一种月基脉冲星时间基准生成系统

摘要

本发明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。

权利要求

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；

其中，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。

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。

5.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。

说明书

一种月基脉冲星时间基准生成系统

技术领域

[0001] 本发明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。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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Jocelyn Bell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。

[0004] 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：

[0005] 1、毫秒脉冲星的自转周期具有很好的稳定度；

[0006] 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；

[0007] 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；

[0008] 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。

[0009] 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PSR B1937+21和PSR B1855+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‑meter 
Aperture Spherical radio Telescope)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。

[0010] 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。

[0011] 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。

发明内容

[0012] 本发明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。

[0013] 为了实现上述目的，本发明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，

[0014] 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。

[0015] 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，

[0016] 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；

[0017] 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；

[0018] 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；

[0019] 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；

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 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。

[0025] 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。

[0026] 本发明的优点在于：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点，同时克服了二者的缺点。

附图说明

[0027] 图1是脉冲星守时原理示意图；

[0028] 图2是本发明的月基脉冲星时间基准生成系统的结构示意图；

[0029] 图3是本发明的月基脉冲星时间基准生成系统中的月基X射线脉冲星观测设备的结构示意图；

[0030] 图4是本发明的月基脉冲星时间基准生成系统中的TOA数据处理子系统的数据处理流程图；

[0031] 图5是本发明的月基脉冲星时间基准生成系统中的时间数据融合设备的工作流程图。

具体实施方式

[0032] 基于X射线毫秒脉冲星建立脉冲星时间基准的基本原理如图1所示。其中，SSB表示太阳系质心，n表示脉冲星方向矢量，r表示月球观测基站相对SSB的位置矢量。

[0033] X射线脉冲星探测设备测量的脉冲信号到达月基站的时间为 月基站位置测量值为 将脉冲信号到达月基站的时间通过时间转换模型外推到脉冲信号到达太阳系质心
SSB处的时间 的计算公式如式(1)所示。其中μs为太阳的引力常数，b是SSB相对太阳质心
的位置矢量，D0为脉冲星与太阳的距离，c为光速。

[0034]

[0035] 根据脉冲星计时模型可以精确预报脉冲信号到达太阳系质心SSB的时间tSSB，tSSB可利用脉冲达到月基站的真实位置 和真实时间 按照式(1)的形式展
开，其中δt为原子钟钟差，δr为月基站位置精度。

[0036]

[0037] 式(2)减去式(1)可以得到基于脉冲星校正原子钟钟差的测量方程为：

[0038]

[0039] 其中，δt1和δt2是式(1)和式(2)第三项和第四项的差，其值小于1ns，可忽略。参考LLR(Lunar Laser Ranging，月球激光测距)技术结果，δr为月基站位置测量精度，其精度优
于50cm，对应的时间差为小于1.7ns。因此，通过式(3)可以实现原子钟钟差的高精度测量。

[0040] 高灵敏度X射线毫秒脉冲星计时探测器通过对空间优质的毫秒脉冲星(10‑4ph/2 ‑5 2
cm/s～10 ph/cm/s量级)进行计时观测，输出高精度的TOA信息，用于校正原子钟的钟差。
因此，对于该系统而言，最重要的两个指标为探测灵敏度和TOA精度，探测器灵敏度如式(4)
所示。

[0041]

[0042] 由式(4)可得，X射线探测器的灵敏度取决于统计指数nσ、系统有效面积Aeff，X射线传感器面积A、观测时间Δt、探测器探测效率fd、空间背景光子辐射流量B(E)、探测能谱范
围ΔE等因素。

[0043] 在一个实施例中，可取探测能谱范围ΔE＝10keV，nσ＝3，传感器面积A＝30mm2，背‑3 2 2
景噪声为1×10 ph/s/cm 。在1m 探测器有效面积下，1000s的探测时间内，探测器灵敏度1
‑7 2
×10 ph/s/cm，可满足对弱流量，高稳定的毫秒脉冲星的探测需求。

[0044] 高灵敏度X射线毫秒脉冲星计时探测器，其TOA获取精度如式(5)所示：

[0045]

[0046] 其中， 和 为脉冲星形状因子，P为脉冲周期，t为观测时间，A为系统有效面积，s为目标信号流强，b为背景流强。在一个实施例中，可选取B1937+21、J0437‑4715和B1821‑24
三颗毫秒脉冲星为代表，具体参数如下表所示。

[0047] 表1选用脉冲星参数表

[0048]

