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一種ccd天頂望遠(yuǎn)鏡地面快速天文定位的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用CCD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法。該方法利用CCD天頂望遠(yuǎn)鏡對(duì)觀測點(diǎn)天頂附近天區(qū)的恒星進(jìn)行兩次成像(兩次成像之間望遠(yuǎn)鏡鏡筒繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180°)，通過對(duì)所拍攝的兩幅恒星圖像、對(duì)應(yīng)的精確時(shí)間及傾斜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，快速獲取觀測點(diǎn)的精確天文經(jīng)緯度。與目前普遍使用的衛(wèi)星定位方法相比，該方法具有全自主性，可靠性高，隱蔽性好，工作安全，不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。與現(xiàn)有的其它天文定位方法相比，該方法具有精度高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該方法不需要進(jìn)行選星，簡化了觀測流程，極大提高了觀測效率。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)天文望遠(yuǎn)鏡觀測復(fù)雜、效率低及需要觀測基墩，無法進(jìn)行流動(dòng)觀測的不足。該方法具有很好的發(fā)展與應(yīng)用前景。
【專利說明】—種CCD天頂望遠(yuǎn)鏡地面快速天文定位的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天體測量領(lǐng)域，具體涉及一種地面快速天文定位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著空間技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星定位被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，甚至被作為唯一的定位手段。但是，衛(wèi)星定位系統(tǒng)的特征是由特定信號(hào)以特定頻率發(fā)播特定格式的導(dǎo)航電文，導(dǎo)航信號(hào)極其微弱，極易受到攻擊和干擾。因此過度依賴衛(wèi)星定位存在很大的危險(xiǎn)性。
[0003]與衛(wèi)星定位相比，天文定位僅被動(dòng)地接受天體的輻射，具有可靠性高，隱蔽性好，工作安全，不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，是一種不依賴其它手段的完全自主定位方式。天文定位在特殊情況下的安全性與重要作用是衛(wèi)星定位定位系統(tǒng)無法比擬的，因而一直是各國繼續(xù)采用的導(dǎo)航定位手段之一。美、俄、英、法等軍事強(qiáng)國的軍艦及潛艇上一直在使用天文定位。
[0004]天文定位是通過天文觀測，確定觀測點(diǎn)鉛垂線的空間指向，即天文經(jīng)緯度。利用CCD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的基本原理是，在給定的時(shí)刻某觀測點(diǎn)天頂附近天區(qū)的恒星是確定的。觀測點(diǎn)位置、時(shí)間與恒星位置三者相互聯(lián)系。在時(shí)間與恒星位置已知的情況下，地面點(diǎn)的位置是唯一確定的。傳統(tǒng)的天文定位方法采用目視六分儀作為觀測設(shè)備，通過觀測某一時(shí)刻太陽或其它天體與海平線或地平線的夾角來確定觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度，但精度低，自動(dòng)化程度低，無法滿足當(dāng)前的定位需要。
[0005]隨著技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了自動(dòng)化的星跟蹤器(星敏感器)和以射電源為觀測目標(biāo)的射電六分儀。星跟蹤器的精度仍然較低，無法滿足高精度定位的需要。射電六分儀需要體積龐大、造價(jià)高的射電天線，且可用射電源數(shù)量少、射電源信號(hào)微弱，從而難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)定位，定位精度低、定位保障不連續(xù)，直接影響射電天文定位技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種利用CCD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法。
