СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ АТОМНЫХ ЧАСОВ ПО НАБЛЮДАЕМЫМ НА РАДИОТЕЛЕСКОПЕ ИМПУЛЬСАМ ПУЛЬСАРА Российский патент 2008 года по МПК G04B49/00 

Изобретение относится к измерению времени и частоты с использованием шкал и эталонов атомного времени для наблюдения периодических астрофизических событий, в частности, импульсного радиоизлучения пульсаров - нейтронных звезд, обусловленных их вращением. Патентный поиск проведен по Реестру российских изобретений по классификации G04B 49/00 «Приборы для определения времени по Солнцу, Луне или звездам».

В качестве прототипа взят наиболее близкий по технико-технологической сущности комплексный способ синхронизации эталонов атомного времени, суть которого изложена в работе [1].

По прототипу, шкала атомного времени (Atomic time scale), с целью приближения ее точности к основным первичным цезиевым стандартам, которыми располагают National Research Council of Canada (NRC), Physicalish-Technische Bundesanstalt (PTB, Germany), формируется путем усреднения показаний множества атомных часов на основе промышленных цезиевых стандартов. Чтобы обеспечить приемлемую точность в условиях случайных, в том числе сезонных, вариаций промышленных цезиевых стандартов, величина которых не поддается строгой оценке, число их доведено до 180 в 1987 году. Полученная таким образом усредненная, или свободная, атомная шкала (EAL) имеет вариацию частоты на годичном интервале с амплитудой 10^-13 по отношению к первичному стандарту. На основе свободной атомной шкалы формируется шкала Международного атомного времени TAI путем модификации частоты EAL в случае необходимости с шагом 2×10^-14 с целью приведения в соответствие с частотой указанных первичных стандартов. Следовательно, во-первых, для достижения приемлемой точности свободная атомная шкала должна располагать многочисленной группой цезиевых стандартов, и, во-вторых, даже такое увеличение их числа не гарантирует присущей первичным стандартом точности шкалы и требует ее подстройки по результатам сличения с первичным стандартом.

Приведенный прототип имеет следующие недостатки.

Первый недостаток существующего способа заключается в том, что требуется множество эталонов для того, чтобы уменьшить влияние вариаций частоты каждого из них на стабильность результирующей свободной шкалы.

Вторым недостатком является то, что в условиях случайных вариаций промышленных цезиевых стандартов, величина которых не поддается точной оценке, усредненная свободная шкала также обладает статистической нестабильностью, обусловленной вкладом каждого эталона.

Третий недостаток заключается в том, что синхронизация свободной атомной шкалы осуществляется по первичным стандартам той же физической природы, которые, хотя и отличаются более высокой стабильностью по отношению к промышленным цезиевым стандартам благодаря тщательному контролю, но, в свою очередь, и им присущи вариации частоты аналогичного происхождения.

Четвертым недостатком является то, что в прототипе наблюдаемые моменты прихода импульсов радиоизлучения пульсаров, отличающиеся высокой стабильностью, не используются для синхронизации измерительных стандартов времени.

Известен способ создания и хранения временных интервалов, основанный на установлении периодичности некоторых устойчивых процессов, в котором с целью повышения точности хранения временных интервалов измеряют периодичность излучения нескольких пульсаров, выделяют моменты прихода среднего импульса для каждого из них с последующей временной привязкой среднего импульса к шкале атомного хранителя времени, синхронизированного со шкалой Государственного эталона времени и частоты, и по моментам совпадения средних импульсов судят о хранимом интервале [2].

Недостатком рассмотренного аналога [2] является то, что выделяемые в каждом сеансе наблюдений измеренные моменты прихода среднего импульса каждого пульсара содержат вариации, обусловленные нестабильностью местной шкалы времени радиотелескопа, которая формируется атомным хранителем времени, или измерительным эталоном радиотелескопа. Поэтому усреднение измеренных моментов прихода импульсов нескольких пульсаров хотя и уменьшает вариации интервалов времени за счет усреднения нескольких измеренных величин, но, как и в прототипе [1], не устраняет причину этих вариаций, обусловленных нестабильностью местной шкалы времени.

Цель изобретения - повышение стабильности синхронизации атомных часов их корректировкой по наблюдаемым интервалам импульсов пульсара, который не подвержен влиянию присущих атомным часам факторов нестабильности.

В наиболее близком аналоге [2] поставленная задача повышения точности хранения временных интервалов решается с помощью методов и технологических операций, детально описанных в [3].

