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用脉冲星的脉冲序号复现坐标时方法.pdf
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1、第 45 卷 第 2 期2024 年 2 月仪器仪表学报Chinese Journal of Scientific InstrumentVol.45 No.2Feb.2024DOI:10.19650/ki.cjsi.J2311801收稿日期:2023-08-15 Received Date:2023-08-15用脉冲星的脉冲序号复现坐标时方法刘 民1,童明雷2,平劲松3,刘文彪4,方海燕5,周庆勇6,帅 平7,何克亮8(1.北京东方计量测试研究所 北京 100094;2.中国科学院国家授时中心 西安 710600;3.中国科学院国家天文台北京 100101;4.北京师范大学物理学系 北京 10
2、0875;5.西安电子科技大学空间科学与技术学院 西安 710126;6.西安测绘研究所 西安 710054;7.钱学森空间技术实验室 北京 100190;8.中国空间技术研究院西安分院 西安 710100)摘 要:为实现包括地球和地球以外的时间统一,需要运用相对时间观的两种时间来替代目前时间计量体系中的标准时间,这两种时间分别是:原时和坐标时,其中坐标时可溯源到脉冲星时间基准上。为构建简单的本地轨道参数历表,阐明分层嵌套的空间包含关系,形成时间相对统一的观点。从计量角度,提出了一种脉冲星复现坐标时的理论,运用相对时间观中的时间和空间不可分割观点,归纳了统一时间的广域坐标系所必须具备的基本特征
3、,强调了原点观者的特殊性,提出了基于原点观者的脉冲星脉冲序号和初始历元的定义方法。首先,把一组脉冲星的脉冲序号约定为坐标时基准,用来复现坐标时,约定一组脉冲星的脉冲周期为固定的常数数组,约定后不再测定,常数的单位仍是国际单位制秒,常数可理解为脉冲序号的坐标时间隔与秒之间换算的系数。然后,基于平面电磁波模型,把脉冲星的脉冲电磁波经过原点的时刻与脉冲序号一一对应,于是原点观者的坐标时与连续的脉冲序号成为线性函数关系,最后,分析了脉冲星稳定特点,给出了以一组序号为变量的脉冲星集合稳定性判据。关键词:脉冲星;原时;坐标时;脉冲序号;空间守时系统;空间计量中图分类号:TH701 文献标识码:A 国家标准
4、学科分类代码:590.1099To re-build coordinate time by means of pulse sequence number from pulsarLiu Min1,Tong Minglei2,Ping Jinsong3,Liu Wenbiao4,Fang Haiyan5,Zhou Qingyong6,Shuai Ping7,He Keliang8(1.Beijing Orient Institute of Metrology and Test,Beijing 100094,China;2.National Time Service Center,Chinese A
5、cademy of Sciences,Xian 710600,China;3.National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China;4.Department of Physics,Beijing Normal University,Beijing 100875,China;5.School of Aerospace Science and Technology,Xidian University,Xian 710126,China;6.Xian Institute of surv
6、eying and Mapping,Xian 710054,China;7.Qian-Xueshen Space Technology Lab,Beijing 100190,China;8.Xian Branch,China Academy of Space Technology,Xian 710100,China)Abstract:To unify time on and out of the Earth,the viewpoint of relative time changes the time metrology standard from a unique standard time
7、 to two kinds of time:proper time and coordinate time,in which coordinate time can be traced to benchmark by pulsars.For the aim to build the ephemeris of orbit parameters simply locally,it is pointed out that the relationship of space inclusions is hierarchically nested,and the viewpoints of relati
8、ve unification of time are formed.It deeply demonstrates the theory of coordinate time rebuilt by pulsars,summarizes the basic characteristics of a wide area coordinate system that unifies time must have,emphasizes the particularity of the original observer,and puts forward the definition method of
