专利名称：一种修正大气层倾斜对地面恒星观测值影响的方法
技术领域：
本发明属于天体测量技术领域，特别涉及大气等密度层对恒星测量的修正方法。
背景技术：
光在密度上疏下密的大气中传播时，路径会发生屈折的现象。在天体测量学领域，大气折射特指天体发出的辐射在经过地球大气层时所产生的折射现象，以及由上述现象所造成的天体观测方向的改变。其改变量称为大气折射影响，也简称为大气折射。它对雷达定位、多普勒测速、通信、导航都有影响。这些工作中所测得的目标角度、距离、高度等结果的精度都受到大气折射的影响。大气折射影响可根据大气结构计算粗略求出，该影响又称为大气折射修正。早在公元前2世纪前后，希腊的波西东尼乌斯就发现了大气折射现象，认识到大 气折射影响大测量结果的准确性。公元2世纪希腊大天文学家托勒密在他的著作《光学》第五卷中进一步论述了大气折射问题。托勒密通过对恒星位置的反复观测，发现由于大气折射的作用，使得接近地平的星象位置有所升高。托勒密用光学折射的道理从理论上阐述了这一现象。16世纪，丹麦的大天文学家第谷也对大气折射现象有所研究，他测定了大气折射值。法国的天文学家G.D.卡西尼则于17世纪首先根据正弦定律建立了大气折射理论。其他一些著名的天文学家，如英国的牛顿、布拉得雷、法国的拉普拉斯等人都对大气折射有所研究。19世纪20年代德国的天文学家贝塞尔建立了计算大气折射的对数公式，编制了一份相当精确的大气折射表。1870年俄国普尔科沃天文台编制了一份大气折射表，至今仍被广泛应用。一般在进行大气折射的计算或建立大气折射模型的时候，假定大气层为同心球面分层。由于这一假设不能完全描述大气层的真实状态，使得大气折射误差修正具有不准确性，即大气折射修正存在残差。
发明内容
为解决现有的同心球面分层的大气层的假设不能完全描述大气层的真实状态，使得大气折射修正具有不准确性，即大气折射修正存在残差的问题，本发明提供一种对恒星观测值修正大气层倾斜的方法，其技术方案如下一种修正大气层倾斜对地面恒星观测值影响的方法，其特征在于包括以下步骤步骤1，选取若干颗恒星作为样本恒星i，使用天文经纬仪观测样本恒星i，所述天文经纬仪的望远镜终端上设置有CCD照相机，所述天文经纬仪的高度轴上设置有高度码盘，用于测量样本恒星i的天顶距；建立通过天文经纬仪得到的样本恒星i各观测值之间的回归模型，解算出由气象变化引起的大气等密度层倾斜对每颗样本恒星i的影响量，包括以下步骤步骤I. I :采集每颗样本恒星i的视赤纬δ i，高度码盘的天顶距读数Zi，CXD照相机靶面上y方向的星像位置测定值71，天文经纬仪在测量每颗样本恒星i时的水平差误差、光轴指向变化误差、高度轴偏摆误差和码盘刻线分划误差的测纬分量之和，以及测量站的纬度采用值约，代入下述公式I中公式I -.S1 -φ0 =Zi +k9 ·7,. + (βφ), +Αφ + νφ(Σ,)；上式中的&仁)是随机误差，代表每颗样本恒星i的测纬残差，包含有大气等密度层倾斜对恒星i测定值的影响t力靶面星像测纬的比例系数，Δρ为全部样本恒星i的瞬时纬度值的算术平均值与测量站的纬度采用值妁之差，用最小二乘法解算出Δ炉和每颗样本恒星i的4(A);步骤I. 2 :采集每颗样本恒星i在不考虑天文经纬仪各种误差和大气层倾斜情况下的星过时刻计算值Ti,星过时刻记录值ti; CXD照相机靶面上X方向的星像位置测定值Xi,以及天文经纬仪在测量每颗样本恒星i时的水平差误差、光轴指向变化误差、高度轴偏摆误差和码盘刻线分划误差的测时分量之和(et)i，代入下述公式2中
公式2 =Ti=I^kt · Xi+(et)i+A λ+Vt(Zi)；上式中的\(^)是随机误差，代表每颗样本恒星i的测时残差，包含有大气等密度层倾斜对恒星i测定值的影响，kt为靶面星像测时比例系数，Λ λ为全部样本恒星i的瞬时经度值的算术平均值与计算Ti时测量站经度采用值λ ^之差，用最小二乘法解算出Λ λ和每颗样本恒星i的Vt(Zi)；步骤I. 3 :将步骤I. I中解算出的每颗样本恒星i的&(Z1)，以及采集得到的每颗样本恒星i的高度码盘的天顶距读数Zi，代入下述公式3中公式3 Az = yjzj/^sec2 z. sin Iff):用最小二乘法从上式中解算出参数Λζη，Λ Zn为由气象变化引起的大气等密度层沿南北方向的倾斜量，如果大气等密度层向北倾斜，Azn为正值，如果大气等密度层向南倾斜，则△ Zn为负值；步骤I. 4 :将步骤I. 2中解算出的每颗样本恒星i的Vt(Zi)，以及采集得到的每颗样本恒星i的视赤纬δ i，高度码盘的天顶距读数Zi,代入下述公式4中公式4 : Δ ze=15vt (Zi) cos δ i cos Zi/ (A sin I ")；用最小二乘法从上式中解算出参数Λ%，Aze为气象变化引起的大气等密度层向东倾斜量；步骤2，根据大气等密度层倾斜量来修正恒星观测值，包括以下步骤步骤2. I :将步骤I. 3解算出的大气等密度层沿南北方向的倾斜量Λζη，以及通过天文经纬仪观测得到的待测恒星的视天顶距ζ，代入以下公式5，计算待测恒星的真天顶距Z 公式5 -.Z=Z+K tan z+AX AznXsec2 ζ ；步骤2. 