广域空间内统一时间的方法和空间守时系统
技术领域
本发明涉及时间计量技术领域，尤其涉及一种广域空间内统一时间的方法和空间守时系统。
背景技术
时间的测量和规则是人类共同的语言，其中守时是建立和保持时间基准，并可以连续测量时间的技术，授时是传递时间信息，把用户的时间与标准时间同步的技术。人类在地球及其附近已经约定了两个规则用于统一时间：一是约定了时间单位，比如国际计量大会定义了国际单位制秒(SI秒)，即铯原子133超精细能级间，电子跃迁辐射出的微波9192631770个周期所经历的时间定义为1秒；二是约定了时间的起始时刻，现用的公历把耶稣诞生一周后的那一天约定为1世纪1年1月1日。
现有的守时技术是在大地水准面上，由全球数十个守时实验室的铯原子钟复现SI秒，测量地方原子时，再由国际计量局的时间频率计量室收集各地原子时数据并加权平均，产生国际原子时，再加入因地球自转减速而增加的闰秒，形成协调世界时。协调世界时作为地球上的标准时间，由各地守时机构发布授时信号，这种守时-授时技术要求所有用户的时间都必须与标准时间同步。但是由于引力势和相对速度等相对论效应的影响，不同坐标系之间没有同时性，同时性仅在同一个坐标系内有定义，地球现有的守时-授时技术不能跨越不同的坐标系进行时间的统一，所以如何统一地球、天体和航天器的时间仍是未解难题。
虽然月球、火星和木星等深空探测器与地面站的时间是近似同步的，用地面授时信号来实现航天器的时间与地面近似同步，但是这些都是单一独立的且自成体系的系统，航天器等不能自己产生标准时间，不能成为守时系统。
发明内容
本发明实施例提供了一种广域空间内统一时间的方法和空间守时系统，以解决现有的守时-授时技术不能跨越不同坐标系进行统一时间，地球以外其他天体和航天器受相对论效应影响无法准确授时的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种广域空间内统一时间的方法，包括：
建立广域惯性坐标系，所述广域惯性坐标系包括统一时间所覆盖的空间范围内的所有局域坐标系；
获得本地原时，并以所述本地原时为时间自变量建立本地轨道参数历表；
根据所述本地原时观测脉冲星的脉冲轮廓，确定脉冲本地时间，所述脉冲本地时间为所述脉冲星的脉冲到达本地时刻的坐标时；
利用所述本地轨道参数历表将所述脉冲本地时间进行转换，得到脉冲原点时间，所述脉冲原点时间为脉冲到达所述广域惯性坐标系的原点时刻的坐标时。
进一步地，所述广域空间内统一时间的方法还包括：
确定脉冲星的初始历元，所述初始历元为序号为0的脉冲到达所述广域惯性坐标系的原点时刻的坐标时；
根据所述初始历元建立脉冲星历表，所述脉冲星历表包括脉冲星名称、脉冲星的方位矢量、脉冲星的脉冲轮廓、脉冲轮廓的初始相位、脉冲轮廓的零相位模型、脉冲星的脉冲周期、所述脉冲周期的修正值和所述初始相位的修正值。
进一步地，所述序号为n的脉冲的脉冲原点时间的表达式包括：
ton＝n(T+△T)+(p+△p)
其中，ton为序号为n的脉冲的脉冲原点时间，T为所述脉冲星的脉冲周期，△T为所述脉冲周期的修正值，p为所述脉冲轮廓的初始相位，△p为所述初始相位的修正值。
进一步地，根据所述本地原时观测脉冲星的脉冲轮廓，确定脉冲本地时间，包括：
观测脉冲星的脉冲轮廓，获得以所述本地原时为时间自变量的脉冲数据序列；
根据所述本地轨道参数历表和所述脉冲星的方位矢量，将以所述本地原时为时间自变量的脉冲数据序列转换为以本地坐标时为时间自变量的脉冲数据序列；
对以本地坐标时为时间自变量的脉冲数据序列进行脉冲轮廓叠加计算或互相关计算，得到所述脉冲本地时间。
进一步地，所述本地轨道参数历表包括：本地位置矢量、本地速度矢量和本地引力势；
相应的，根据所述本地轨道参数历表和所述脉冲星的方位矢量，将以所述本地原时为时间自变量的脉冲数据序列转换为以本地坐标时为时间自变量的脉冲数据序列，包括：
利用多普勒效应公式、所述本地速度矢量和所述脉冲星的方位矢量，对所述本地原时的时间轴进行变换得到第一时间轴；
利用相对论效应、所述本地速度矢量和所述本地引力势，对所述第一时间轴进行变换得到本地坐标时的时间轴；
根据所述本地坐标时的时间轴确定以本地坐标时为时间自变量的脉冲数据序列。
