西安: 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 2011.

[17] 金文敬.脈沖星計(jì)時(shí)技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 天文學(xué)進(jìn)展, 2016, 34(2): 196-211.

[18] 尹東山. 脈沖星計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用研究[D]. 西安: 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 2016.

[19] 仲崇霞. 綜合脈沖星時(shí)算法及脈沖星時(shí)應(yīng)用[D]. 西安: 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 2007.

[20] 趙成仕, 童明雷, 高玉平, 等.脈沖星鐘模型精度分析[J]. 天文學(xué)報(bào), 2017, 58(3): 59-67.

[21] HOBBS G, GUO L, CABALLERO R N, et al. A pulsar-based time-scale from the International Pulsar Timing Array[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2020, 491(4): 5951-5965.

[22] GONCHAROV B, BORIS G, REARDON D J, et al. Identifying and mitigating noise sources in precision pulsar timing data sets[J]. Monthly Notices of the ROYAL Astronomical Society, 2021, 502(1): 478-493.

[23] LIU X J, KEITH M J, BASSA C G, et al. Correlated timing noise and high-precision pulsar timing: measuring frequency second derivatives as an example[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2019, 488(2): 2190-2201.

[24] HOBBS G, DAI S, MANCHESTER R N, et al. The role of FAST in pulsar timing arrays[J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2019, 19(2): 31-54.

[25] 孫鵬飛. 毫秒脈沖星計(jì)時(shí)分析及時(shí)間尺度研究[D]. 西安: 長(zhǎng)安大學(xué), 2020.

[26] 周慶勇, 魏子卿, 張華, 等. 基于雙譜濾波的綜合脈沖星時(shí)算法研究[J]. 天文學(xué)報(bào), 2021, 62(2): 86-95.

[27] BRITTON M C, STRATEN W V, BAILES M, et al. High precision timing of PSR J0437-4715[DB/OL]. (2022-12-30) [2023-02-23]. https://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/2000ASPC..202...73B.

[28] 李志玄. 利用PSR J0437-4715研究引力常數(shù)變化率和臺(tái)站時(shí)鐘跳變[D]. 昆明: 中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái), 2019.

[29] 孫鵬飛, 周慶勇, 焦文海, 等. 脈沖星J0437-4715多終端13年射電數(shù)據(jù)融合處理分析[C]//中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)第八屆年會(huì)暨中國(guó)北斗應(yīng)用大會(huì), 鄭州: 第八屆中國(guó)北斗應(yīng)用大會(huì)會(huì)務(wù)組, 2019.

[30] ZHAO C S, TONG M L, GAO Y P, et al. Analysis of the precision of pulsar time clock model[J]. Chinese Astronomy and Astrophysics, 2018, 42(2): 291-302.

[31] HANSON J E. Principles of X ray navigation[D]. Stanford：Stanford University, 1996.

Preliminary study on the definition of pulsar time

HE Ting, ZHENG Yong

(PLA Strategic Support Force Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China)

As a newly discovered stable frequency source, millisecond pulsar may become a physical foundation for the definition of new time measurement standard. Pulsar time defined based on the rotation period of the millisecond pulsar is of great significance in expanding the spatial and temporal dimension of time measurement and improving the accuracy of time standard and the security of timing applications. However, current studies on the definition of pulsar time mainly focus on continuous corrections and refinements of pulsar timing models through long-term pulsar timing observations. Strictly speaking, the definition of pulsar time has not yet been clear and complete, which is not conducive to the scientific understanding and research of pulsar time, nor is it conducive to the standardized establishment, maintenance and application of its time measurement standard. Therefore, on the basis of summarizing the definition of the existing time measurement standards and their development, according to the basic convention of the definition of time measurement standard, and following the principles of independence, measurability, stability, consistency, replicability and usability, the preliminary definition of pulsar time is proposed by this paper, including the definition of starting point and second length of pulsar time and so on; The basic ideas of the design of pulsar clock and the establishment, maintenance and application of pulsar time are discussed. The content of this paper is just a personal opinion, hopefully it can provide a reference for the formal definition of pulsar time, and provide new perspectives for the development of pulsar clocks.

time measurement standard; atomic time; pulsar time; definition of pulsar time

何婷，鄭勇. 關(guān)于脈沖星時(shí)定義的初步探討[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2023, 46(3): 249-259.

10.13875/j.issn.1674-0637.2023-03-0249-11

2023-02-25；

2023-05-23

南京大學(xué)“銀發(fā)雙創(chuàng)”資助項(xiàng)目（YFSC202003）