[0007]本發(fā)明提供的利用CCD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法，與當(dāng)前普遍實(shí)用的衛(wèi)星定位方法相比，具有全自主性，不受電磁干擾，可靠性高，隱蔽性好，工作安全等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椋摲椒▋H被動(dòng)接收恒星星光，恒星是時(shí)刻存在，且無法被干擾或破壞，而GPS、北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)則需要依賴人造衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)，衛(wèi)星很容易受到攻擊，其發(fā)射的無線電信號(hào)極易受到干擾。
[0008]與其它天文定位方法相比，具有精度高的特點(diǎn)。其它天文定位主要有:星敏感器、六分儀、經(jīng)緯儀等。但精度較低，國際上精度最高的星敏感器的精度約為I"(對(duì)應(yīng)地面定位誤差約為30米)，六分儀的精度約為6" -12"(對(duì)應(yīng)地面定位誤差約為180-360米)，經(jīng)緯儀的觀測精度約為0.5"(對(duì)應(yīng)定位誤差約為15米)。該發(fā)明采用天頂觀測模式，僅對(duì)觀測點(diǎn)天頂(地面一定鉛垂線方向與天空背景的交點(diǎn))附近天區(qū)成像，最大限度減小了大氣折射的影響，提高了觀測精度。同時(shí)采用轉(zhuǎn)軸180°兩次成像觀測，消除了儀器準(zhǔn)直差、CCD零點(diǎn)漂移。同時(shí)采用高精度傾斜儀檢測儀器的傾斜以進(jìn)行傾斜改正，消除了儀器傾斜對(duì)觀測結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)表明，該方法的定位精度約為0.2"(對(duì)應(yīng)定位誤差約為6米)。
[0009]與傳統(tǒng)天文望遠(yuǎn)鏡的觀測相比，該發(fā)明的方法具有體積小便于流動(dòng)觀測，不需要觀測基頓，觀測效率高的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的天文望遠(yuǎn)鏡體積龐大，十分笨重，僅能在固定點(diǎn)觀測，而且需要在觀測點(diǎn)建設(shè)觀測基墩。該發(fā)明的方法所用的儀器體積小，重量輕，易于流動(dòng)觀測，同時(shí)不需要觀測基墩。同時(shí)傳統(tǒng)天文望遠(yuǎn)鏡觀測時(shí)需要觀測綱要，只能在預(yù)訂的時(shí)間內(nèi)觀測，且每次僅觀測一顆星，觀測效率低。該發(fā)明的方法可實(shí)時(shí)觀測，每次觀測幾十至上百顆星，采用多星綜合處理，極大提高了觀測效率，提高了觀測精度。
[0010]利用CXD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法包括觀測與數(shù)據(jù)歸算。觀測過程中具體步驟如下:
[0011]CXD天頂望遠(yuǎn)鏡被安置在觀測點(diǎn)后，置平系統(tǒng)根據(jù)高精度傾斜儀數(shù)據(jù)對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行精確置平，使望遠(yuǎn)鏡的水平狀態(tài)處于給定的范圍以內(nèi)；
[0012]電控系統(tǒng)讀取高精度傾斜儀測量數(shù)據(jù)，并傳輸至計(jì)算機(jī)；
[0013]CXD天頂望遠(yuǎn)鏡對(duì)觀測點(diǎn)天頂附近天區(qū)進(jìn)行第一次成像；
[0014]望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)讀取原子鐘或無線電授時(shí)系統(tǒng)提供的秒脈沖信號(hào)及精確時(shí)間信息，以該秒脈沖作為CCD曝光觸發(fā)信號(hào)，CCD以給定的曝光時(shí)長曝光，同時(shí)電控系統(tǒng)將精確時(shí)間傳輸至計(jì)算機(jī)，第一次成像結(jié)束；
[0015]電控系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡鏡筒(包括CXD相機(jī))繞垂直軸旋轉(zhuǎn)180° ；
[0016]電控系統(tǒng)再次讀取高精度傾斜儀測量數(shù)據(jù)，并傳輸至計(jì)算機(jī)；