进一步地，利用多普勒效应公式、所述本地速度矢量和所述脉冲星的方位矢量，对所述本地原时的时间轴进行变换得到第一时间轴，包括：通过
得到第一时间轴的时间间隔△τa；其中，Va为本地相对所述脉冲星的运动速度，
进一步地，利用相对论效应、所述本地速度矢量和所述本地引力势，对所述第一时间轴进行变换得到本地坐标时的时间轴，包括：通过
得到所述本地坐标时的时间轴的时间间隔△t；其中：t为本地坐标时的时间变量，τ为本地原时的时间变量，△τa为第一时间轴的时间间隔，U为所述本地引力势，V为根据所述本地速度矢量确定的本地位置相对于所述广域惯性坐标系的线速度，c为光速。
进一步地，利用所述本地轨道参数历表将所述脉冲本地时间进行转换，得到脉冲原点时间，包括：通过
ton＝tn+dn/c，
得到序号为n的脉冲的脉冲原点时间ton；其中，tn为序号为n的脉冲的脉冲本地时间，dn为本地位置在tn时刻到广域惯性坐标系的原点的距离，
进一步地，在得到脉冲原点时间之后，还包括：
将脉冲序号信息广播到多个局域守时系统，以使每个所述局域守时系统根据接收到的脉冲序号信息修正自身的脉冲原点时间，所述脉冲序号信息包括当前脉冲的序号和与所述脉冲的序号对应的所述脉冲原点时间；
并获取每个所述局域守时系统发送的脉冲序号信息，并根据多个脉冲序号信息更新自身的脉冲原点时间。
本发明实施例的第二方面提供了一种空间守时系统，包括多个局部守时系统，每个局部守时系统均包括：信息处理装置、原时测量装置和脉冲星脉冲的测量装置；
所述信息处理装置用于建立广域惯性坐标系，所述广域惯性坐标系包括统一时间所覆盖的空间范围内的所有局域坐标系；
所述原时测量装置用于获得本地原时；所述信息处理装置还用于以所述本地原时为时间自变量建立本地轨道参数历表；
所述脉冲星脉冲的测量装置用于根据所述本地原时观测脉冲星的脉冲轮廓，得到以本地原时为时间自变量的脉冲数据序列；所述信息处理装置还用于根据所述以本地原时为时间自变量的脉冲数据序列确定脉冲本地时间，所述脉冲本地时间为所述脉冲星的脉冲到达本地时刻的坐标时；
所述信息处理装置还用于利用所述本地轨道参数历表将所述脉冲本地时间进行转换，得到脉冲原点时间，所述脉冲原点时间为脉冲到达所述广域惯性坐标系的原点时刻的坐标时。
进一步地，每个局部守时系统的所述信息处理装置还用于：
将脉冲序号信息广播到多个局域守时系统，以使每个所述局域守时系统根据接收到的脉冲序号信息修正自身的脉冲原点时间，所述脉冲序号信息包括当前脉冲的序号和与所述脉冲的序号对应的所述脉冲原点时间；
并获取每个所述局域守时系统发送的脉冲序号信息，并根据多个脉冲序号信息更新自身的脉冲原点时间。
本发明实施例的广域空间内统一时间的方法和空间守时系统与现有技术相比存在的有益效果是：首先建立广域惯性坐标系，包括统一时间所覆盖的空间范围内的所有局域坐标系，以便在多个独立局域守时系统之间实现统一时间；然后获得本地原时，并以本地原时为时间自变量建立本地轨道参数历表，以及根据所述本地原时观测脉冲星的脉冲轮廓，确定脉冲星的脉冲本地时间，再利用本地轨道参数历表将脉冲到达本地时刻的坐标时转换为脉冲到达广域惯性坐标系的原点时刻的坐标时，以脉冲原点时间作为广域空间的时间，达到统一时间的目标，满足不依赖地球上的授时信号而独立测量时间的需求，适用于地球以外其他天体和航天器。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种广域空间内统一时间的方法的实现流程示意图；
图2是图1中步骤S103的具体流程示意图；
图3是图2中步骤S202的具体流程示意图；
图4是本发明实施例提供的当前地球守时-授时技术的基本原理图；
图5是本发明实施例提供的一种广域惯性坐标系的示意图；
图6是本发明实施例提供的确定脉冲星初始历元的原理图；
图7是本发明实施例提供的一种空间守时系统的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参见图1，为本实施例提供的广域空间内统一时间的方法的一个实施例实现流程示意图，详述如下：
步骤S101，建立广域惯性坐标系，所述广域惯性坐标系包括统一时间所覆盖的空间范围内的所有局域坐标系。