2 :将步骤I. 4解算出的大气等密度层向东倾斜量Λ%，以及通过天文经纬仪观测得到的待测恒星过子午圈的时刻t，待测恒星的视天顶距ζ，代入以下公式6中，计算待测恒星过子午圈的修正时刻T 公式6 :T=t+Δ zeXA/cos ζ ；
上述步骤I. 3、步骤I. 4、步骤2. I和步骤2. 2中的A代表大气折射级数模型的首项的系数。上述方案中，所述大气折射级数模型是指A tan z_B tan3 z+C tan5 z_D tan7 z+...；上式中的z为视天顶距，由于第二项的系数B比A小约三个数量级，后面各项的系数C、D等更小，因此，在这里的数据处理中系数B、C、D均被略去。作为本发明的优选方案所述步骤I. 3、步骤I. 4、步骤2. I和步骤2. 2中的A为60" .2。上述方案中，步骤I中所选取的若干颗恒星可以是观测纲要中的恒星。 本发明提出，大气并非均匀同心壳层结构，而是在局部地区由于气象条件的变化，存在有等密度层的倾斜，也就是指近地面大气等密度层与地平面不平行，它的法线与天球的交点不在天顶，而是假设在天顶北边距天顶处，即等密度层与均匀同心壳层相比有微小的夹角。这一夹角的存在，将使得大气折射模型中所采用的天顶距的起算点发生了变化，计算出的大气折射修正值存在着随天顶距而变化的系统差。因此有必要将这一夹角测量出来，修正大气折射计算值。本发明的修正大气折射计算值，以最简单的南北方向倾斜对子午方向天顶距测定值的影响和东西方向倾斜对子午方向观测的星过记录时刻的影响为依据，在观测平差中察觉到、并比较准确地求解出气象变化引起的大气等密度层倾斜在两个方向的倾斜量
Aze0有了八\和Λ ζε，就可以分别对每颗星观测取得的视天顶距测定值和星过记录时刻作大气等密度层倾斜的修正，提高了天体测量以及大地测量仪器的测量精度。本发明方法是为了提高新研制的仪器的观测精度，特别是交叉学科的合作方要求测量数据干净可靠，通过自己和前人的知识积累，包括对天气预报中分析天气形势的气温气压分布图的理解，以及分析前人的测量数据不能达到干净可靠的原因，而提出的一种新的方法，它是一种排除大气影响、提高观测精度的新方法之一，方法的拟定是离不开星光通过大气层产生弯曲的自然规律的。其计算方法仅是为这一新的方法服务的。
图I为真天顶、折射天顶和被测星为顶点的窄球面直角三角形的示意图。
具体实施例方式子午方向被测星的真天顶距Z的定义为瞬时纬度炉，减去被测星的视赤纬δ，即Ζ 二炉-5，这样，就给定了天顶距的正负号天顶以南为正，天顶以北为负。观测得到的视天顶距ζ与真天顶距Z之间的差值为瞬时天文大气折射值R，并且有Z=z+R。这里先来明确几个概念真天顶距Z是计算得到的，视天顶距ζ是观测得到的测定值。天体的星表计算位置(分别指赤经和赤纬)，即视位置，是由星表历元(例如B2000. O)平位置，加岁差、章动和自行、光行差、周年视差等改正得的。计算大气折射值的级数表达式为R=A tan z_B tan3 z+C tan5 z_D tan7 z+......,式中的系数B比系数A小三个数量级，后面的系数更小。这是前人经过长期研究归纳出来的符合自然规律的大气折射模型的表达式。所谓“瞬时天文大气折射值”，是指模型中第一项的系数A，必须是采用观测时刻的瞬时温度T和瞬时气压P作修正后的数值，因为地面层的大气密度是随着该大气层的纬度、气压而变化的。取Atl为标准大气状态(气温为0° C，气压为760毫米水银柱或1013. 25毫巴)下A的值，也就是模型所给的值(建立模型前，要把瞬时大气折射测定值换算到统一的标准大气状态下)，根据盖-吕萨克定律和玻意耳定律有
权利要求