[0017]CXD天頂望遠(yuǎn)鏡對(duì)觀測點(diǎn)天頂附近天區(qū)進(jìn)行第二次成像；
[0018]望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)讀取原子鐘或無線電授時(shí)系統(tǒng)提供的秒脈沖信號(hào)及精確時(shí)間信息，以該秒脈沖作為CCD曝光觸發(fā)信號(hào)，CCD以給定的曝光時(shí)長曝光，同時(shí)電控系統(tǒng)將精確時(shí)間傳輸至計(jì)算機(jī)，第二次成像結(jié)束；
[0019]數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)兩次成像獲取的CCD圖像及各自成像時(shí)刻記錄的精確時(shí)間及傾斜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到觀測點(diǎn)的天文經(jīng)緯度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為CXD天頂望遠(yuǎn)鏡地面快速天文定位觀測流程；
[0021]圖2為CXD天頂望遠(yuǎn)鏡地面快速天文定位數(shù)據(jù)處理流程。
【具體實(shí)施方式】
[0022]如圖1所示，本發(fā)明提供的天文定位方法包括以下步驟:
[0023]望遠(yuǎn)鏡置平。將CCD天頂望遠(yuǎn)鏡安置在觀測點(diǎn)后，置平系統(tǒng)根據(jù)高精度傾斜儀數(shù)據(jù)對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行精確置平，使望遠(yuǎn)鏡的水平狀態(tài)處于給定的范圍以內(nèi)。
[0024]對(duì)對(duì)觀測點(diǎn)天頂附近天區(qū)進(jìn)行第一次成像。電控系統(tǒng)讀取高精度傾斜儀測量數(shù)據(jù)，并傳輸至計(jì)算機(jī)；CCD天頂望遠(yuǎn)鏡對(duì)觀測點(diǎn)天頂附近天區(qū)進(jìn)行第一次成像；望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)讀取原子鐘或無線電授時(shí)系統(tǒng)提供的秒脈沖信號(hào)及精確時(shí)間信息，以該秒脈沖作為CCD曝光觸發(fā)信號(hào)，CCD以給定的曝光時(shí)長曝光，同時(shí)電控系統(tǒng)將精確時(shí)間傳輸至計(jì)算機(jī)，第一次成像結(jié)束。
[0025]對(duì)觀測點(diǎn)天頂附近天區(qū)進(jìn)行第二次成像。電控系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡鏡筒(包括CCD相機(jī))繞垂直軸旋轉(zhuǎn)180° ；電控系統(tǒng)再次讀取高精度傾斜儀測量數(shù)據(jù)，并傳輸至計(jì)算機(jī)；CCD天頂望遠(yuǎn)鏡對(duì)觀測點(diǎn)天頂附近天區(qū)進(jìn)行第二次成像；望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)讀取原子鐘或無線電授時(shí)系統(tǒng)提供的秒脈沖信號(hào)及精確時(shí)間信息，以該秒脈沖作為CCD曝光觸發(fā)信號(hào)，CCD以給定的曝光時(shí)長曝光，同時(shí)電控系統(tǒng)將精確時(shí)間傳輸至計(jì)算機(jī)，第二次成像結(jié)束。
[0026]數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)兩次成像獲取的CCD圖像及各自成像時(shí)刻記錄的精確時(shí)間及傾斜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸算處理，得到觀測點(diǎn)的天文經(jīng)緯度。
[0027]如圖2所示，數(shù)據(jù)歸算過程包括:星像提取及星像質(zhì)心計(jì)算、恒星視位置及格林尼治視恒星時(shí)計(jì)算、星圖識(shí)別、天頂點(diǎn)位置計(jì)算及望遠(yuǎn)鏡傾斜改正。
[0028]詳細(xì)步驟如下:
[0029](1)星像提取及星像質(zhì)心計(jì)算
[0030]在整幅圖像中搜索亮度值大于某一閾值的像素。若與該像素周圍的像素的灰度值同樣大于該閾值，則認(rèn)為該像素及其周圍像素組成的區(qū)域?yàn)樾窍駞^(qū)域。
[0031]通過對(duì)星像區(qū)域內(nèi)各個(gè)像素的灰度值做加權(quán)平均得到星像質(zhì)心位置。
[0032](2)星表參考恒星視位置及格林尼治恒星時(shí)計(jì)算