现有技术中有提出，相对论效应会造成不同引力势和不同速度的观者之间测量时间不同的问题，在不同坐标系之间测量时间要考虑相对论效应，但没有给出解决问题的方法；北京东方计量测试研究所和中国空间技术研究院钱学森实验室提出在大尺度广域时空中构建守时系统，但只是初步给出了设计思路，没有给出具体的实现方法，不具有实用性；中国地震局地震研究所和武汉大学卫星导航定位技术研究中心计算了澳大利亚国家天文台的12颗脉冲星计时数据，得出国际原子时存在累计性误差的结论，但文中没有考虑相对论效应对时间坐标轴的影响，仅在转换太阳系质心坐标时过程中把相对论效应作为固定项进行修正，对其它天体不具有普遍适用性；还有类似的有关“综合脉冲星时”的其它论文，如仲崇霞在论文“综合脉冲星时算法及脉冲星时应用”等类似论文中，研究目标是用脉冲星的稳定性对比地球国际原子时间的稳定性，但没有涉及广域中的时间统一问题。
所以本实施例提供了一种广域空间内统一时间的方法，建立广域惯性坐标系，用脉冲到达广域惯性坐标系的原点时刻的坐标时来表达、传递和统一时间，适用于地球以外的任一天体和航天器。
所述广域惯性坐标系中的惯性是指坐标轴的指向相对于脉冲星来说不能旋转，且坐标系内的天体或航天器，在没有施加除引力以外的其它作用力下作惯性轨道运动。
可选的，本实施例建立广域惯性坐标系的原则包括但不限于以下内容：1)坐标系内脉冲星的脉冲周期在1ms～100ms范围内，且周期稳定性优于1E-18；2)坐标系内脉冲星的脉冲轮廓清晰，脉冲轮廓稳定，有易于识别轮廓的拐点；3)坐标系内脉冲星的脉冲能量谱分布宽，不但能被地面的射电天文望远镜观测，还能被航天器搭载的X射线天线观测；4)坐标系内脉冲星的方位稳定，且光子能量容易探测；5)脉冲星的数量和分布，应确保在广域惯性坐标系的任意观测方向的±60°入射角内都能有至少1颗脉冲星，若在广域惯性坐标系的各方位均匀分布，脉冲星的数量不少于14颗。
可选的，本实施例的广域惯性坐标系的原点设定在广域的质量中心。所述质量中心又叫质心，是引力势作用范围内所有天体的质量中心，质心的引力势为零，比如太阳占太阳系的99.86％质量，木星占太阳系的0.13％质量，其他行星总和占太阳系的不到0.01％的质量，所以太阳系的质心不是太阳的质心，太阳系的质心在太阳和木星的连线上。本实施例的方法因适用于太阳系质心坐标系、火星质心坐标系和地球质心坐标系等多种情况，他们在各自的引力势范围内都具有广域惯性坐标系的特点，因此本实施例用广域惯性坐标系代表此类坐标系。
步骤S102，获得本地原时，并以所述本地原时为时间自变量建立本地轨道参数历表。
可选的，本实施例使用原时测量装置获取本地原时，用于本地时间参考，并把本地原时作为本地轨道参数历表的时间变量。所述原时测量装置为复现SI秒定义的测量仪器，如地面的铯原子钟均可以测量原时，所以本地原时是以SI秒为单位在本地测量的时间，此时间作为本地守时基准。本地时间的起点可由本地自行约定，也可选用接近脉冲星初始历元的时刻。
自1967年起国际计量大会约定了使用铯原子钟复现SI秒，且中国科学院上海精密光学机械研究所于2018年搭载天宫2号空间实验室，成功试验了空间铯原子钟，达到了7.2E-16/s的稳定性。空间守时系统需要满足低功耗、小型化和长寿命的特点，所以现有技术还需进一步发展提升，这也是铯原子钟未来发展方向。当前时间间隔测量需求已达到飞秒量级，显然以铯原子为代表的微波频率标准在定义和原理上都不能满足当前飞秒量级的测量溯源需求，新的秒定义正在计量前沿领域开展研究，以光频来定义新的SI秒成为未来发展方向。所以，如果未来人类更新SI秒定义，那么原时测量装置也将随之变为新定义所推荐的设备。因此本发明不限定用铯原子钟来定义本地原时单位，即假如人类日后有新的关于时间单位的约定，则本发明的原时测量装置随之变更为新约定的测量仪器。
进一步地，本实施例的本地轨道参数历表是指本地质心在广域惯性坐标系内做轨道运动的周期性参数与本地原时的对应关系表。周期性参数包含但不限于本地位置矢量、本地速度矢量和本地引力势。