9、pulsars sequence number and initial epoch based on the original observer,using the view that time and space are indivisible in the relative time view.First of all,to arrange a set of pulsar pulse signal as primary standard of the coordinate time,used to rebuild the coordinate time,convention a set o
10、f pulse period of pulsars for fixed constant array,no longer measuring after convention,the constant unit is still the international system of unitsseconds,constant can be understood as the pulse number coordinate time interval and conversion coefficient betweenseconds.Then,based on the plane electr
11、omagnetic wave model,corresponding to the time when the pulse electromagnetic wave of the pulsar passes through the origin and 第 2 期刘 民 等:用脉冲星的脉冲序号复现坐标时方法185 the pulse sequence number one by one,so the coordinate time of original observer and continuous pulse number become linear function relationsh
12、ip.Finally,analyzes the pulsar stability characteristics,and given pulsar set stability criterion by the arguments of a set of sequence number.Keywords:pulsar;proper time;coordinate time;pulse sequence number;space timekeeping system;space metrology0 引 言 当前地球上的时间维持规则采用“中心守时,局域授时”的模式,认为标准时间是唯一的;授时信号能
13、够跨越不同空间,使得用户时间设备与标准时间同步。这个规则认为地球上标准时间是均匀流逝的,用户时钟与标准时间的差被视为钟差1。用户与授时信号如果不同步,则被视为时间尺度变换问题,应修正时间单位(或秒长,或时间尺度),这就是当前时间计量正在进行的工作2。此观点正是典型的绝对时间观3。2021 年中国科学技术协会推出的重大科学问题“地球以外有统一的时间规则吗?”向绝对时间观提出了挑战4,认为地球以外跨越不同坐标系,应采用“局域原时,全域坐标时”的模式来统一时间;提出了相对时间观,认为标准时间不是唯一的。时间规则应还原到广义相对论的两种时间上,即原时和坐标时,把时间和空间联系起来,约定坐标系,运用轨道
14、参数,以实现广域的时间统一。虽然国际天 文 联 合 会(The International Astronomical Unoin,IAU)给出了地球时间与各种坐标时转换的算法和一些线性变换常数5,例如大地水准面时间(terrestrial time,TT)到地心坐标时(geocentric coordinate time,TCG),TCG 再到太阳系质心坐标时(barycentric coordinate time,TCB)的转换关系6,但是 IAU 决议仅仅适用于地球上的观者,不适用于地球以外的观者,是坐地观天的特例7。本文将突破地球的限制,把观者放到地球以外,从太阳系行星际的其他行星或航天
15、器上观测脉冲星;运用广义相对论的原时和坐标时概念,把观者的轨道参数作为已知量,计算脉冲星的脉冲到达坐标系原点的时间;进一步地给计时脉冲星的每个脉冲赋予顺序编号,通过序号的关联表达坐标时;用多颗脉冲星的序号之间的关系检验脉冲周期的稳定性,让脉冲序号复现坐标时。原点观者的坐标时是统一本坐标系内时间的参考基准,各个非原点观者只有把自己的原时换算到原点观者的坐标时上才能相互比较时间8。惯性坐标系上有两类特殊的点,一类点是坐标系原点,另一类是无穷远点。脉冲星可被观者群内的观者认为是近似无穷远点,因此脉冲星可作为观者群内复现坐标时的物理时钟9-10。按分层嵌套的关系划分观者群是统一空间的基本要求,先统一空
16、间,然后再统一时间。为方便理解,本文假设理想的广域坐标系模型,不失一般性考虑一种相对简单的场景,采用爱因斯坦引力场方程的史瓦西解所描述的模型,仅考虑质量体球对称,静态,质量分布在有界的范围内,界外为真空的情况11。球对称和静态的性质,说明了质心处的引力势为0,因此广域坐标系的原点也指定在质心处。1 坐标系和原点观者1.1 广域坐标系 相对论理论认为时间和空间不可分割。同时性仅在同一个坐标系内有定义,不同坐标系之间没有同时性12。统一时间的前提是统一空间。只有指定一个包含各个局域坐标系的广域坐标系(以下坐标系均指三维空间坐标系),才能在各个局域观者之间形成一致认同的时空参考。如太阳系质心参考系包
17、含了太阳系引力势范围内所有观者。本文经常提到的“观者”,是“观测者”的简称,是指包括位于坐标系原点、空间守时子系统、局域守时系统、以及时间用户系统等空间位置处的观测者,观者是统一时间的主体。所选定的广域坐标系有以下 3 个特点:1)方向约定。它是一种近似不旋转的坐标系,所有观者都定义作为参照物的脉冲星,是约定的方向参考,例如太阳系内的观者,做轨道运动情况下,需进行观测位置归算,补偿自己的视差和光行差影响后才能得到约定的脉冲星方向13。2)空间包含。空间包含是指有这样一群观者,他们为了统一时间而构成一个系统,该系统包含观者轨道内及其邻近空间的质量,观者们的轨道都定义在同一个坐标系内,并且坐标原点
