專利名稱：一種修正大氣層傾斜對地面恒星觀測值影響的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天體測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及大氣等密度層對恒星測量的修正方法。
背景技術(shù)：
光在密度上疏下密的大氣中傳播時，路徑會發(fā)生屈折的現(xiàn)象。在天體測量學(xué)領(lǐng)域，大氣折射特指天體發(fā)出的輻射在經(jīng)過地球大氣層時所產(chǎn)生的折射現(xiàn)象，以及由上述現(xiàn)象所造成的天體觀測方向的改變。其改變量稱為大氣折射影響，也簡稱為大氣折射。它對雷達(dá)定位、多普勒測速、通信、導(dǎo)航都有影響。這些工作中所測得的目標(biāo)角度、距離、高度等結(jié)果的精度都受到大氣折射的影響。大氣折射影響可根據(jù)大氣結(jié)構(gòu)計算粗略求出，該影響又稱為大氣折射修正。早在公元前2世紀(jì)前后，希臘的波西東尼烏斯就發(fā)現(xiàn)了大氣折射現(xiàn)象，認(rèn)識到大 氣折射影響大測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。公元2世紀(jì)希臘大天文學(xué)家托勒密在他的著作《光學(xué)》第五卷中進一步論述了大氣折射問題。托勒密通過對恒星位置的反復(fù)觀測，發(fā)現(xiàn)由于大氣折射的作用，使得接近地平的星象位置有所升高。托勒密用光學(xué)折射的道理從理論上闡述了這一現(xiàn)象。16世紀(jì)，丹麥的大天文學(xué)家第谷也對大氣折射現(xiàn)象有所研究，他測定了大氣折射值。法國的天文學(xué)家G.D.卡西尼則于17世紀(jì)首先根據(jù)正弦定律建立了大氣折射理論。其他一些著名的天文學(xué)家，如英國的牛頓、布拉得雷、法國的拉普拉斯等人都對大氣折射有所研究。19世紀(jì)20年代德國的天文學(xué)家貝塞爾建立了計算大氣折射的對數(shù)公式，編制了一份相當(dāng)精確的大氣折射表。1870年俄國普爾科沃天文臺編制了一份大氣折射表，至今仍被廣泛應(yīng)用。一般在進行大氣折射的計算或建立大氣折射模型的時候，假定大氣層為同心球面分層。由于這一假設(shè)不能完全描述大氣層的真實狀態(tài)，使得大氣折射誤差修正具有不準(zhǔn)確性，即大氣折射修正存在殘差。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有的同心球面分層的大氣層的假設(shè)不能完全描述大氣層的真實狀態(tài)，使得大氣折射修正具有不準(zhǔn)確性，即大氣折射修正存在殘差的問題，本發(fā)明提供一種對恒星觀測值修正大氣層傾斜的方法，其技術(shù)方案如下一種修正大氣層傾斜對地面恒星觀測值影響的方法，其特征在于包括以下步驟步驟1，選取若干顆恒星作為樣本恒星i，使用天文經(jīng)緯儀觀測樣本恒星i，所述天文經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡終端上設(shè)置有CCD照相機，所述天文經(jīng)緯儀的高度軸上設(shè)置有高度碼盤，用于測量樣本恒星i的天頂距；建立通過天文經(jīng)緯儀得到的樣本恒星i各觀測值之間的回歸模型，解算出由氣象變化引起的大氣等密度層傾斜對每顆樣本恒星i的影響量，包括以下步驟步驟I. I :采集每顆樣本恒星i的視赤緯δ i，高度碼盤的天頂距讀數(shù)Zi，CXD照相機靶面上y方向的星像位置測定值71，天文經(jīng)緯儀在測量每顆樣本恒星i時的水平差誤差、光軸指向變化誤差、高度軸偏擺誤差和碼盤刻線分劃誤差的測緯分量之和，以及測量站的緯度采用值約，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)是隨機誤差，代表每顆樣本恒星i的測緯殘差，包含有大氣等密度層傾斜對恒星i測定值的影響t力靶面星像測緯的比例系數(shù)，Δρ為全部樣本恒星i的瞬時緯度值的算術(shù)平均值與測量站的緯度采用值妁之差，用最小二乘法解算出Δ爐和每顆樣本恒星i的4(A);步驟I. 