Моменты прихода импульсов (МПИ) пульсара измеряются в системе координат с центром в фазовом центре радиотелескопа. Полученные значения МПИ с привязкой к фазовому центру радиотелескопа могут быть трансформированы в любую точку пространства путем их преобразования с помощью численных моделей в другую координатную систему в 4-мерном пространстве-времени. В качестве такой точки обычно выбирают центр масс (барицентр) Солнечной системы, в которой результаты измерения моментов импульсов пульсара, в отличие от результатов измерений непосредственно на радиотелескопе, оказываются независимыми от движения небесных тел в Солнечной системе.

При выборе начала координат в барицентре Солнечной системы порядковый номер импульса пульсара в зависимости от момента его прибытия в барицентр определяется счетной формулой:

где ΔT=T_N-T₀,

T_N - барицентрический момент прихода N-го импульса пульсара,

T₀ - барицентрический момент прихода импульса, выбираемого в качестве начального (начальная эпоха),

N₀ - номер импульса, соответствующий моменту T₀,

f, , - наблюдаемая в барицентре частота вращения пульсара и ее производные в момент Т₀.

На основании (1) по априори известным с оцениваемой погрешностью параметрам вращения пульсара устанавливается номер импульса пульсара на момент наблюдения, что гарантирует прогнозирование моментов всех без пропуска имевших место быть импульсов от некоторого начального момента.

Барицентрический момент t_n наблюдаемого импульса с номером N определяется полиномом, который следует непосредственно из (1):

где t₀ - начальный момент измерения,

P₀, - период вращения пульсара в начальный момент и его производная,

R_appr - погрешность аппроксимации из-за конечного числа членов полинома.

Номер N наблюдаемого импульса определяется в соответствии с (1) путем округления N до ближайшего целого.

В выражении (2) учтена только первая производная периода вращения пульсара, что оказывается достаточным при реально достижимой точности хронометрирования. Величина среднеквадратичной ошибки определения моментов импульсов составляет обычно 50-100 нс, и в эти же пределы укладывается погрешность аппроксимации на протяженности наблюдений в несколько лет, если учитывается только первая производная. Привлечение производных второго порядка может потребоваться с повышением точности определения моментов импульсов при протяженности наблюдений порядка десятков лет. Ввиду чрезвычайной малости и высокой стабильности абсолютных величин производных (например, для пульсара PSR 1937+21 первая производная а вторая производная по оценке составляет ) погрешность аппроксимации достигает величины порядка периода вращения пульсара (1,56 мс) на протяженности наблюдений только приблизительно через 10⁴ лет, если в полиноме (2) учитывать только период и первую производную и не учитывать вторую производную. Производные выше второго порядка практически не оказывают заметного влияния, которое следует учитывать в пределах любой реализуемой протяженности наблюдений.

По известным, ранее полученным из наблюдений значениям периода вращения пульсара P₀ и производной , определяют барицентрический момент наблюдаемого импульса пульсара с номером N с погрешностью аппроксимации R_appr.

Если барицентрические моменты t_n отсчитывать от некоторого импульса, выбранного в качестве начального, то выражение (2) с учетом того, что величина t₀ обращается в нуль, определяет интервалы между наблюдаемыми импульсами, отсчитываемыми от выбранного начального:

Это выражение с оцениваемой погрешностью определяет интервалы наблюдаемых импульсов в пределах всей протяженности наблюдений, составляющей, как правило, не менее нескольких лет.

В приведенном аналоге поставленная задача повышения точности хранения временных интервалов решается следующим образом. Радиотелескоп наводят на пульсар - вращающуюся нейтронную звезду и осуществляют прием и регистрацию его радиоизлучения в виде периодической последовательности импульсов. Прием и регистрация радиоизлучения пульсара осуществляются в процессе наблюдений пульсара по заранее установленным датам, которые определяют год, месяц, число и время начала наблюдений. Промежуток времени между датами наблюдений устанавливают, в зависимости от требуемой точности аппроксимации наблюдаемых интервалов импульсов пульсара, в пределах от нескольких часов до нескольких недель. Поскольку уровень принимаемого сигнала пульсара во много раз меньше уровня шумов, то для регистрации импульсов пульсара используют накопление слабых периодических сигналов с помощью синхронного накопителя. Запуск накопителя синхронизируют по ранее полученным из наблюдений значениям периода вращения пульсара и его производных, которые определены для барицентра Солнечной системы на фиксированную эпоху наблюдения. По этим значениям находят период вращения пульсара на конкретную дату наблюдений и пересчитывают значение периода к фазовому центру радиотелескопа на конкретную дату начала наблюдений с учетом орбитального и суточного движения радиотелескопа. Осуществляют последовательность запусков накопителя с постоянным периодом до достижения установленного числа накапливаемых импульсов, которое определяют таким образом, чтобы смещение накопленного импульса из-за изменения наблюдаемого периода вращения пульсара на радиотелескопе вследствие его орбитального и суточного движения на протяжении этой последовательности запусков накопителя не превосходило допустимую величину. Если по достижении установленного числа накапливаемых импульсов уровень накопленного импульса еще не достигает достаточной величины, устанавливают новое значение периода, продолжают накопление, и так продолжают до достижения уровня накопленного импульса, достаточного для надежного выделения профиля импульса, по которому измеряют момент импульса относительно момента запуска синхронного накопителя.