18、在系统的质心上,例如太阳系全部质量的中心,太阳系内的观者空间位置都能在太阳系质心坐标系内唯一地表达,不同观者的轨道参数历表所指的坐标原点是同一个空间点。此坐标系内的所有观者都认同距离坐标原点非常远的脉冲星位于近似无穷远点,脉冲星的质量不包含在本系统内,例如太阳系内的观者认为太阳系全部质量的引力场在脉冲星位置处近似为 0。空间“包含”与“不包含”是理解空间统一的关键,例如地球附近的观者以地球质心为原点,统一坐标时的情况,不包含太阳和月球的质量,这种“包含”与“不包含”也划分出了统一时间的观者范围,或称“观者群”。在广义相对性原理中“任何坐标系都是平权的”,如何理186 仪 器 仪 表 学 报第
19、4 5 卷解“平权”思想,是指把坐标系之间“包含”与“不包含”的关系作为条件,来判别“物理规律形式不变”与“变”的差别。统一时间和空间,首先要分清被统一的对象和无需关注的对象。坐标时不只有一个。相对时间观所理解的坐标时,与所选择的坐标系一样,也是相对的。例如地球附近的观者选择地心坐标系,以地球质心为坐标原点得到轨道参数历表 1,同一个观者,若选择地月系(包含地球和月球的)质心坐标系,以地月质心为原点得到轨道参数历表 2,仍是同一个观者,若选择太阳系质心坐标系,以太阳系质心为坐标原点得到轨道参数历表 3,那么对应着轨道参数历表 1、2、3 就会有 3 种坐标时,于是就有 3 个观者群,分别是认同
20、地球质心为坐标系原点的观者群,和认同地月系质心为坐标原点的观者群,以及认同太阳系质心为坐标系原点的观者群,3 种观者群都有各自不同的坐标时,也都能用脉冲星复现各自不同的坐标时,进而统一各个群内的时间。3 种坐标时的不同之处,一是脉冲星周期不同,二是脉冲轮廓不同。究其原因是,同一个观者分别用轨道参数历表 1、2、3 代入式(1),当原时由 SI 秒定义和铯原子钟复现时,式(1)右边的坐标时 t,也用 SI 秒为单位,因轨道参数不同而不同,进而影响到被测的脉冲星轮廓和周期也不相同。坐标时的存在既是客观存在,也是非客观存在。从全局观者群来看,坐标时是客观的,是群内所有观者共同认知的,也是组织起观者群
21、的基础。从某一个局域上的观者来看,坐标时却又是非客观的,坐标时不可测量,只能通过原时和历表计算获得,历表不同,则坐标时和参考的坐标系原点也不同,坐标时也就不同,或者说坐标时依赖于观者而不独立。广域是相对于局域而言的,表示坐标系分层包含的关系,坐标系的分层嵌套是宇宙普遍现象,合理的分层嵌套关系能让轨道参数历表更加简洁,周期性更加简单。原点观者的特殊性。位于坐标原点的观者是一个特殊的假想观者,简称为原点观者,他有如下特点:1)其他非原点观者很容易通过其轨道参数历表联系到原点观者,他是空间参考基准点。2)原点观者的时间可被约定为坐标系内统一时间的参考,称为坐标时,他是时间参考基准,非原点观者可通过式
22、(1)和轨道参数历表,将原时换算为坐标时。3)从原点观者的角度观测到的多颗脉冲星的脉冲信号是稳定的,脉冲周期是可观测量,且周期的相互比值在一定范围内稳定,是集合稳定参考点(见第 3 章)。当坐标系有多级分层嵌套的结构时,原点观者是相对的,不只有一个,存在广域和局域的空间包含关系,每个原点观者的坐标时即是本层内观者的统一时间,又是近上一层坐标系内的局域原时。1.2 脉冲星与非原点观者 近似无穷远处的脉冲星的原时与坐标时相等,观者们都认同脉冲星处的时钟的相对论效应近似为 0,从史瓦西度规表达的原时与坐标时关系式(1)可知,当引力势 U 和相对于原点线速度 V 都为 0 时,坐标时等于原时14-15
23、。t=0+01+Uc2+V22c2()d(1)式中:t 为坐标时;为原时;t 为坐标时轴上的时间间隔,为原时轴上的时间间隔,以 SI 秒为单位;U 为时钟在 0时刻所处位置上的引力势;V 为时钟在 0时刻所处位置上相对于坐标系原点的线速度;c 为光速常数,以 m/s 为单位。史瓦西度规是简化了质量分布的理想情况16,所以式(1)不适用于质量分布界面以内的情况,U 和 V 都是与坐标变量有关的参数,合称为轨道参数。把轨道参数,如位置、速度、引力势排列成一个以本地原时 或者坐标时 t 为时间索引的二维数据表格,称为本地轨道参数历表或坐标时轨道参数历表,其位置和速度在广域坐标系内的周期性,称为公转周
24、期。可见公转周期也有两种表达方式,本地原时和坐标时,可以通过式(1)进行换算。非原点观者用本地原时为参考进行等间隔采样,测量脉冲星的脉冲轮廓和脉冲周期,因为不同局域的相对论效应影响不同,原时不能直接比较,因此所测量的脉冲轮廓和脉冲周期也不能直接比较,需经过两次时间轴变换17,再把本地测量的脉冲星数据归算到原点观者的位置上,换成从原点观者的视角,才能相互比较脉冲星的测量结果,时间轴转换算法在 3.3 节中提示,可见轨道参数历表在脉冲星数据处理中发挥关键作用。1.3 原点观者与时空统一 原点观者是运用相对时间观实现时间和空间统一的关键点。每个观者通过轨道参数历表与原点观者发生联系,又把独立测量的脉
25、冲星物理信号换算到原点观者的坐标时时间轴上,在原点观者的时间轴上比较各自独立测量的脉冲星轮廓和周期,在这个过程中实现时间的统一。若不同位置上的观者们都能用他们本地的原时和遥远的脉冲星作为输入,独立地测得原点观者能看到的脉冲星数据,而且不同观者的测量数据比较一致,或在约定的偏差范围以内,就实现了这些观者群内部的时间统一。相对时间观进一步发展,认为“时空统一”,“原点观者”,“广域坐标系”这些概念都是相对的,不存在超越所有坐标系的绝对单一的时空统一。当坐标系有多级分层嵌套的结构时,原点观者是相对的,不只有一个,存在广域和局域的空间包含关系,每个原点观者的坐标 第 2 期刘 民 等:用脉冲星的脉冲序
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