示例性的，参见表1，为本实施例的一种本地轨道参数历表。本地轨道参数历表以本地原时τ为索引，等间隔地列出了当前局域守时系统所处的本地相对于广域惯性坐标系的原点的轨道参数信息，例如本地位置矢量
其中：Δti为本地坐标时的时间轴的不等间隔步长，τi为本地原时，Δτ为本地原时的时间轴的等间隔步长，U(τ)为本地引力势，可从本地轨道参数历表中查得；V(τ)为本地位置相对于所述广域惯性坐标系的线速度，Vx(τ)为x方向的本地速度矢量，Vy(τ)为y方向的本地速度矢量，Vz(τ)为z方向的本地速度矢量，Vx(τ)、Vy(τ)和Vz(τ)均可从本地轨道参数历表中查得，c为光速。
表1本地轨道参数历表
本实施例的本地轨道参数历表中的周期性参数可由天文观测数据经过时间坐标轴变换获得，但一般天文历表是使用地球上的时间来标记，不便于其他局域守时系统使用，需要转换为其他局域守时系统的本地时间，可参照上述公式；本地轨道参数历表中的周期性参数也可在守时的反馈过程中，根据其它局部守时系统的脉冲序号信息不断修正得到。
可选的，本实施例的线速度不限定为本地相对于广域惯性坐标系的原点的线速度。比如，广域惯性坐标系是太阳系质心坐标系，对于地球轨道的卫星来说，若本地轨道参数历表是以地球质心坐标系为参考的，则它需要经过两次时间坐标轴变换过程才能把地球质心坐标时换算到太阳系质心坐标时上(将脉冲到达本地时刻的坐标时转换为脉冲到达广域惯性坐标系原点时刻的坐标时)：第一次利用卫星在地球轨道上的本地轨道参数历表，把原时时间轴换算到地球质心坐标时的时间轴上，此时线速度是卫星相对于地球质心坐标的原点的线速度；第二次利用地球在太阳系质心坐标系上的轨道参数历表，把地球质心坐标时再次换算到太阳系质心坐标系的坐标时上，此时线速度是地球质心相对于太阳系质心坐标系的原点的线速度。若本地轨道参数历表是以太阳系质心坐标系为参考的，则卫星仅需要经过一次时间轴变换即可把第一时间轴换算为坐标时时间轴，此时线速度是卫星相对于太阳系质心坐标系的原点的线速度。
步骤S103，根据所述本地原时观测脉冲星的脉冲轮廓，确定脉冲本地时间，所述脉冲本地时间为所述脉冲星的脉冲到达本地时刻的坐标时。
可选的，本实施例使用脉冲星脉冲的测量装置来观测脉冲星的脉冲轮廓，脉冲本地时间是脉冲星的脉冲到达本地时刻的坐标时，即用本地的坐标时的时间轴表示的时刻。所述脉冲星脉冲的测量装置，是能够接收脉冲星发出的某波段电磁波能量的装置，并把对应本地原时表示的能量幅值序列作为脉冲轮廓的测量数据的装置，如地面的大尺度射电天文望远镜，我国贵州的FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，500米口径球面射电望远镜)是世界上最大的射电天文望远镜，再比如卫星上测量X射线的天线。
具体的，脉冲本地时间tn是本地实时观测到的某脉冲星序号为n的脉冲轮廓的零相位点在本地坐标时的时间轴上对应的时刻，或者序号为n的脉冲轮廓的特殊拐点的时刻加上脉冲轮廓的初始相位后，在本地坐标时的时间轴上对应的时刻。
在一个实施例中，本发明的广域空间内统一时间的方法还可以包括：
确定脉冲星的初始历元，所述初始历元为序号为0的脉冲到达所述广域惯性坐标系的原点时刻的坐标时。
根据所述初始历元建立脉冲星历表。
所述脉冲星历表为所选定的脉冲星的固有信息与坐标时的关系表，所述脉冲星历表包括但不限定为以下信息：脉冲星名称、脉冲星的方位矢量、脉冲星的脉冲轮廓、脉冲轮廓的初始相位、脉冲轮廓的零相位模型、脉冲星的脉冲周期、所述脉冲周期的修正值和所述初始相位的修正值。
进一步地，序号为n的脉冲的脉冲原点时间的表达式包括：
ton＝n(T+△T)+(p+△p)
其中，ton为序号为n的脉冲的脉冲原点时间，T为所述脉冲星的脉冲周期，△T为所述脉冲周期的修正值，p为所述脉冲轮廓的初始相位，△p为所述初始相位的修正值。
首先，本实施例先确定脉冲星的初始历元，然后以初始历元定义脉冲星历表。所述初始历元是指脉冲编号为零的脉冲到达广域惯性坐标的原点时刻的坐标时，对于多颗脉冲星来说，初始历元是唯一的，在初始历元时刻，每颗脉冲星的脉冲轮廓上指定特殊拐点作为初始相位，或者当特殊拐点不明显情况时定义零相位点的模型(如图6中的函数g(x))。一旦确定了脉冲星的初始历元，则后续到达广域惯性坐标系的原点的脉冲都能用连续的脉冲序号标识。对于确定的脉冲星，其序号为n(n为自然数)的脉冲到达广域惯性坐标系的原点的时刻ton之间有确定的关系，即ton＝nT，T为脉冲周期，此关系对于不同局域守时系统来说都是相同的。