2 :采集每顆樣本恒星i在不考慮天文經(jīng)緯儀各種誤差和大氣層傾斜情況下的星過時刻計算值Ti,星過時刻記錄值ti; CXD照相機靶面上X方向的星像位置測定值Xi,以及天文經(jīng)緯儀在測量每顆樣本恒星i時的水平差誤差、光軸指向變化誤差、高度軸偏擺誤差和碼盤刻線分劃誤差的測時分量之和(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\(^)是隨機誤差，代表每顆樣本恒星i的測時殘差，包含有大氣等密度層傾斜對恒星i測定值的影響，kt為靶面星像測時比例系數(shù)，Λ λ為全部樣本恒星i的瞬時經(jīng)度值的算術(shù)平均值與計算Ti時測量站經(jīng)度采用值λ ^之差，用最小二乘法解算出Λ λ和每顆樣本恒星i的Vt(Zi)；步驟I. 3 :將步驟I. I中解算出的每顆樣本恒星i的&(Z1)，以及采集得到的每顆樣本恒星i的高度碼盤的天頂距讀數(shù)Zi，代入下述公式3中公式3 Az = yjzj/^sec2 z. sin Iff):用最小二乘法從上式中解算出參數(shù)Λζη，Λ Zn為由氣象變化引起的大氣等密度層沿南北方向的傾斜量，如果大氣等密度層向北傾斜，Azn為正值，如果大氣等密度層向南傾斜，則△ Zn為負(fù)值；步驟I. 4 :將步驟I. 2中解算出的每顆樣本恒星i的Vt(Zi)，以及采集得到的每顆樣本恒星i的視赤緯δ i，高度碼盤的天頂距讀數(shù)Zi,代入下述公式4中公式4 : Δ ze=15vt (Zi) cos δ i cos Zi/ (A sin I ")；用最小二乘法從上式中解算出參數(shù)Λ%，Aze為氣象變化引起的大氣等密度層向東傾斜量；步驟2，根據(jù)大氣等密度層傾斜量來修正恒星觀測值，包括以下步驟步驟2. I :將步驟I. 3解算出的大氣等密度層沿南北方向的傾斜量Λζη，以及通過天文經(jīng)緯儀觀測得到的待測恒星的視天頂距ζ，代入以下公式5，計算待測恒星的真天頂距Z 公式5 -.Z=Z+K tan z+AX AznXsec2 ζ ；步驟2. 2 :將步驟I. 4解算出的大氣等密度層向東傾斜量Λ%，以及通過天文經(jīng)緯儀觀測得到的待測恒星過子午圈的時刻t，待測恒星的視天頂距ζ，代入以下公式6中，計算待測恒星過子午圈的修正時刻T 公式6 :T=t+Δ zeXA/cos ζ ；
上述步驟I. 3、步驟I. 4、步驟2. I和步驟2. 2中的A代表大氣折射級數(shù)模型的首項的系數(shù)。上述方案中，所述大氣折射級數(shù)模型是指A tan z_B tan3 z+C tan5 z_D tan7 z+...；上式中的z為視天頂距，由于第二項的系數(shù)B比A小約三個數(shù)量級，后面各項的系數(shù)C、D等更小，因此，在這里的數(shù)據(jù)處理中系數(shù)B、C、D均被略去。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案所述步驟I. 3、步驟I. 4、步驟2. I和步驟2. 2中的A為60" .2。上述方案中，步驟I中所選取的若干顆恒星可以是觀測綱要中的恒星。 本發(fā)明提出，大氣并非均勻同心殼層結(jié)構(gòu)，而是在局部地區(qū)由于氣象條件的變化，存在有等密度層的傾斜，也就是指近地面大氣等密度層與地平面不平行，它的法線與天球的交點不在天頂，而是假設(shè)在天頂北邊距天頂處，即等密度層與均勻同心殼層相比有微小的夾角。這一夾角的存在，將使得大氣折射模型中所采用的天頂距的起算點發(fā)生了變化，計算出的大氣折射修正值存在著隨天頂距而變化的系統(tǒng)差。因此有必要將這一夾角測量出來，修正大氣折射計算值。本發(fā)明的修正大氣折射計算值，以最簡單的南北方向傾斜對子午方向天頂距測定值的影響和東西方向傾斜對子午方向觀測的星過記錄時刻的影響為依據(jù)，在觀測平差中察覺到、并比較準(zhǔn)確地求解出氣象變化引起的大氣等密度層傾斜在兩個方向的傾斜量