Моменты импульсов пульсара и моменты запуска синхронного накопителя отсчитывают по измерительному атомному эталону, входящему в состав инструментальных средств радиотелескопа, который синхронизирован с Госэталоном времени и частоты путем сличений времени несколько раз в сутки и внесением соответствующих поправок времени измерительного эталона по уточняющим показаниям Госэталона. Госэталон в свою очередь синхронизируется со шкалой Международного атомного времени. Единицей времени этой шкалы в 1967 г. определена 1 с: «Секунда есть промежуток времени, состоящий из 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133» [4].

Накопление импульса занимает время от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от плотности потока излучения пульсара и чувствительности радиотелескопа. За это время радиотелескоп принимает от нескольких тысяч до нескольких десятков или даже сотен тысяч импульсов. Выделенный в результате накопления импульс в равной степени может быть сопоставлен с любым из принятых за время накопления импульсов. При этом разница в численных значениях моментов будет составлять целое число периодов, которые разделяют моменты запуска накопителя.

Измеренный в фазовом центре радиотелескопа момент пересчитывают путем пространственно-временных преобразований в барицентрический момент импульса, наблюдаемого в координатной системе с центром в барицентре Солнечной системы, численная величина которого не зависит от орбитального и суточного движения радиотелескопа.

Описанный процесс накопления сигналов радиоизлучения пульсаров, определения момента импульса, наблюдаемого в фазовом центре радиотелескопа, преобразования его в барицентрический момент повторяют по установленным датам наблюдений, получают совокупность барицентрических моментов импульсов пульсара в пределах протяженности наблюдений, определяемой установленными датами наблюдений.

Измеряют периодичность излучения нескольких пульсаров, выделяют моменты прихода среднего импульса для каждого из них с последующей временной привязкой среднего импульса к шкале времени и по моментам совпадения средних импульсов судят о хранимом интервале [2].

Полученные по среднему импульсу наблюдаемые моменты, в отличие от рассчитанных по известным априори параметрам вращения пульсара, содержат вариации моментов, величина которых складывается из нескольких компонентов:

а) собственные вариации измерительного эталона,

б) вариации измеряемых моментов из-за статистической неопределенности регистрируемого радиоизлучения пульсара на фоне шумов,

в) погрешность многопараметрической оптимизации измеренных моментов ввиду ограниченной точности принятых численных значений учитываемых параметров,

г) собственный шум пульсара.

Эти вариации представляют собой случайные изменения во времени наблюдаемых моментов импульса пульсара и ограничивают достижимую точность хранения измеренных интервалов в известном способе.

В предлагаемом способе указанные выше недостатки существующего способа предлагается устранить путем внедрения дополнительных и изменения существующих технологических операций, в соответствии с которыми:

1. Всю совокупность барицентрических моментов импульсов пульсара в пределах протяженности наблюдений, которая определяется установленными датами наблюдений, отсчитывают относительно начального импульса этой протяженности в виде наблюдаемых интервалов от этого импульса. По наблюдаемым интервалам корректируют ранее полученные из предыдущих наблюдений барицентрические значения периода вращения пульсара P₀ и производной , и таким образом определяют наблюдаемые параметры вращения пульсара По скорректированным параметрам вращения пульсара определяют интервалы наблюдаемых импульсов относительно начального в пределах всей протяженности:

где TB_i - барицентрический наблюдаемый момент, равный интервалу, отсчитываемому относительно начального импульса,

R_i - значение вариаций для i-го наблюдаемого интервала,

i - порядковый номер наблюдаемого интервала на установленную дату в пределах протяженности наблюдений.

Согласно выражению (3) корректируют учитываемые величины периода и производной первого порядка, что достаточно для рассматриваемой протяженности наблюдений в несколько лет. В случае наблюдений большей протяженности (несколько десятков лет) может потребоваться учитывать и соответственно корректировать также производную второго порядка. Число корректируемых производных периода выбирают по величине допустимых вариаций интервалов, вычисленных по скорректированным значениям периода и производных, с тем чтобы вариации интервалов при изменении протяженности наблюдений не превосходили достижимую погрешность измерения интервалов. Число корректируемых производных сохраняют неизменным независимо от числа интервалов в пределах протяженности наблюдений.