如今发现的脉冲星已超过4千多颗，适合用于参考基准的脉冲星应具备以下特征：1)脉冲周期在1ms～100ms范围内，且周期稳定性优于1E-18；2)脉冲轮廓清晰，脉冲轮廓稳定，最好有易于识别的特征点，轮廓是脉冲星的脸，在同一个视向上有不同的脉冲星，只有通过脉冲轮廓叠加计算或互相关计算，才能区分出不同的脉冲星轮廓；3)脉冲能量谱分布宽，既有射频谱段的电磁波能量，又有X射线谱段的电磁波能量，不但能被地面的射电天文望远镜观测，还能被航天器搭载的X射线天线观测，脉冲星在不同电磁波谱段的脉冲轮廓是不相同的；4)脉冲星的方位稳定，且光子能量容易探测，距离越远，方位越稳定，然而距离远，则脉冲能量越弱，不容易探测，因此需要权衡。目前国际上脉冲星观测积累了大量数据，有约200多颗脉冲星适合于参考基准，被选定作为参考基准的脉冲星都对应一个脉冲星历表。为空间守时系统积累脉冲星数据，需要把所选脉冲星的脉冲到达广域惯性坐标系的原点(例如太阳系质心)的时间作为时间轴的变量，而不是目前普遍采用的地球大地水准面时间作为时间变量。
示例性的，参见图5，本实施例的广域惯性坐标系以太阳系质心坐标系BSS为实例，太阳系的质心设定为坐标系的原点，记为OBSS，在太阳系引力范围内可以使用坐标时来统一时间。需要注意的是，太阳系的质心不是太阳的质心，OBSS在太阳与木星连线上，且靠近太阳，太阳围绕OBSS的转动周期约为12年。在太阳系内的天体，如地球、月球、火星、火星的卫星、木星和土星等，以及惯性运动的航天器都可以视为独立的局域守时系统。
进一步地，参见图6，示出了脉冲星a和脉冲星b到达OBSS的脉冲轮廓为平面电磁波的能量幅值。脉冲星a和脉冲星b的脉冲周期分别为Ta和Tb，在广域惯性坐标系上的位置矢量分别为
具体的，脉冲星a和脉冲星b的初始历元确定过程如下：把t＝0的时刻确定为初始历元，脉冲星a的轮廓上有尖锐且易辨识的拐点，若脉冲星a的初始相位为pa，则脉冲星a中序号为0的脉冲的拐点到达OBSS的时间为t0＝pa；脉冲星b的轮廓上没有易辨识的点，令脉冲星b初始相位pb＝0，把脉冲星b的从t＝0到t＝Tb期间的脉冲轮廓幅值进行归一化波形得到脉冲星b的零相位模型，使用零相位模型与从t＝0到t＝Tb的被测脉冲轮廓幅值的数据序列进行互相关计算，当互相关系数最大时刻即为脉冲本地时间。本实施例对所有候选的脉冲轮廓的初始相位或零相位模型进行规定，确定对应的初始历元并取得一致。初始历元确定后，每个脉冲都赋予了唯一的编号，这就是脉冲序号i(i＝1,2,...,n)，并得到广域惯性坐标系内相对于坐标原点的平面电磁波划分成的坐标时的时间轴。
进一步地，参见图2，步骤S103中所述的根据所述本地原时观测脉冲星的脉冲轮廓，确定脉冲本地时间的具体实现流程包括：
步骤S201，观测脉冲星的脉冲轮廓，获得以所述本地原时为时间自变量的脉冲数据序列。
步骤S202，根据所述本地轨道参数历表和所述脉冲星的方位矢量，将以所述本地原时为时间自变量的脉冲数据序列转换为以本地坐标时为时间自变量的脉冲数据序列。
步骤S203，对以本地坐标时为时间自变量的脉冲数据序列进行脉冲轮廓叠加计算或互相关计算，得到所述脉冲本地时间。
可选的，用互相关计算或脉冲轮廓叠加计算可以获得脉冲本地时间。一般脉冲星脉冲的测量装置中采集器的采样时钟是本地原时提供的，所得的采样数据是以本地原时为时间自变量的等间隔时刻测量到的光子能量幅值。这是以本地原时为时间自变量的数据序列，不能直接用于互相关计算或脉冲轮廓叠加计算。所以本实施例先将本地原时的时间轴变换到本地坐标时的时间轴上，得到以本地坐标时表示的脉冲数据序列，再进行脉冲轮廓叠加计算或互相关计算得到脉冲本地时间，这样计算的结果才是准确的脉冲本地时间，消除了测量噪声，提升了测量准确度。