[0049] 根据上述参数，分析TOA精度和探测器有效面积时间积之间的关系，在相同TOA精度要求下，对于不同的脉冲星，弱流量的脉冲星对探测器系统有效面积时间积要求较高；对
于同一颗脉冲星，随着TOA精度的增加，对探测器系统有效面积要求增加。对于B1937+21脉
2
冲星，在10天的观测时间下，TOA精度为100ns时，探测器有效面积要求为1.06m ，同时该探
测器的有效面积也可满足灵敏度要求。

[0050] 参考图2，本发明的月基脉冲星时间基准生成系统包括：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，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
将脉冲到达时刻与原子钟时进行组合，利用高精度的脉冲星时对原子钟的长期钟差进行校
正，最终得到高精度和高稳定度的综合时间基准。月基脉冲星时间基准生成系统所生成的
综合时间基准可分发给地、月空间用户，为人类载人登月、地月空间活动以及深空探测任务
提供高精度的时空基准。

[0051] 下面对该系统中的各个部分做进一步的说明。

[0052] 参考图3，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数据处理子系统以及脉冲星时转换模块。

[0053] X射线光子探头为阵列式光、机集成结构，包含大面阵X射线光学模块和X射线传感器阵列。大面阵X射线光学模块用于实现对脉冲星微弱光子信号的聚焦收集和空间背景噪
声的屏蔽；X射线传感器阵列采用成熟的X射线传感器，多个X射线传感器有规律地排列以形
成阵列，用于实现大面阵X射线光学模块所收集的微弱光子信号的光电转换、信号提取、信
号滤波成形(分为慢成形、快成形)，最终输出用于后续能量与时间处理的两路光子信号。

[0054] X射线光子探头通过集成优化设计，保证探测阵列的固化和结构力热稳定性、可靠性，通过光学精密标定和装调保证所有的探测阵列指向一致。

[0055] 光子信息采集子系统通过高稳晶振和内部的CPT(Coherent Population Trapping，相干布居捕获)原子钟综合生成高稳定频率信号；该子系统对X射线光子探头所
输出的一路光子信号进行时间标记处理，并进行数字化采集；同时对另一路光子信号通过
时标甄别判断，控制ADC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。

[0056] 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。

[0057] TOA数据处理子系统主要负责完成对X射线光子到达时间序列预处理、大尺度时空转换、轮廓折叠和与标准轮廓比对，最终输出高精度脉冲到达时间TOA。在图4中，对TOA数据
处理子系统的数据处理流程做了进一步的说明。

[0058] 所述的X射线光子到达时间序列预处理包括：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，表明该短时间内
背景噪声影响较大，需去掉该段数据，将筛选后的数据作为最终的光子序列。

[0059] 所述的大尺度时空转换是指：脉冲星相位时间模型定义在太阳系质心SSB处，采用的时间尺度为TCB(质心坐标时)，而脉冲星辐射的X射线光子到达探测器的时间是在探测器
本体坐标系下由原子钟记录的固有时，因此需要通过调用太阳系星历表和脉冲星数据库，
将该固有时进行时间变换，该时间变换包括Roemer延时和Shapiro延时等延时修正，可参见
前述公式(1)，从而得到归算到TCB的光子到达时间。

[0060] 所述轮廓折叠和与标准轮廓比对是指：脉冲轮廓是由大量单个脉冲同步平均得到。为提取脉冲轮廓，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。

[0061] 脉冲到达时间转换到脉冲星时包括：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计时模型，另一方面对脉冲星时模型中的频率漂移、尺度
差异等误差项进行校准，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。其中，所述脉冲星时模型的数学表达式为：

[0062]

[0063] 其中，tN就是要计算的脉冲星时，t0是计算的起始时间，P0是脉冲的周期，(N‑N0)是当前脉冲信号和第一个观测到的脉冲信号之差，R(t)是包括频率漂移等在内的误差项。

[0064] 月基X射线脉冲星观测设备生成脉冲星时后，时间数据融合设备接收该脉冲星时以及原子钟组所生成的原子钟时，将脉冲星时与原子钟时进行组合，利用高精度的脉冲星
时对原子钟的长期钟差进行校正，最终得到高精度和高稳定度的综合时间基准，也可称其
为组合时。

[0065] 脉冲星时转换模块用于将TOA数据处理子系统所输出的脉冲到达时间转换为脉冲星时。

[0066] 参考图5，时间数据融合设备的具体工作流程为：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(即脉冲星时和原子钟时)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，从而利用高精度的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。

[0067] 本发明的月基脉冲星时间基准生成系统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点，同时克服了二者的缺点。

[0068] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方
案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明
的权利要求范围当中。