Величины наблюдаемых параметров вращения пульсара , определяют коррекцией параметров P₀, таким образом, чтобы вычисленные по ним интервалы в пределах всей протяженности наблюдений имели минимальное значение среднеквадратичной величины разности наблюдаемых интервалов TB_i и вычисленных по скорректированным значениям периода и производной , по всем наблюдаемым моментам протяженности.

В результате этой коррекции определяют численные величины параметров вращения пульсара запоминают вычисленные по скорректированным значениям периода и производных интервалы наблюдаемых импульсов в пределах всей протяженности, и выделяют вариации R_i наблюдаемых интервалов в пределах всей протяженности наблюдений. Коррекция параметров вращения пульсаров выполняется каждый раз после получения очередного интервала в результате наблюдения очередного импульса на установленную дату наблюдений. Полученная по скорректированным параметрам вращения совокупность интервалов не зависит от вариаций наблюдаемых интервалов в пределах протяженности наблюдений и отличается от наблюдаемых интервалов на величину этих вариаций.

2. Измерительный эталон замещают атомными часами, которые подлежат синхронизации по импульсу пульсара, интервал которого был вычислен по скорректированным значениям периода и производных. Производят измерение интервала между этим и начальным импульсом с помощью синхронизируемых атомных часов. Осуществляют накопление сигналов до получения достаточного уровня накопленного сигнала, определяют момент наблюдаемого импульса пульсара в координатной системе с центром в фазовом центре радиотелескопа по шкале атомных часов, которыми был замещен измерительный эталон радиотелескопа, преобразуют его в барицентрический момент наблюдаемого импульса в координатной системе с центром в барицентре Солнечной системы и отсчитывают его в виде интервала относительно начального импульса В результате измерения синхронизируемыми часами получают новое значение интервала наблюдаемого импульса :

Из сопоставления (3) и (4) следует, что измеренное с помощью синхронизируемых атомных часов значение отличается от значения TB_i, полученного с помощью измерительного эталона (3), на величину ΔT. Поскольку в выражении (4) все параметры и численные величины R_i, определяющие измеряемый интервал и погрешность измерения с использованием атомных часов вместо измерительного эталона, такие же, что и в (3), то различие двух результатов измерений интервала одного и того же импульса пульсара измерительным эталоном и атомными часами обусловлено исключительно отклонением на эту величину показаний синхронизируемых атомных часов от значения интервала импульса пульсара, определяемого наблюдаемыми параметрами вращения пульсара, на дату синхронизирующего импульса. Важно отметить, что это отклонение отсчитывается от значения интервала, вычисленного по скорректированным значениям параметров вращения, которые не зависят от вариаций наблюдаемых интервалов, в том числе обусловленных измерительным эталоном, поскольку эти вариации в явном виде определены и не влияют на вычисленные по скорректированным параметрам вращения значение интервала и, следовательно, на величину упомянутого отклонения.

Таким образом, дополнительным измерением момента синхронизирующего импульса с помощью синхронизируемых часов, которые были использованы вместо измерительного эталона радиотелескопа, определяют их собственное отклонение от значения интервала на дату синхронизирующего импульса, которое вычислено по скорректированным значениям наблюдаемых параметров вращения пульсара.

3. Определяют разность интервалов синхронизирующего импульса, один из которых вычислен по скорректированным значениям периода вращения пульсара и производных по всей совокупности наблюдаемых интервалов в пределах протяженности наблюдений, а другой измерен по синхронизируемым атомным часам. Величина ΔТ этой разности выражается:

Отметим, что разность ΔT отсчитывается от значения интервала, вычисленного по скорректированным значениям параметров вращения, которые не зависят от вариаций наблюдаемых интервалов в пределах протяженности наблюдений. Поэтому величина этой разности, определяемая отклонением измеренного по атомным часам интервала синхронизирующего импульса от интервала того же импульса, вычисленного по скорректированным параметрам вращения пульсара, не зависит от вариаций измерительного эталона.

Ниже приведен пример реализации предложенного способа.

С помощью радиотелескопа по заранее установленным датам наблюдений осуществляют прием и регистрацию радиоизлучения пульсара в виде периодической последовательности импульсов. Для регистрации импульсов пульсара используют накопление сигналов с помощью синхронного накопителя, запуск которого синхронизируют по ранее полученным из наблюдений значениям периода вращения пульсара и его производных. Моменты импульсов пульсара и моменты запуска синхронного накопителя отсчитывают по измерительному атомному эталону, входящему в состав инструментальных средств радиотелескопа, который синхронизирован с Госэталоном времени и частоты, а тот в свою очередь - со шкалой Международного атомного времени. За время накопления импульса радиотелескоп принимает от нескольких тысяч до нескольких десятков или даже сотен тысяч импульсов.