具体的，因为脉冲轮廓很稳定，本实施例用本地实时观测到的数据序列f(t)与某脉冲星历表中的脉冲的“零相位模型”(如图6中的f(t)和g(t))进行互相关计算，得到R(t)。“零相位模型”设为g(t)，也可以称作脉冲轮廓波形曲线，得到的互相关系数R(t)最大点对应的时刻为脉冲到达本地的用坐标时表示的时刻。互相关计算的公式如下：
其中，T为脉冲星的脉冲周期。
脉冲轮廓叠加算法是指把坐标时的时间轴上连续多个周期的脉冲数据序列，按脉冲周期间隔裁剪成若干份，再把同相位数据的幅值做算数平均计算，获得一个周期的波形，可有效抑制非整周期的噪声。
进一步地，参见图3，步骤S202中的根据所述本地轨道参数历表和所述脉冲星的方位矢量，将以所述本地原时为时间自变量的脉冲数据序列转换为以本地坐标时为时间自变量的脉冲数据序列的具体实施例包括：
步骤S301，利用多普勒效应公式、所述本地速度矢量和所述脉冲星的方位矢量，对所述本地原时的时间轴进行变换得到第一时间轴。
步骤S302，利用相对论效应、所述本地速度矢量和所述本地引力势，对所述第一时间轴进行变换得到本地坐标时的时间轴。
步骤S303，根据所述本地坐标时的时间轴确定以本地坐标时为时间自变量的脉冲数据序列。
本实施例使用时间轴变换算法把脉冲数据序列由本地原时的表示变换为由本地坐标时的表示。所述时间轴变换算法为脉冲轮廓测量数据幅值所对应的本地原时的时间轴转换为本地坐标时的时间轴的计算方法，即先用多普勒效应公式做时间轴变换，其次用相对论效应做时间轴变换。
进一步地，通过
得到第一时间轴的时间间隔△τa；其中，Va为本地相对所述脉冲星的运动速度，接近脉冲星Va为正，远离脉冲星Va为负，
进一步地，通过
得到所述本地坐标时的时间轴的时间间隔△t；其中：t为本地坐标时的时间变量，τ为本地原时的时间变量，△τa为第一时间轴的时间间隔，U为所述本地引力势，V为本地位置相对于所述广域惯性坐标系的线速度，可由上述描述得知，c为光速。
步骤S104，利用所述本地轨道参数历表将所述脉冲本地时间进行转换，得到脉冲原点时间，所述脉冲原点时间为脉冲到达所述广域惯性坐标系的原点时刻的坐标时。
本实施例是用广域惯性坐标系上的坐标时来表达、传递和统一时间。广域惯性坐标系的坐标时是指：相对于广域惯性坐标系的原点，相对速度为零且引力势为零的位置上，用国际单位制秒为单位测量的时间。脉冲星的位置近似于无穷远点，无穷远点具有符合坐标时定义的特征，所以可以用脉冲星发出的脉冲作为坐标时的参考。
进一步地，通过
ton＝tn+dn/c，
得到序号为n的脉冲的脉冲原点时间ton；其中，tn为序号为n的脉冲的脉冲本地时间，dn为本地位置在tn时刻到广域惯性坐标系的原点的距离，
在一个实施例中，在步骤S104所述的得到脉冲原点时间之后，本发明的广域空间内统一时间的方法还可以包括：
将脉冲序号信息广播到多个局域守时系统，以使每个所述局域守时系统根据接收到的脉冲序号信息与自身的脉冲原点时间进行比较，进而可以修正自身的脉冲原点时间，所述脉冲序号信息包括当前脉冲的序号和与所述脉冲的序号对应的所述脉冲原点时间。
并获取每个所述局域守时系统发送的脉冲序号信息，并根据多个脉冲序号信息更新自身的脉冲原点时间，以使自身的时间与大多数守时系统的时间保持一致。
广域与局域的划分是相对的，比如地球轨道上的卫星，它既可以作为独立的局域守时系统，也可以包含在地球守时系统内，接受地面授时信号来同步时间，这是两种统一时间的方法，卫星在地球守时系统内接受地面授时信号来同步时间的方法就是目前在用的守时-授时方式，如图4。
本实施例的局域守时系统，为包含于广域惯性坐标系内不依赖授时信号能独立测量时间的系统，可以独立观测脉冲星的脉冲，独立测量脉冲序号和脉冲到达广域惯性坐标系的原点时刻的坐标时，且在广域惯性坐标系内，该系统的质心点做稳定的周期性的惯性运动，不受除引力以外的其它作用力的影响。
实际应用中，空间守时系统是由多个局域守时系统组成的，每个局域守时系统根据获取的脉冲均进行上述广域空间内统一时间的方法的步骤，得到脉冲序号信息并广播到其他局域守时系统，且不管别的局域守时系统是否能接收到，播发脉冲序号信息是每个局域守时系统的义务，则脉冲序号信息是各局域守时系统经过上述广域空间内统一时间的方法获得的用于统一时间的信息。