[0033]星表中給出的是恒星在標(biāo)準(zhǔn)歷元下的平位置，在計(jì)算中要根據(jù)諸多時(shí)變因素的影響(主要包括恒星自行、歲差、章動(dòng)、光行差、視差等)將該平位置轉(zhuǎn)換為觀測歷元視位置。
[0034]利用觀測時(shí)刻的UTC及觀測時(shí)刻的UTl計(jì)算格林尼治視恒星時(shí)。
[0035](3)參考星理想坐標(biāo)計(jì)算
[0036](2)中所得恒星視位置是天球坐標(biāo)系下的球面坐標(biāo)，而CXD圖像中星像的位置是平面坐標(biāo)。為確定星表參考星與星像之間的聯(lián)系，需建立參考星的理想坐標(biāo)系，將參考星的赤道坐標(biāo)投影到在天頂位置與天球相切的平面上，得到參考星在切平面中的理想坐標(biāo)。
[0037](4)星圖匹配
[0038]在建立星像CXD圖像量度坐標(biāo)與參考星理想坐標(biāo)之間的函數(shù)轉(zhuǎn)換模型之前，需要進(jìn)行星圖識(shí)別，確定星表中與CXD圖像中星像對(duì)應(yīng)的參考星。根據(jù)CXD圖像中星像分布與星表中參考星的分布具有相似的幾何特征進(jìn)行星圖識(shí)別。
[0039]首先利用四邊形星圖識(shí)別算法匹配出四顆亮星。計(jì)算CXD圖像量度坐標(biāo)系與理想坐標(biāo)系之間的初始轉(zhuǎn)換模型。根據(jù)所得的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型、CXD圖像中星像坐標(biāo)及參考星理想坐標(biāo)完成所有星的匹配。利用完成匹配的所有星的CXD圖像量度坐標(biāo)及參考星的理想坐標(biāo)，重新計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。為保證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的精度，剔除殘差較大的星，重新計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。
[0040](5)天頂點(diǎn)的天文坐標(biāo)計(jì)算
[0041]首先，假設(shè)天頂點(diǎn)在CXD圖像上的像點(diǎn)位于CXD圖像中心，即其圖像量度坐標(biāo)為(0,0)。利用公式分別計(jì)算CXD圖像中心對(duì)應(yīng)的理想坐標(biāo)及赤道坐標(biāo)。
{X = a,-\-hx^c,y
[0042]丨 I 17
[/ = Q1 +b2x + c2y
【權(quán)利要求】
1.一種使用CCD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法，包括以下步驟: 將CXD天頂望遠(yuǎn)鏡置平； 電控系統(tǒng)讀取高精度傾斜儀測量數(shù)據(jù)，并傳輸至計(jì)算機(jī)； CCD天頂望遠(yuǎn)鏡對(duì)觀測點(diǎn)天頂附近天區(qū)進(jìn)行第一次成像； 望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)讀取原子鐘或無線電授時(shí)系統(tǒng)提供的秒脈沖信號(hào)及精確時(shí)間信息，以該秒脈沖作為CCD曝光觸發(fā)信號(hào),CCD以給定的曝光時(shí)長曝光，同時(shí)電控系統(tǒng)將精確時(shí)間傳輸至計(jì)算機(jī)，第一次成像結(jié)束； 電控系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡鏡筒(包括CCD相機(jī))繞垂直軸旋轉(zhuǎn)180° ； 電控系統(tǒng)再次讀取高精度傾斜儀測量數(shù)據(jù)，并傳輸至計(jì)算機(jī)； CCD天頂望遠(yuǎn)鏡對(duì)觀測點(diǎn)天頂附近天區(qū)進(jìn)行第二次成像； 望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)讀取原子鐘或無線電授時(shí)系統(tǒng)提供的秒脈沖信號(hào)及精確時(shí)間信息，以該秒脈沖作為CCD曝光觸發(fā)信號(hào),CCD以給定的曝光時(shí)長曝光，同時(shí)電控系統(tǒng)將精確時(shí)間傳輸至計(jì)算機(jī)，第二次成像結(jié)束； 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)兩次成像獲取的CCD圖像及各自成像時(shí)刻記錄的精確時(shí)間及傾斜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到觀測點(diǎn)的天文經(jīng)緯度。