На Фиг.1 показан профиль импульса пульсара В1937+21 (J1939+2134) после накопления. По оси Х отложено время, равное периоду вращения пульсара (приблизительно 1,5 мс для этого пульсара). Выделенный в результате накопления импульс сопоставляют с одним из принятых за время накопления импульсов и определяют его момент в координатной системе отсчета с центром в фазовом центре радиотелескопа. При этом разница в численных значениях моментов других принятых за время накопления импульсов будет составлять целое число периодов, которые разделяют моменты запуска накопителя.

Измеренный в фазовом центре радиотелескопа момент пересчитывают путем пространственно-временных преобразований в барицентрический момент импульса, наблюдаемого в координатной системе с центром в барицентре Солнечной системы, численная величина которого не зависит от орбитального и суточного движения радиотелескопа.

Повторением по установленным датам наблюдений процесса накопления сигналов радиоизлучения пульсаров, определения момента импульса в фазовом центре радиотелескопа, преобразования его в барицентрический момент получают совокупность барицентрических моментов импульсов пульсара на протяженности наблюдений в несколько лет.

Полученные барицентрические моменты всей совокупности импульсов в пределах протяженности наблюдений отсчитывают в виде интервалов от начального импульса этой совокупности. По полученным интервалам корректируют наблюдаемые величины периода вращения пульсара и производных и вычисляют по ним интервалы совокупности импульсов в пределах протяженности наблюдений. В результате коррекции достигается минимальное значение среднеквадратичной величины вариаций разности наблюдаемых интервалов и вычисленных по скорректированным значениям периода и производных. Вычисленные по скорректированным значениям периода и производных интервалы совокупности наблюдаемых импульсов в пределах протяженности наблюдений запоминают.

На примере данных хронометрирования пульсара PSR В1937+21 на радиотелескопе Аресибо (США) на 8-летней протяженности 1984-1992 гг. на частоте 2,3 ГГц [5] были получены интервалы измеренных за это время импульсов относительно выбранного в качестве начальной даты MJDo=46087,6785624680786, что соответствует начальному моменту ТВо=58627,79724199 с на эту дату, и в результате коррекции получены следующие значения периода и производной по этим данным:

Ро=0,00155780645565272 с; .

Для сравнения приведем расчетные значения этих параметров:

а) из каталога [6], 1993 г.:

Ро=0,00155780644887275 с;

б) по данным [5], 1994 г.:

Ро=0,001557806468819794 с; .

Из приведенных значений параметров P₀, следует, что полученные в результате коррекции величины периода вращения пульсара и его производной с высокой точностью согласуются с ранее установленным значениям по обоим источникам приблизительно на одну и ту же эпоху наблюдений, отличия не превышают разности оценок в источниках. На Фиг.2 приведены значения вариаций интервалов импульсов пульсара во всех точках измерения на 8-летней протяженности наблюдений (величина Ri в формуле (3)).

В результате коррекции периода вращения пульсара и его производной величина вариаций интервалов импульсов выделена в явном виде из совокупности наблюдаемых интервалов в пределах протяженности наблюдений, и не оказывает влияния на величину интервалов, рассчитываемых по скорректированным параметрам вращения пульсаров в пределах протяженности наблюдений.

Для оценки долговременной стабильности интервалов импульса пульсара PSR В1937+21, рассчитываемых по скорректированным параметрам вращения пульсара, из всей совокупности импульсов в пределах 8-летней протяженности наблюдений последовательно выделяют несколько совокупностей различной протяженности от начального импульса, находят значения скорректированных параметров вращения пульсара для каждой из них, рассчитывают по ним интервалы импульсов относительно начального, определяют разность между ними на даты наблюдений в пределах общей протяженности и вычисляют ее среднеквадратичное отклонение.

Были произведены оценки стабильности по совокупностям интервалов импульсов пульсара PSR В1937+21, наблюдаемых в течение 1, 2 и 3 лет. Определялась разность интервалов, рассчитанных по скорректированным параметрам вращения пульсара в пределах каждой совокупности, по выделенным попарно совокупностям в пределах 1 и 2 года на общей протяженности в 1 год и в пределах 2 и 3 года на общей протяженности в 2 года. На Фиг.3 показана разность вычисленных интервалов для двух указанных пар совокупностей: Фиг.3а - на общей протяженности 1 год по совокупностям в пределах 1 и 2 года, Фиг.3б - на общей протяженности 2 года по совокупностям в пределах 2 и 3 года.