1.一种修正大气层倾斜对地面恒星观测值影响的方法，其特征在于包括以下步骤步骤1，选取若干颗恒星作为样本恒星i，使用天文经纬仪观测样本恒星i，所述天文经纬仪的望远镜终端上设置有CCD照相机，所述天文经纬仪的高度轴上设置有高度码盘，用于测量样本恒星i的天顶距；建立通过天文经纬仪得到的样本恒星i各观测值之间的回归模型，解算出由气象变化引起的大气等密度层倾斜对每颗样本恒星i的影响量，包括以下步骤 步骤I. I :采集每颗样本恒星i的视赤纬δ i，高度码盘的天顶距读数Zi，CXD照相机靶面上y方向的星像位置测定值71，天文经纬仪在测量每颗样本恒星i时的水平差误差、光轴指向变化误差、高度轴偏摆误差和码盘刻线分划误差的测纬分量之和，以及测量站的纬度采用值乳，代入下述公式I中公式 I J1 H + 夂· V,- + (βφ). +Αφ + νφ(ζ,)； 上式中的&(- )是随机误差，代表每颗样本恒星i的测纬残差，包含有大气等密度层倾斜对恒星i测定值的影响，&为靶面星像测纬的比例系数，Δρ为全部样本恒星i的瞬时纬度值的算术平均值与测量站的纬度采用值％之差，用最小二乘法解算出Δ炉和每颗样本恒星i的认)； 步骤I. 2 :采集每颗样本恒星i在不考虑天文经纬仪各种误差和大气层倾斜情况下的星过时刻计算值Ti,星过时刻记录值ti; CXD照相机靶面上X方向的星像位置测定值Xi，以及天文经纬仪在测量每颗样本恒星i时的水平差误差、光轴指向变化误差、高度轴偏摆误差和码盘刻线分划误差的测时分量之和(et)i，代入下述公式2中公式 2 Ji=Vkt · Xi+ (et) i+Δ λ +vt (Zi)； 上式中的vt (Zi)是随机误差，代表每颗样本恒星i的测时残差，包含有大气等密度层倾斜对恒星i测定值的影响，kt为靶面星像测时比例系数，Λ λ为全部样本恒星i的瞬时经度值的算术平均值与计算Ti时测量站经度采用值λ ^之差，用最小二乘法解算出△ λ和每颗样本恒星i的Vt (Zi)； 步骤I. 3 :将步骤I. I中解算出的每颗样本恒星i的\(- )，以及采集得到的每颗样本恒星i的高度码盘的天顶距读数Zi，代入下述公式3中 公式 3 Δζ, = v\(z )/(/isec: ζ. sin Iff); 用最小二乘法从上式中解算出参数△&，△ Zn为由气象变化引起的大气等密度层沿南北方向的倾斜量，如果大气等密度层向北倾斜，Azn为正值，如果大气等密度层向南倾斜，则Azn为负值； 步骤I. 4 :将步骤I. 2中解算出的每颗样本恒星i的Vt(Zi)，以及采集得到的每颗样本恒星i的视赤纬δ i，高度码盘的天顶距读数Zi,代入下述公式4中公式 4 : Δ ze=15vt (Zi) cos δ i cos Zi/ (A sin I "); 用最小二乘法从上式中解算出参数△%，为气象变化引起的大气等密度层向东倾斜量； 步骤2，根据大气等密度层倾斜量来修正恒星观测值，包括以下步骤 步骤2. I :将步骤I. 3解算出的大气等密度层沿南北方向的倾斜量Azn，以及通过天文经纬仪观测得到的待测恒星的视天顶距Z，代入以下公式5，计算待测恒星的真天顶距Z 公式 5 :Z=z+A tan ζ+ΑΧ Δ ζηΧ sec2 ζ ； 步骤2. 2 :将步骤I. 4解算出的大气等密度层向东倾斜量Λ%，以及通过天文经纬仪观测得到的待测恒星过子午圈的时刻t，待测恒星的视天顶距ζ，代入以下公式6中，计算待测恒星过子午圈的修正时刻T 公式 6 :Τ= +Δ zeXA/cos ζ ； 上述步骤I. 3、步骤I. 4、步骤2. I和步骤2. 2中的A代表大气折射级数模型的首项的系数。
2.根据权利要求I所述的一种修正大气层倾斜对地面恒星观测值影响的方法，其特征在于 所述步骤I. 3、步骤I. 4、步骤2. I和步骤2. 2中的A为60" .2。
全文摘要
一种修正大气层倾斜对地面恒星观测值影响的方法，用于修正大气层倾斜对于在地面上观测恒星时得到的天文经纬度测定值的影响，属于天体测量技术领域，解决了现有的大气折射误差修正不准确的问题，包括以下步骤步骤1，选取若干颗恒星作为样本恒星，建立样本恒星各观测值之间的回归模型，解算出每组恒星观测中由气象变化等因素引起的大气等密度层倾斜的影响量；步骤2，根据大气等密度层倾斜的解算量来修正恒星观测值。本发明方法能够准确地对每颗星观测取得的视天顶距测定值和星过记录时刻作大气等密度层倾斜的修正，提高了天体测量以及大地测量仪器的测量精度。
文档编号G01C25/00GK102879013SQ20121036690
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者苏婕, 陈林飞, 杨磊, 程向明, 王建成, 李彬华, 冒蔚, 铁琼仙 申请人:中国科学院云南天文台