一种测量大天顶距处的大气折射值的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种测量大天顶距处的大气折射值的方法，包括：S0，提供望远镜、图像采集终端、处理器及包括两块反射镜以使望远镜具有第一、第二视场的角反射器；测量两块反射镜之间的实际夹角L0；S1，通过用第一、第二视场观测位于小、大天顶距处的两个不同天区，并提取图像采集终端采集的星象图像；S2，区分星象图像中的观测星象分别来自哪个天区，并获取各观测星象对应的天球坐标；S3，将天顶标记为Z，根据各观测星象对应的天球坐标解算出第一、第二视场的实际视场中心σ0和σ1对应的地平坐标(A0,h0)和(A1,h1)；S4，根据Z、A0、A1以及L0获取第二视场的实际视场中心σ1处的大气折射值。本发明避免了地方参数和仪器参数等系统误差的影响，消除了累积测量误差，提高了测量精度。
【专利说明】一种测量大天顶距处的大气折射值的方法和系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及天文测量领域，尤其涉及一种测量大天顶距处的大气折射值的方法和 系统。
【背景技术】
[0002] 大气折射值是指天体的光线进入大气层之前与到达观测者时的方向之差。相比于 影响天体方向的其它因素，大气折射的最大特点在于其不确定性，因为光行差、视差、自行、 光线引力弯曲等因素对天体方向的影响可以从理论上精确计算出来，但大气折射的影响具 有显著的不可模拟性，其非规律性有时很明显，特别是在大天顶距情况下表现更为突出。因 此，大气折射是影响地基天体测量精度提高的主要障碍。
[0003] 根据大气密度随高度分布的不同假设，不同研宄人员提出过多种不同类型的大气 折射值计算方法，例如，按天顶距的三角函数展开方法、映射函数方法和母函数方法等。而 且目前已经编制了多种版本的大气折射表，如普尔科沃大气折射表、《中国天文年历》中的 蒙气差表等。然而，值得指出的是，每一本大气折射表所代表的仅是某一区域内的平均大气 折射理论值，并不能代表单个观测站的实际大气折射情况。而且，对大于75°的大天顶距而 言，目前的大气折射表均不能给出较理想的大气折射值。另一方面，现有计算大气折射表所 依据的大气理论模型均假定大气密度随高度的分布是各向同性的同心球层，而实际大气折 射情况并非完全如此，因为观测地点的气象环境、周围地形及附近建筑物的分布不仅会导 致大气折射具有地方性特征，而且同一个观测站点的不同方位、不同时间的大气折射也会 有差异。
[0004] 由于上述原因，在传统的地基天文观测中，通常回避对天顶距大于75° (即仰角 小于15度）目标的观测。但是，在空间目标观测领域，实际上很多情况下也需对位于大天 顶距的目标进行观测。例如，地面观测站利用轴系定位法对低轨卫星或空间碎片观测时，常 常出现低仰角观测情况；火箭发射时利用经炜仪等光学设备对其观测，也需要在低仰角时 进行；航天测量船在海上作业时，由于跟踪几何条件的限制、船舶摇摆的影响及测控任务的 特殊要求，不可避免的也会出现低仰角跟踪观测的情况。由于低仰角时大气折射的影响严 重偏离一般的大气折射模型，因此，如何获得低仰角时的大气折射高精度实测数据是关系 到能否延长对空间目标观测弧段、提高测定轨精度的关键问题。又如，利用光学观测进行地 面天文导航时，需要通过对地平线的观测来确定观测者位置的铅垂线相对于恒星背景的方 向，进而得到观测者的地理炜度，因此，为了提高测量精度，地平处的大气折射值也需要精 确测出。而且，随着空间测量技术的发展，如今的观测模式已发展为地对空、空对地和空对 空的全方位观测。对于数字遥感卫星而言，大气折射造成地面靶标的方向偏差必须进行相 应的校正。此外，获得高精度的任意方位和任意天顶距处的大气折射实测数据，也是开展大 气折射理论研宄的必不可少的前提。综上，如何简单方便地获得任意方位和天顶距处的大 气折射实测数据是一个值得开展的研宄课题。
[0005] -直以来，大天顶距（低俯仰角）处的大气折射值的实测是个难点。上世纪80年 代，Schaefer等学者通过日落的计时观测手段得到台站的地平附近大气折射值，由于日落 计时的精度低，得到的结果内符精度仅有3'左右。云南天文台冒蔚研宄员提出一套利用反 射子午环绝对测定地方大气折射值的方案，并在2001年至2002年间，利用低炜子午环进行 了试观测和处理，建立了观测点处的正东、正南、正西、正北四个方向的本地大气折射模型。 不过，该子午环是需要特殊设计和精密制造的望远镜，需要尽可能地消除各方面的仪器误 差，包括天顶距放置误差、镜筒弯曲、水平差、星径曲率改正等；且该子午环不能获得东南西 北四个方向以外方位的实测大气折射值。