По полученным среднеквадратичным величинам разности рассчитанных по скорректированным значениям интервалов импульсов СКО (1 год) = 36 нс и СКО (2 года) = 30 нс определены соответствующие им относительные величины разности с учетом протяженности наблюдений.

Они составили соответственно 1,15·10^-15 (1 год) и 0,48·10^-15 (2 года) и показывают, что достигаемая в соответствии с этими величинами стабильность интервалов импульсов пульсара PSR В1937+21 на порядок и более превосходит стабильность атомного эталона. Для сравнения, усредненная, или свободная, атомная шкала (EAL), приведенная в прототипе [1], имеет вариацию частоты на годичном интервале с амплитудой 10^-13 по отношению к первичному стандарту.

Для синхронизации атомных часов по наблюдаемому импульсу пульсара производят следующие действия. По описанной выше методике измеряют очередной интервал импульса на установленную дату в барицентрической системе координат и добавляют его к совокупности интервалов в пределах протяженности наблюдений. По совокупности интервалов, включая очередной, корректируют наблюдаемые величины периода вращения пульсара и производных, запоминают вычисленные по скорректированным значениям периода и производных интервалы совокупности наблюдаемых импульсов в пределах протяженности наблюдений. Затем измерительный эталон замещают атомными часами, по ним дополнительно производят накопление периодических сигналов радиоизлучения пульсара, находят новое значение интервала того же очередного импульса пульсара относительно начального в шкале замещающих атомных часов. Определяют разность между значениями интервалов, одно из которых вычислено по скорректированным значениям периода и производных по всей совокупности наблюдаемых интервалов в пределах протяженности наблюдений, а другое измерено в шкале замещающих атомных часов. Эта разность результатов двух измерений интервала одного и того же импульса пульсара обусловлена отклонением на эту величину показаний синхронизируемых атомных часов от значения интервала импульса пульсара, определяемого наблюдаемыми параметрами вращения пульсара, на дату синхронизирующего импульса.

На величину этой разности корректируют показание атомных часов, приводя их тем самым в соответствие с очередным интервалом на момент синхронизирующего пульсарного импульса, вычисленным по скорректированным значениям периода и производных по всей совокупности наблюдаемых интервалов в пределах протяженности наблюдений.

Через установленный промежуток времени процедура синхронизации повторяется в том же порядке, но уже по вновь выбранному очередному пульсарному импульсу.

Для иллюстрации выявления корректирующих поправок атомных часов по измеренным интервалам импульсов пульсара использовалась та же последовательность измеренных моментов на 8-летней протяженности по наблюдениям в Аресибо (1984-1992 гг.). После коррекции параметров вращения пульсара и запоминания вычисленных интервалов совокупности наблюдаемых импульсов по скорректированным значениям параметров вращения пульсаров измеренный интервал импульса, принятого в качестве синхронизирующего, модифицировался на величину вариации интервала этого импульса, выявленную в результате коррекции параметров вращения пульсара. Тем самым имитировалось изменение интервала синхронизирующего импульса, обусловленное замещением измерительного эталона атомными часами, на фиксированную и известную величину.

Определялась величина интервала этого импульса, сначала вычисленного по скорректированным параметрам вращения пульсара для всей совокупности импульсов, а затем его величина, полученная после модификации измеренного интервала при тех же параметрах вращения пульсара. Определялась разность двух полученных значений этого интервала, которая имитирует поправку атомных часов, показания которых путем модификации наблюдаемых интервалов были смещены на величину ранее выявленных вариаций.

На Фиг.4 показаны имитированные поправки атомных часов, выявленные при последовательном внесении модифицирующих вариаций в измеренные интервалы.

Из сравнения Фиг.4 и Фиг.2 следует, что выявленные значения поправок атомных часов с погрешностью в пределах 1% от абсолютной величины повторяют дополнительно внесенные вариации моментов наблюдаемых импульсов, имитирующие несовпадение показаний атомных часов и величины интервалов, вычисленных по скорректированным значениям периода и производных по всей совокупности наблюдаемых интервалов на ту же дату наблюдений. Если дополнительные вариации не вносились, что соответствует случаю, когда измерительный эталон не замещался атомными часами, величина поправок принимает нулевое значение для всех наблюдаемых импульсов. По этим поправкам корректируют показания атомных часов, приводя их в соответствие с вычисленными по скорректированным значениям параметров вращения пульсаров интервалов синхронизирующих импульсов, не подверженных влиянию вариаций. Корректирующие поправки отсчитываются от нулевых значений, соответствующих полной идентичности отсчетов атомных часов и вычисленных значений интервалов синхронизирующих импульсов по скорректированным параметрам вращения пульсара.