Aze0有了八\和Λ ζε，就可以分別對每顆星觀測取得的視天頂距測定值和星過記錄時刻作大氣等密度層傾斜的修正，提高了天體測量以及大地測量儀器的測量精度。本發(fā)明方法是為了提高新研制的儀器的觀測精度，特別是交叉學(xué)科的合作方要求測量數(shù)據(jù)干凈可靠，通過自己和前人的知識積累，包括對天氣預(yù)報中分析天氣形勢的氣溫氣壓分布圖的理解，以及分析前人的測量數(shù)據(jù)不能達(dá)到干凈可靠的原因，而提出的一種新的方法，它是一種排除大氣影響、提高觀測精度的新方法之一，方法的擬定是離不開星光通過大氣層產(chǎn)生彎曲的自然規(guī)律的。其計算方法僅是為這一新的方法服務(wù)的。


圖I為真天頂、折射天頂和被測星為頂點的窄球面直角三角形的示意圖。
具體實施例方式子午方向被測星的真天頂距Z的定義為瞬時緯度爐，減去被測星的視赤緯δ，即Ζ 二爐-5，這樣，就給定了天頂距的正負(fù)號天頂以南為正，天頂以北為負(fù)。觀測得到的視天頂距ζ與真天頂距Z之間的差值為瞬時天文大氣折射值R，并且有Z=z+R。這里先來明確幾個概念真天頂距Z是計算得到的，視天頂距ζ是觀測得到的測定值。天體的星表計算位置(分別指赤經(jīng)和赤緯)，即視位置，是由星表歷元(例如B2000. O)平位置，加歲差、章動和自行、光行差、周年視差等改正得的。計算大氣折射值的級數(shù)表達(dá)式為R=A tan z_B tan3 z+C tan5 z_D tan7 z+......,式中的系數(shù)B比系數(shù)A小三個數(shù)量級，后面的系數(shù)更小。這是前人經(jīng)過長期研究歸納出來的符合自然規(guī)律的大氣折射模型的表達(dá)式。所謂“瞬時天文大氣折射值”，是指模型中第一項的系數(shù)A，必須是采用觀測時刻的瞬時溫度T和瞬時氣壓P作修正后的數(shù)值，因為地面層的大氣密度是隨著該大氣層的緯度、氣壓而變化的。取Atl為標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)(氣溫為0° C，氣壓為760毫米水銀柱或1013. 25毫巴)下A的值，也就是模型所給的值(建立模型前，要把瞬時大氣折射測定值換算到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下)，根據(jù)蓋-呂薩克定律和玻意耳定律有
權(quán)利要求
1.一種修正大氣層傾斜對地面恒星觀測值影響的方法，其特征在于包括以下步驟步驟1，選取若干顆恒星作為樣本恒星i，使用天文經(jīng)緯儀觀測樣本恒星i，所述天文經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡終端上設(shè)置有CCD照相機，所述天文經(jīng)緯儀的高度軸上設(shè)置有高度碼盤，用于測量樣本恒星i的天頂距；建立通過天文經(jīng)緯儀得到的樣本恒星i各觀測值之間的回歸模型，解算出由氣象變化引起的大氣等密度層傾斜對每顆樣本恒星i的影響量，包括以下步驟 步驟I. I :采集每顆樣本恒星i的視赤緯δ i，高度碼盤的天頂距讀數(shù)Zi，CXD照相機靶面上y方向的星像位置測定值71，天文經(jīng)緯儀在測量每顆樣本恒星i時的水平差誤差、光軸指向變化誤差、高度軸偏擺誤差和碼盤刻線分劃誤差的測緯分量之和，以及測量站的緯度采用值乳，代入下述公式I中公式 I J1 H + 夂· V,- + (βφ). +Αφ + νφ(ζ,)； 上式中的&(- )是隨機誤差，代表每顆樣本恒星i的測緯殘差，包含有大氣等密度層傾斜對恒星i測定值的影響，&為靶面星像測緯的比例系數(shù)，Δρ為全部樣本恒星i的瞬時緯度值的算術(shù)平均值與測量站的緯度采用值％之差，用最小二乘法解算出Δ爐和每顆樣本恒星i的認(rèn))； 