当空间守时系统有且仅有一个局域守时系统时，不需要跟其他系统统一时间，就是当前地球在用的守时授时系统，可用现有的授时方法统一系统内部的时间；当空间守时系统有2个及以上是局域守时系统时，就需要本发明所述的脉冲序号信息广播过程，旨在统一各个局域系统之间的时间。
可选的，本实施例的多个局域守时系统中，以地面守时系统具有最大的权值，比如当仅有两个局域守时系统时，非地面守时系统的脉冲原点时间应调整到与地面守时系统的脉冲原点时间一致。具体的，非地面的守时系统最初应通过地面积累的脉冲星数据库、地面观测的轨道参数信息获得已知的脉冲序号信息，非地面守时系统接收地面守时系统的脉冲序号信息，如果发现自己的脉冲序号信息与地面守时系统的脉冲序号信息有偏差，应主动修正自己的脉冲序号信息，向地面守时系统的脉冲序号信息靠拢。但是如果有2个以上非地面守时系统的脉冲序号信息一致，仅有地面守时系统的脉冲序号信息不一致的话，则地面守时系统修正自己的脉冲序号信息。每个局域守时系统广播自己的脉冲序号信息并不是为自己调整时间，而是帮助其他局域守时系统自我检查是否偏离大多数局域守时系统的约定时间，就像区块链保留分散的记录信息一样，本实施例的空间守时系统具有去中心化的特点。
可选的，脉冲序号信息包括但不限于脉冲星名称、脉冲的序号n、脉冲n的脉冲原点时间ton、本地位置在tn时刻到广域惯性坐标系的原点的距离dn以及从tn时刻至播发此脉冲信息的延迟时间△td。
本实施例把脉冲序号信息广播到其它局域守时系统，所有局域守时系统根据接收的其它局域守时系统广播的脉冲序号信息进行时间监测，不断修正自己的测量参数，使全部局域的脉冲序号信息达到一致，实现了广域空间内的时间统一，精度高，适用性强。
上述广域空间内统一时间的方法，可用于多个独立局域守时系统之间实现时间统一，适用于地球以外其他天体和航天器，满足不依赖地球上的授时信号而独立测量时间的需求，与地球上现有时间频率计量和守时-授时系统不冲突，而是在更广域的范围内提供时间统一的新模式，且在局域守时系统内部仍然可以使用目前守时-授时技术给用户提供局域守时系统的内部的标准时间。本申请还约定了脉冲星初始历元，用比较脉冲序号信息的方法形成系统反馈，并修正各局域守时系统自身与其他局域守时系统脉冲序号信息的偏差，使守时系统保持稳定，达到统一时间的目标。本发明的局域守时系统的内部的标准时间不是唯一的，广域惯性坐标系的坐标时经过约定初始历元后能够作为统一时间的语言，所述广域惯性坐标系不限于太阳系质心坐标系，也可以是其他天体的质心坐标系。
本领域技术人员可以理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
本实施例还提供了一种空间守时系统。参见图7，为本实施例提供的空间守时系统的一种具体结构示意图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
本实施例的空间守时系统包括多个局部守时系统，所有局部守时系统之间均可实现通信，每个局部守时系统均接收其他局部守时系统发送的脉冲序号信息。如图7，空间守时系统可以包括n个局部守时系统，n为正整数。应理解，本实施例对局部守时系统的个数不进行限定，可以为1个，可以为2个，也可以为多个。
每个局部守时系统均包括：信息处理装置110、原时测量装置120和脉冲星脉冲的测量装置130。原时测量装置120与脉冲星脉冲的测量装置130相连接，为脉冲星脉冲的测量装置130提供采样时间基准，原时测量装置120还与信息处理装置110相连接，提供本地原时参考，脉冲星脉冲的测量装置130与信息处理装置110连接，将获取的脉冲信号幅值的数据序列发送给信息处理装置110。应理解，本实施例对原时测量装置120和脉冲星脉冲的测量装置130与信息处理装置110连接的方式不进行限定。
具体的，信息处理装置110用于建立广域惯性坐标系，广域惯性坐标系包括统一时间所覆盖的空间范围内的所有局域坐标系，以所述本地原时为时间自变量建立本地轨道参数历表，还用于本地局域坐标系的时间轴与广域惯性坐标系的时间轴之间的转换，还用于查找和维护本地轨道参数表，广播和接收脉冲序号信息。