Следовательно, предложенный способ решает задачу повышения стабильности атомных часов синхронизацией по наблюдаемым импульсам пульсара. Долговременная стабильность синхронизируемых интервалов времени атомных часов находится в пределах 10^-15 на протяженности в пределах несколько лет и превосходит более чем на порядок достижимую стабильность свободной атомной шкалы, которая служит основой Международного атомного времени [1]. Высокая стабильность синхронизации достигается тем, что параметры вращения пульсаров, по которым определяются синхронизирующие интервалы, находятся по всей совокупности наблюдаемых импульсов и поэтому оказываются практически неизменными, с точностью до нескольких наносекунд на протяженностях в несколько лет. Поэтому нестабильность рассчитываемых по этим параметрам синхронизирующих интервалов, не зависящая измеряемых вариаций, оказывается несопоставимо меньше этих вариаций и не превышает достижимой погрешности измерения интервалов. В результате синхронизации устраняется неконтролируемая статистическая погрешность синхронизируемых атомных часов, и их показания воспроизводят стабильное время, которое детерминировано численными величинами параметров вращения пульсара и не подвержено вариациям инструментального и методического происхождения.

Суммируя, отметим, что предлагаемый способ синхронизации атомных часов по наблюдаемым на радиотелескопе импульсам пульсара включает накопление периодических сигналов импульсного радиоизлучения пульсара на установленную дату наблюдений с помощью синхронного накопителя, запуск которого синхронизируют по ранее полученным из наблюдений значениям периода вращения пульсара и его производных с учетом орбитального и суточного движения радиотелескопа на эту дату наблюдений и осуществляют последовательность запусков накопителя с постоянным периодом до достижения установленного числа накапливаемых импульсов, которое определяют таким образом, чтобы смещение накопленного импульса из-за изменения наблюдаемого периода вращения пульсара на радиотелескопе вследствие его орбитального и суточного движения на протяжении этой последовательности запусков накопителя не превосходило допустимую величину, затем устанавливают новое значение периода и продолжают накопление до получения достаточного уровня накопленного импульса, по накопленному импульсу, полученному из всей совокупности наблюдаемых за время накопления импульсов, определяют момент наблюдаемого импульса пульсара в координатной системе с центром в фазовом центре радиотелескопа по шкале местного времени измерительного эталона радиотелескопа, синхронизированного со шкалой Международного атомного времени, и преобразуют его в барицентрический момент наблюдаемого импульса в координатной системе с центром в барицентре Солнечной системы, осуществляют последовательность наблюдений импульсов пульсара по установленным датам наблюдений, получают совокупность барицентрических моментов импульсов пульсара в пределах протяженности наблюдений, определяемой установленными датами наблюдений, всю совокупность барицентрические моментов импульсов пульсара отсчитывают в виде интервалов от начального импульса пульсара в пределах протяженности наблюдений, по полученным интервалам корректируют наблюдаемые величины периода вращения пульсара и производных таким образом, чтобы вычисленные по ним интервалы совокупности импульсов в пределах протяженности наблюдений имели минимальное значение среднеквадратичной величины вариаций разности наблюдаемых интервалов и вычисленных по скорректированным значениям периода и производных, причем число корректируемых производных периода выбирают по величине допустимых вариаций интервалов, вычисленных по скорректированным значениям периода и производных при изменении протяженности наблюдений, и сохраняют неизменным независимо от числа интервалов в пределах протяженности наблюдений, запоминают вычисленную по скорректированным значениям периода и производных совокупность интервалов наблюдаемых импульсов в пределах протяженности наблюдений, измерительный эталон замещают атомными часами, по ним дополнительно производят накопление периодических сигналов радиоизлучения пульсара, находят новое значение интервала наблюдаемого импульса пульсара относительно начального по атомным часам, определяют разность между значениями интервалов, одно из которых вычислено по скорректированным значениям периода и производных по всей совокупности наблюдаемых интервалов в пределах протяженности наблюдений, а другое измерено по атомным часам, и по этой разности корректируют показание атомных часов.

Таким образом, предлагаемым способом устраняются указанные выше недостатки существующего способа и достигается поставленная цель изобретения - повышение стабильности синхронизации атомных часов их корректировкой по наблюдаемым интервалам импульсов пульсара, который не подвержен влиянию присущих атомным часам факторов нестабильности.

Источники информации

1. B.Guinot. Atomic time scales for pulsar studies and other demanding application. Astronomy and Astrophysics. 192, 370-373 (1988).

2. В.Г.Ильин, Ю.П.Илясов и др. Способ создания и хранения временных интервалов. А.с. №995062 SU. 1983, Бюллетень №5.