2.如權(quán)利要求1所述的使用C⑶天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法，其中將CXD天頂望遠(yuǎn)鏡置平包括: 將CXD天頂望遠(yuǎn)鏡安置在觀測點(diǎn)，置平系統(tǒng)根據(jù)高精度傾斜儀數(shù)據(jù)對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行精確置平，使望遠(yuǎn)鏡的水平狀態(tài)處于給定的范圍以內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的使用CXD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法，其中數(shù)據(jù)處理包括星像提取及星像質(zhì)心計(jì)算、恒星視位置及格林尼治視恒星時(shí)計(jì)算、參考星理想坐標(biāo)計(jì)算、星圖識(shí)別、天頂點(diǎn)位置計(jì)算及望遠(yuǎn)鏡傾斜改正。
4.如權(quán)利要求3所述的使用CCD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法，其中星像提取及星像質(zhì)心計(jì)算包括以下步驟: 在整幅圖像中搜索亮度值大于某一閾值的像素； 對(duì)上述像素的灰度值做加權(quán)平均得到星像質(zhì)心位置。
5.如權(quán)利要求3所述的使用CCD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法，其中恒星視位置及格林尼治視恒星時(shí)計(jì)算包括以下步驟: 根據(jù)觀測時(shí)刻的精確時(shí)間與星表數(shù)據(jù)將該星表中給出的恒星平位置轉(zhuǎn)換為觀測歷元視位置； 根據(jù)觀測時(shí)刻的精確時(shí)間計(jì)算格林尼治視恒星時(shí)。
6.如權(quán)利要求3所述的使用CCD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法，參考星理想坐標(biāo)計(jì)算步驟如下: 將參考星的赤道坐標(biāo)投影到在天頂位置與天球相切的平面上，得到參考星在切平面中的理想坐標(biāo)。
7.如權(quán)利要求3所述的使用CCD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法，其中星圖識(shí)別包括以下步驟: 利用四邊形星圖識(shí)別算法匹配出四顆亮星； 計(jì)算CCD圖像量度坐標(biāo)系與理想坐標(biāo)系之間的初始轉(zhuǎn)換模型；根據(jù)所得的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型、C⑶圖像中星像坐標(biāo)及參考星理想坐標(biāo)完成所有星的匹配； 利用完成匹配的所有星的CXD圖像量度坐標(biāo)及參考星的理想坐標(biāo)，重新計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型； 為保證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的精度，剔除殘差較大的星，重新計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。
8.如權(quán)利要求3所述的使用CXD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法，其中天頂點(diǎn)位置計(jì)算包括以下步驟: 假設(shè)天頂點(diǎn)在CXD圖像上的像點(diǎn)位于CXD圖像中心，即其圖像量度坐標(biāo)為(O，O)； 利用以下公式分別計(jì)算CXD圖像中心對(duì)應(yīng)的理想坐標(biāo)及赤道坐標(biāo)；

9.如權(quán)利要求3所述的使用CCD天頂望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行地面快速天文定位的方法，其中望遠(yuǎn)鏡傾斜改正包括: 根據(jù)兩次觀測時(shí)刻的傾斜儀數(shù)據(jù)計(jì)算儀器傾斜值；
【文檔編號(hào)】G01C21/02GK103837150SQ201410099959
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】王博, 田立麗, 王政, 韓延本, 王紅旗, 尹志強(qiáng), 劉衛(wèi)東, 喬琪源 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院國家天文臺(tái)