[0006] 目前，提高本地大气折射测量精度的根本途径是对观测台站不同季节、不同方向 上的大气折射值进行长期实测，并结合观测时的气象参数，建立一个与本地观测点地理和 气象环境相符合的大气折射模型。2008年，上海天文台利用较差方法开展了大气折射值的 实测研宄。其测量原理简述为：利用一台大视场（如8°X8° )的望远镜在不同天顶距上 对星空作一系列重叠观测，根据每个视场内星座观测弧度和无大气下理论弧度的比较，计 算得到不同天顶距处大气折射函数的微分值，然后经数值积分给出观测地点的实测大气折 射值。不同于以往绝对测定大气折射值的方法，该方法可以避免地方参数和仪器参数等系 统误差的影响。实测结果证明了该方案的可行性，但同时也显示出采用单视场望远镜观测 的处理结果会受到累积误差的影响，而且，大视场望远镜的恒星定位精度低，影响最终的大 气折射实测结果的精度。如何消除累积误差，提高测量精度是较差测量大气折射值方案中 需要解决的关键性问题。
【发明内容】
[0007] 针对上述现有技术的不足，本发明一方面提供一种改进的测量大天顶距处的大气 折射值的方法，以避免地方参数和仪器参数等系统误差的影响，同时消除累积测量误差，提 高测量精度。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 一种测量大天顶距处的大气折射值的方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤S0,首先提供一带有镜筒的望远镜、一设置在所述镜筒后方的图像采集终端、 一连接到所述图像采集终端的处理器、以及一设置在所述镜筒前方的角反射器，其中，所述 角反射器包括两块反射镜以使所述望远镜具有第一视场和第二视场，且所述两块反射镜之 间的理论夹角恒定；然后测量所述两块反射镜之间的实际夹角L。；
[0011] 步骤S1，分别通过所述望远镜的所述第一视场和第二视场观测位于小天顶距和大 天顶距处的两个不同天区，并通过所述处理器提取所述图像采集终端采集的一包含所述两 个不同天区中的观测星象的星象图像；
[0012] 步骤S2,通过所述处理器区分所述星象图像中包含的观测星象分别来自所述两个 不同天区中的哪个天区，并获取各所述观测星象对应的天球坐标；
[0013] 步骤S3,通过所述处理器根据各所述观测星象对应的天球坐标解算出所述第一视 场和第二视场的实际视场中心〇〇和〇 :对应的地平坐标和（Aphi)，其中，ApAi分 别表示实际视场中心％和〇 1的方位角，h 分别表示实际视场中心〇 〇 1的真高度 角，并且满足以下公式（1):
[0014]
【权利要求】
1. 一种测量大天顶距处的大气折射值的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 步骤S0,首先提供一带有镜筒的望远镜、一设置在所述镜筒后方的图像采集终端、一连 接到所述图像采集终端的处理器、以及一设置在所述镜筒前方的角反射器，其中，所述角反 射器包括两块反射镜以使所述望远镜具有第一视场和第二视场，且所述两块反射镜之间的 理论夹角恒定；然后测量所述两块反射镜之间的实际夹角L。； 步骤S1，分别通过所述望远镜的所述第一视场和第二视场观测位于小天顶距和大天顶 距处的两个不同天区，并通过所述处理器提取所述图像采集终端采集的一包含所述两个不 同天区中的观测星象的星象图像； 步骤S2,通过所述处理器区分所述星象图像中包含的观测星象分别来自所述两个不同 天区中的哪个天区，并获取各所述观测星象对应的天球坐标； 步骤S3,通过所述处理器根据各所述观测星象对应的天球坐标解算出所述第一视场和 第二视场的实际视场中心和〇 :对应的地平坐标（Amhci)和（A1, 4)，其中，ApA1分别表 示实际视场中心0(1和σi的方位角，hph分别表示实际视场中心〇 〇i的真高度角， 并且满足以下公式（1):
其中，矣表示实际视场中心Otl与σ1之间的弧度； 步骤S4,将天顶标记为Z，通过所述处理器根据ZjpA1以及SJTi获取第二视场的实际 视场中心σi处的大气折射值。
2. 根据权利要求1所述的测量大天顶距处的大气折射值的方法，其特征在于，所述步 骤S4包括： 步骤S41，获取所述第二视场的实际视场中心〇i处对应的真天顶距zi，并得到以下公 式⑵： ZO0ZQ1=AA=AQ-A1 (2)； 步骤S42,利用大气折射理论公式计算所述第一视场的实际视场中心〇 ^处对应的观测 天顶距; 步骤S43,在球面AZotl〇1中，利用以下公式（3)、（4)和（5)解算出所述第二视场的 实际视场中心σi处对应的观测天顶距:
步骤S44,计算所述第二视场的实际视场中心〇i处对应的观测天顶距与真天顶距 Z1之差，以作为第二视场的实际视场中心σi处的大气折射值。