原时测量装置120是以SI秒为单位在本地测量时间的装置。原时测量装置120用于获得本地原时，为脉冲星脉冲的测量装置130提供时间基准，为信息处理装置110的本地轨道参数历表提供时间变量。
脉冲星脉冲的测量装置130是能够接收脉冲星发出的某波段电磁波辐射能量的装置，并把能量幅值作为以本地原时为自变量的数据序列，数据序列提供给信息处理装置110。
信息处理装置110还用于根据以本地原时为时间自变量的脉冲数据序列经过两次时间轴转换得到脉冲本地时间，以及利用本地轨道参数历表将脉冲本地时间进行转换，得到脉冲原点时间，脉冲原点时间为脉冲到达所述广域惯性坐标系的原点时刻的坐标时。
可选的，本实施例的空间守时系统还包括：确定脉冲星的初始历元，所述初始历元为序号为0的脉冲到达所述广域惯性坐标系的原点时刻的坐标时；根据所述初始历元建立脉冲星历表，所述脉冲星历表包括但不限于以下信息：脉冲星名称、脉冲星的方位矢量、脉冲星的脉冲轮廓、脉冲轮廓的初始相位、脉冲轮廓的零相位模型、脉冲星的脉冲周期、所述脉冲周期的修正值和所述初始相位的修正值。
进一步地，序号为n的脉冲的脉冲原点时间的表达式包括：
ton＝n(T+△T)+(p+△p)
其中，ton为序号为n的脉冲的脉冲原点时间，T为所述脉冲星的脉冲周期，△T为所述脉冲周期的修正值，p为所述脉冲轮廓的初始相位，△p为所述初始相位的修正值。
进一步地，信息处理装置110具体用于：获得以本地原时为时间自变量的脉冲数据序列以及所述脉冲星的方位矢量；根据所述本地轨道参数历表和所述脉冲星的方位矢量，将以所述本地原时为时间自变量的脉冲数据序列转换为以本地坐标时为时间自变量的脉冲数据序列；对以本地坐标时为时间自变量的脉冲数据序列进行脉冲轮廓叠加计算或互相关计算，得到所述脉冲本地时间。
进一步地，所述本地轨道参数历表包括但不限定于：本地位置矢量、本地速度矢量和本地引力势。
相应的，信息处理装置110具体用于：利用多普勒效应公式、所述本地速度矢量和所述脉冲星的方位矢量，对所述本地原时的时间轴进行变换得到第一时间轴；利用相对论效应、所述本地位置矢量、所述本地速度矢量和所述本地引力势，对所述第一时间轴进行变换得到本地坐标时的时间轴；根据所述本地坐标时的时间轴确定以本地坐标时为时间自变量的脉冲数据序列。
进一步地，通过
得到第一时间轴的时间间隔△τa；其中，Va为本地相对所述脉冲星的运动速度，
进一步地，通过
得到所述本地坐标时的时间轴的时间间隔△t；其中：t为本地坐标时的时间变量，τ为本地原时的时间变量，△τa为第一时间轴的时间间隔，U为所述本地引力势，V为根据所述本地速度矢量确定的本地位置相对于所述广域惯性坐标系的线速度，c为光速。线速度根据本地速度矢量确定。
进一步地，通过
ton＝tn+dn/c，
得到序号为n的脉冲的脉冲原点时间ton；其中，tn为序号为n的脉冲的脉冲本地时间，dn为本地位置在tn时刻到广域惯性坐标系的原点的距离，
可选的，每个局部守时系统的信息处理装置110还可以用于：
将脉冲序号信息广播到多个局域守时系统，以使每个所述局域守时系统根据接收到的脉冲序号信息修正自身的脉冲原点时间，所述脉冲序号信息包括当前脉冲的序号和与所述脉冲的序号对应的所述脉冲原点时间。
并获取每个所述局域守时系统发送的脉冲序号信息，并根据多个脉冲序号信息更新自身的脉冲原点时间。
上述空间守时系统，可用于多个独立局域守时系统之间实现时间统一，适用于地球以外其他天体和航天器，满足不依赖地球上的授时信号而独立测量时间的需求，与地球上现有时间频率计量和守时-授时系统不冲突，而是在更广域的范围内提供时间统一的新模式，且在局域守时系统内部仍然可以使用目前守时-授时技术给用户提供局于守时系统的内部的标准时间，本申请还约定了脉冲星初始历元，用比较脉冲序号信息的方法形成系统反馈，并修正各局域守时系统自身与其他局域守时系统脉冲序号信息的偏差，使守时系统保持稳定，达到统一时间的目标。本发明的局于守时系统的内部的标准时间不是唯一的，广域惯性坐标系的坐标时经过约定初始历元后能够作为统一时间的语言，所述广域惯性坐标系不限于太阳系质心坐标系，也可以是其他天体的质心坐标系。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