3. О.В.Дорошенко, С.М.Копейкин. Алгоритм высокоточного фазового анализа наблюдений одиночных пульсаров. Астрономический журнал, 1990, 67, 5, с.986-998.

4. К.Одуан, Б.Гино. Измерение времени. Основы GPS. Пер. с англ. под ред. В.М.Татаренкова. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2002, стр.73.

5. V.M.Kaspi, J.H.Taylor and M.F.Ryba. High Precision Timing of Millisecond Pulsars. III. Long-Term Monitoring of PSRs В1855+09 and В1937+21. The Astrophysical Journal, 428: 713-728, 1994, June 20.

6. J.H.Taylor, R.N.Manchester and A.G.Lyne. Catalog of 558 Pulsars. The Astrophysical Journal Supplement Series, 88: 529-568, 1993 October.

Изобретение относится к измерению времени и частоты с использованием атомных часов, синхронизируемых по наблюдаемым на радиотелескопе импульсам пульсара. Согласно изобретению всю совокупность барицентрических моментов импульсов пульсара отсчитывают от начального импульса пульсара в пределах протяженности наблюдений. По этой совокупности корректируют величины периода вращения пульсара и его производных. Далее измерительный эталон замещают атомными часами, дополнительно производят накопление периодических сигналов радиоизлучения пульсара, находят новое значение интервала наблюдаемого импульса пульсара относительно начального по атомным часам. По разности между интервалом, измеренным по атомным часам, и интервалом, вычисленным по скорректированным значениям периода вращения пульсара и его производных, корректируют показание атомных часов. Это позволяет повысить более чем на порядок, долговременную стабильность свободной атомной шкалы, которая служит основой Международного атомного времени. 4 ил.

Способ синхронизации атомных часов по наблюдаемым на радиотелескопе импульсам пульсара, включающий накопление периодических сигналов импульсного радиоизлучения пульсара на установленную дату наблюдений с помощью синхронного накопителя, запуск которого синхронизируют по ранее полученным из наблюдений значениям периода вращения пульсара и его производных с учетом орбитального и суточного движения радиотелескопа на эту дату наблюдений и осуществляют последовательность запусков накопителя с постоянным периодом до достижения установленного числа накапливаемых импульсов, которое определяют таким образом, чтобы смещение накопленного импульса из-за изменения наблюдаемого периода вращения пульсара на радиотелескопе вследствие его орбитального и суточного движения на протяжении этой последовательности запусков накопителя не превосходило допустимую величину, затем устанавливают новое значение периода и продолжают накопление до получения достаточного уровня накопленного импульса, по накопленному импульсу, полученному из всей совокупности наблюдаемых за время накопления импульсов, определяют момент наблюдаемого импульса пульсара в координатной системе с центром в фазовом центре радиотелескопа по шкале местного времени измерительного эталона радиотелескопа, синхронизированного со шкалой Международного атомного времени, и преобразуют его в барицентрический момент наблюдаемого импульса в координатной системе с центром в барицентре Солнечной системы, осуществляют последовательность наблюдений импульсов пульсара по установленным датам наблюдений, получают совокупность барицентрических моментов импульсов пульсара в пределах протяженности наблюдений, определяемой установленными датами наблюдений, отличающийся тем, что всю совокупность барицентрических моментов импульсов пульсара в пределах протяженности, определяемой установленными датами наблюдений, отсчитывают в виде интервалов от начального импульса пульсара в пределах этой протяженности, по полученным интервалам корректируют наблюдаемые величины периода вращения пульсара и производных таким образом, чтобы вычисленные по ним интервалы совокупности импульсов в пределах протяженности наблюдений имели минимальное значение среднеквадратичной величины вариаций разности наблюдаемых интервалов и вычисленных по скорректированным значениям периода и производных, причем число корректируемых производных периода выбирают по величине допустимых вариаций интервалов, вычисленных по скорректированным значениям периода и производных при изменении протяженности наблюдений, и сохраняют неизменным независимо от числа интервалов в пределах протяженности наблюдений, запоминают вычисленную по скорректированным значениям периода и производных совокупность интервалов наблюдаемых импульсов в пределах протяженности наблюдений, измерительный эталон замещают атомными часами, по ним дополнительно производят накопление периодических сигналов радиоизлучения пульсара, находят новое значение интервала наблюдаемого импульса пульсара относительно начального по атомным часам, определяют разность между значениями интервалов, одно из которых вычислено по скорректированным значениям периода и производных по всей совокупности наблюдаемых интервалов в пределах протяженности наблюдений, а другое измерено по атомным часам, и по этой разности корректируют показание атомных часов.