步驟I. 2 :采集每顆樣本恒星i在不考慮天文經(jīng)緯儀各種誤差和大氣層傾斜情況下的星過時刻計算值Ti,星過時刻記錄值ti; CXD照相機靶面上X方向的星像位置測定值Xi，以及天文經(jīng)緯儀在測量每顆樣本恒星i時的水平差誤差、光軸指向變化誤差、高度軸偏擺誤差和碼盤刻線分劃誤差的測時分量之和(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)是隨機誤差，代表每顆樣本恒星i的測時殘差，包含有大氣等密度層傾斜對恒星i測定值的影響，kt為靶面星像測時比例系數(shù)，Λ λ為全部樣本恒星i的瞬時經(jīng)度值的算術(shù)平均值與計算Ti時測量站經(jīng)度采用值λ ^之差，用最小二乘法解算出△ λ和每顆樣本恒星i的Vt (Zi)； 步驟I. 3 :將步驟I. I中解算出的每顆樣本恒星i的\(- )，以及采集得到的每顆樣本恒星i的高度碼盤的天頂距讀數(shù)Zi，代入下述公式3中 公式 3 Δζ, = v\(z )/(/isec: ζ. sin Iff); 用最小二乘法從上式中解算出參數(shù)△&，△ Zn為由氣象變化引起的大氣等密度層沿南北方向的傾斜量，如果大氣等密度層向北傾斜，Azn為正值，如果大氣等密度層向南傾斜，則Azn為負(fù)值； 步驟I. 4 :將步驟I. 2中解算出的每顆樣本恒星i的Vt(Zi)，以及采集得到的每顆樣本恒星i的視赤緯δ i，高度碼盤的天頂距讀數(shù)Zi,代入下述公式4中公式 4 : Δ ze=15vt (Zi) cos δ i cos Zi/ (A sin I "); 用最小二乘法從上式中解算出參數(shù)△%，為氣象變化引起的大氣等密度層向東傾斜量； 步驟2，根據(jù)大氣等密度層傾斜量來修正恒星觀測值，包括以下步驟 步驟2. I :將步驟I. 3解算出的大氣等密度層沿南北方向的傾斜量Azn，以及通過天文經(jīng)緯儀觀測得到的待測恒星的視天頂距Z，代入以下公式5，計算待測恒星的真天頂距Z 公式 5 :Z=z+A tan ζ+ΑΧ Δ ζηΧ sec2 ζ ； 步驟2. 2 :將步驟I. 4解算出的大氣等密度層向東傾斜量Λ%，以及通過天文經(jīng)緯儀觀測得到的待測恒星過子午圈的時刻t，待測恒星的視天頂距ζ，代入以下公式6中，計算待測恒星過子午圈的修正時刻T 公式 6 :Τ= +Δ zeXA/cos ζ ； 上述步驟I. 3、步驟I. 4、步驟2. I和步驟2. 2中的A代表大氣折射級數(shù)模型的首項的系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種修正大氣層傾斜對地面恒星觀測值影響的方法，其特征在于 所述步驟I. 3、步驟I. 4、步驟2. I和步驟2. 2中的A為60" .2。
全文摘要
一種修正大氣層傾斜對地面恒星觀測值影響的方法，用于修正大氣層傾斜對于在地面上觀測恒星時得到的天文經(jīng)緯度測定值的影響，屬于天體測量技術(shù)領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有的大氣折射誤差修正不準(zhǔn)確的問題，包括以下步驟步驟1，選取若干顆恒星作為樣本恒星，建立樣本恒星各觀測值之間的回歸模型，解算出每組恒星觀測中由氣象變化等因素引起的大氣等密度層傾斜的影響量；步驟2，根據(jù)大氣等密度層傾斜的解算量來修正恒星觀測值。本發(fā)明方法能夠準(zhǔn)確地對每顆星觀測取得的視天頂距測定值和星過記錄時刻作大氣等密度層傾斜的修正，提高了天體測量以及大地測量儀器的測量精度。
文檔編號G01C25/00GK102879013SQ20121036690
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者蘇婕, 陳林飛, 楊磊, 程向明, 王建成, 李彬華, 冒蔚, 鐵瓊仙 申請人:中國科學(xué)院云南天文臺