[论文解读] Using pulsars to define space-time coordinates

Bartolome Colland, Albert Tarantola|ArXiv.org|May 26, 2009

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用 10

一句话总结

本文提出了一种完全相对论性的、通用的时空坐标系，利用四颗选定的毫秒脉冲星的精确、准周期无线电脉冲作为天然的'卫星'。通过将原点定义在特定事件（2001年1月1日，剑桥射电望远镜处），该系统基于脉冲星信号的到达时间，为太阳系内及更远的任何事件分配四维坐标，实现约4纳秒的精度（相当于约1米）。

ABSTRACT

Fully relativistic coordinates have been proposed for (relativistically) running a "GPS" system. These coordinates are the arrival times of the light signals emitted by four "satellites" (clocks). Replacing the signals emitted by four controlled clocks by the signals emitted by four pulsars defines a coordinate system with lower accuracy, but valid across the whole Solar System. We here precisely define this new coordinate system, by choosing four particular pulsars and a particular event as the origin of the coordinates.

研究动机与目标

• 开发一种完全相对论性、即时的时空坐标系，不依赖人造卫星或地面时钟。
• 解决当前GPS系统不完全相对论性且依赖观测者相关测量的局限性。
• 建立一个在太阳系内及更远范围内均有效的稳定、通用坐标系，利用天然天体作为参考信号。
• 使航天器和深空殖民地能够自主利用脉冲星信号确定自身的时空坐标。
• 证明脉冲星可作为可靠、长期的相对论性定位参考点，即使在星际距离下亦成立。

提出的方法

• 基于其在太阳系周围近乎均匀的角分布和稳定的脉动周期，选择四颗毫秒脉冲星——0751+1807、2322+2057、0711-6830 和 1518+0205B。
• 将坐标系的原点定义为2001年1月1日，剑桥射电望远镜焦点处的事件（0H0’0”），即这些脉冲星被发现的位置。
• 将任意时空事件的坐标定义为该事件处标准接收器记录的四颗脉冲星信号的四次到达时间。
• 利用四颗脉冲星信号的到达时间，在自洽的相对论框架下计算任意事件的四维坐标。
• 利用毫秒脉冲星的稳定性和周期性实现高时间精度，其主要限制为星际色散（±4纳秒）。
• 仅在信号传播探测器沿路径记录脉冲星信号后，才能确保遥远位置（如冥王星）的坐标一致性——仅靠信息传输无法实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用天然天体而非人造卫星，构建一个完全相对论性、即时的时空坐标系？
• RQ2 如何利用四颗脉冲星信号的到达时间，定义一个在太阳系内通用且自洽的坐标系？
• RQ3 此类基于脉冲星的坐标系可实现多高的精度？其物理限制为何？
• RQ4 在何种条件下，深空殖民地（如冥王星上的殖民地）可采用并共享与地球相同的坐标系？
• RQ5 与当前GPS相比，该系统在相对论一致性与长期稳定性方面表现如何？

主要发现

• 所提出的基于脉冲星的坐标系实现了约1米的位置精度，对应约4纳秒的时间精度。
• 该系统完全相对论且即时，坐标由信号到达时间瞬时确定，无需事后处理或观测者轨迹信息。
• 所选四颗脉冲星（0751+1807、2322+2057、0711-6830、1518+0205B）在太阳系周围具有近乎均匀的角分布，可实现空间-时间中的稳健三角测量。
• 坐标系的原点定义为2001年1月1日0H0’0”，剑桥射电望远镜处的事件，为整个系统提供固定的参考点。
• 深空殖民地若要使用同一坐标系，必须通过沿轨迹记录脉冲星信号来物理传输原点信息——仅靠信息传输无法实现。
• 精度的主要限制因素来自星际色散，其引入约±4纳秒的时间不确定性，是系统中主要的误差来源。