3. 根据权利要求1所述的测量大天顶距处的大气折射值的方法，其特征在于，所述步 骤S2包括： 步骤S21，建立所述两个不同天区的恒星弧长库：首先根据所述望远镜的光轴指向确 定所述第一视场和第二视场的理论视场中心，并分别计算两个所述理论视场中心对应的天 球坐标；然后根据得到的全部所述理论视场中心对应的天球坐标以及所述第一视场和第二 视场的大小，从恒星星表中提取所述两个不同天区各自对应的恒星信息，并按照预定顺序 选择前η颗恒星组成个恒星三角形星座，其中，η彡3 ;最后计算并保存每个所述恒星三 角形星座的三边弧长，以建立所述两个不同天区的恒星弧长库； 步骤S22,获取所述观测星象的三角形弧长：首先将所述步骤Sl中提取到的所述星象 图像中的m个观测星象组成< 个观测三角形星座，其中，m彡3 ;然后根据各所述观测星象 的量度坐标、所述星象图像的像素尺寸以及所述望远镜的焦距，计算每个所述观测三角形 星座的三边弧长； 步骤S23,依次将各所述观测三角形星座的三边弧长与所述两个不同天区的恒星弧长 库中的各所述恒星三角形星座的三边弧长进行对比，以判断所述星象图像中的各所述观测 星象分别属于所述两个不同天区中的哪个天区，并且获得各所述观测星象对应的天球坐 标。
4. 一种测量大天顶距处的大气折射值的系统，其包括一带有镜筒的望远镜以及一设置 在所述镜筒后方的图像采集终端，其特征在于，所述系统还包括： 一设置在所述镜头前方的角反射器，其包括两块理论夹角恒定的反射镜，以使所述望 远镜具有第一视场和第二视场； 一获取所述两块反射镜之间的实际夹角L。的反射器夹角获取模块；以及 一连接至所述图像采集终端的处理器； 其中，所述处理器包括： 一图像提取模块，其在所述望远镜的第一视场和第二视场分别观测位于小天顶距和大 天顶距处的两个不同天区时，提取所述图像采集终端所采集的一包含所述两个不同天区中 观测星象的星象图像； 一图像区分模块，其区分所述星象图像中包含的多个观测星象分别来自所述两个不同 天区中的哪个天区，并获取各所述观测星象对应的天球坐标； 一视场中心获取模块，其根据各所述观测星象对应的天球坐标解算出所述第一视场和 第二视场的实际视场中心〇〇和〇i所对应的地平坐标（Amhci)和（A1,其中，ApA1分别 表不实际视场中心0Ci和0 1的方位角，别表不实际视场中心〇 ^和σ1的真高度 角，并且满足以下公式（1):
其中表示实际视场中心0〇与σi之间的弧度； 一大气折射值获取模块，其将天顶标记为Z，并根据Z、&、A1以及获取第二视场的 实际视场中心O1处的大气折射值。
5. 根据权利要求4所述的测量大天顶距处的大气折射值的系统，其特征在于，所述大 气折射值获取模块包括： 一大天顶距理论值计算单元，其获取所述第二视场的实际视场中心σi处对应的真天 顶距Z1，并得到以下公式（2): ZO0ZQ1=AA=AQ-A1 (2)； 一小天顶距观测值计算单元，其利用大气折射理论公式计算所述第一视场的实际视场 中心〇 ^处对应的观测天顶距g; 一大天顶距观测值计算单元，其利用以下公式（3)、（4)和（5)解算出所述第二视场的 实际视场中心σi处对应的观测天顶距
以及， 一大气折射值计算单元，其计算所述第二视场的实际视场中心σi处对应的观测天顶 距g与真天顶距Z1之差，以作为第二视场的实际视场中心〇i处的大气折射值。
6. 根据权利要求4所述的测量大天顶距处的大气折射值的系统，其特征在于，所述图 像区分模块包括： 恒星弧长库建立单元，其根据所述望远镜的光轴指向确定所述第一视场和第二视场的 理论视场中心，并分别计算两个所述理论视场中心对应的天球坐标；根据得到的全部所述 理论视场中心对应的天球坐标以及所述第一视场和第二视场的大小，从恒星星表中提取所 述两个不同天区各自对应的恒星信息，并按照预定顺序选择前η颗恒星组成C"3个恒星三角 形星座，其中，η多3 ;计算并保存每个所述恒星三角形星座的三边弧长，以建立所述两个不 同天区的恒星弧长库； 观测星象的三角形弧长计算单元，其将提取到的所述星象图像中的m个观测星象组成G个观测三角形星座，其中，m彡3;并根据各所述观测星象的量度坐标、所述星象图像的像 素尺寸以及所述望远镜的焦距，计算每个所述观测三角形星座的三边弧长； 天区区分单元，其依次将各所述观测三角形星座的三边弧长与所述两个不同天区的恒 星弧长库中的各所述恒星三角形星座的三边弧长进行对比，以判断所述星象图像中的各所 述观测星象分别属于所述两个不同天区中的哪个天区，并且获得各所述观测星象对应的天 球坐标。
7. 根据权利要求4所述的测量大天顶距处的大气折射值的系统，其特征在于，所述两 块所述反射镜之间的夹角为50°?70°。
【文档编号】G01N21/41GK104458653SQ201410625433
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】曹建军, 于涌, 赵铭, 唐正宏 申请人:中国科学院上海天文台