一种ccd天顶望远镜地面快速天文定位的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用CCD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法。该方法利用CCD天顶望远镜对观测点天顶附近天区的恒星进行两次成像(两次成像之间望远镜镜筒绕旋转轴旋转180°)，通过对所拍摄的两幅恒星图像、对应的精确时间及倾斜仪数据进行处理，快速获取观测点的精确天文经纬度。与目前普遍使用的卫星定位方法相比，该方法具有全自主性，可靠性高，隐蔽性好，工作安全，不受电磁干扰等优点。与现有的其它天文定位方法相比，该方法具有精度高的优点。同时该方法不需要进行选星，简化了观测流程，极大提高了观测效率。弥补了传统天文望远镜观测复杂、效率低及需要观测基墩，无法进行流动观测的不足。该方法具有很好的发展与应用前景。
【专利说明】—种CCD天顶望远镜地面快速天文定位的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及天体测量领域，具体涉及一种地面快速天文定位的方法。
【背景技术】
[0002]随着空间技术的发展，卫星定位被广泛地应用于各个领域，甚至被作为唯一的定位手段。但是，卫星定位系统的特征是由特定信号以特定频率发播特定格式的导航电文，导航信号极其微弱，极易受到攻击和干扰。因此过度依赖卫星定位存在很大的危险性。
[0003]与卫星定位相比，天文定位仅被动地接受天体的辐射，具有可靠性高，隐蔽性好，工作安全，不受电磁干扰等优点，是一种不依赖其它手段的完全自主定位方式。天文定位在特殊情况下的安全性与重要作用是卫星定位定位系统无法比拟的，因而一直是各国继续采用的导航定位手段之一。美、俄、英、法等军事强国的军舰及潜艇上一直在使用天文定位。
[0004]天文定位是通过天文观测，确定观测点铅垂线的空间指向，即天文经纬度。利用CCD天顶望远镜进行地面快速天文定位的基本原理是，在给定的时刻某观测点天顶附近天区的恒星是确定的。观测点位置、时间与恒星位置三者相互联系。在时间与恒星位置已知的情况下，地面点的位置是唯一确定的。传统的天文定位方法采用目视六分仪作为观测设备，通过观测某一时刻太阳或其它天体与海平线或地平线的夹角来确定观测点的经纬度，但精度低，自动化程度低，无法满足当前的定位需要。
[0005]随着技术的发展，逐渐出现了自动化的星跟踪器(星敏感器)和以射电源为观测目标的射电六分仪。星跟踪器的精度仍然较低，无法满足高精度定位的需要。射电六分仪需要体积庞大、造价高的射电天线，且可用射电源数量少、射电源信号微弱，从而难以实现连续定位，定位精度低、定位保障不连续，直接影响射电天文定位技术的应用和发展。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种利用CCD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法。
[0007]本发明提供的利用CCD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法，与当前普遍实用的卫星定位方法相比，具有全自主性，不受电磁干扰，可靠性高，隐蔽性好，工作安全等优点。因为，该方法仅被动接收恒星星光，恒星是时刻存在，且无法被干扰或破坏，而GPS、北斗等卫星定位系统则需要依赖人造卫星发射的无线电信号，卫星很容易受到攻击，其发射的无线电信号极易受到干扰。
[0008]与其它天文定位方法相比，具有精度高的特点。其它天文定位主要有:星敏感器、六分仪、经纬仪等。但精度较低，国际上精度最高的星敏感器的精度约为I"(对应地面定位误差约为30米)，六分仪的精度约为6" -12"(对应地面定位误差约为180-360米)，经纬仪的观测精度约为0.5"(对应定位误差约为15米)。该发明采用天顶观测模式，仅对观测点天顶(地面一定铅垂线方向与天空背景的交点)附近天区成像，最大限度减小了大气折射的影响，提高了观测精度。同时采用转轴180°两次成像观测，消除了仪器准直差、CCD零点漂移。同时采用高精度倾斜仪检测仪器的倾斜以进行倾斜改正，消除了仪器倾斜对观测结果的影响。实验表明，该方法的定位精度约为0.2"(对应定位误差约为6米)。
[0009]与传统天文望远镜的观测相比，该发明的方法具有体积小便于流动观测，不需要观测基顿，观测效率高的优点。传统的天文望远镜体积庞大，十分笨重，仅能在固定点观测，而且需要在观测点建设观测基墩。该发明的方法所用的仪器体积小，重量轻，易于流动观测，同时不需要观测基墩。同时传统天文望远镜观测时需要观测纲要，只能在预订的时间内观测，且每次仅观测一颗星，观测效率低。该发明的方法可实时观测，每次观测几十至上百颗星，采用多星综合处理，极大提高了观测效率，提高了观测精度。
[0010]利用CXD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法包括观测与数据归算。观测过程中具体步骤如下:
[0011]CXD天顶望远镜被安置在观测点后，置平系统根据高精度倾斜仪数据对望远镜进行精确置平，使望远镜的水平状态处于给定的范围以内；
[0012]电控系统读取高精度倾斜仪测量数据，并传输至计算机；
[0013]CXD天顶望远镜对观测点天顶附近天区进行第一次成像；
[0014]望远镜电控系统读取原子钟或无线电授时系统提供的秒脉冲信号及精确时间信息，以该秒脉冲作为CCD曝光触发信号，CCD以给定的曝光时长曝光，同时电控系统将精确时间传输至计算机，第一次成像结束；
[0015]电控系统控制驱动系统驱动望远镜镜筒(包括CXD相机)绕垂直轴旋转180° ；
[0016]电控系统再次读取高精度倾斜仪测量数据，并传输至计算机；
[0017]CXD天顶望远镜对观测点天顶附近天区进行第二次成像；
[0018]望远镜电控系统读取原子钟或无线电授时系统提供的秒脉冲信号及精确时间信息，以该秒脉冲作为CCD曝光触发信号，CCD以给定的曝光时长曝光，同时电控系统将精确时间传输至计算机，第二次成像结束；
[0019]数据处理系统对两次成像获取的CCD图像及各自成像时刻记录的精确时间及倾斜仪数据进行处理，得到观测点的天文经纬度。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为CXD天顶望远镜地面快速天文定位观测流程；
[0021]图2为CXD天顶望远镜地面快速天文定位数据处理流程。
【具体实施方式】
[0022]如图1所示，本发明提供的天文定位方法包括以下步骤:
[0023]望远镜置平。将CCD天顶望远镜安置在观测点后，置平系统根据高精度倾斜仪数据对望远镜进行精确置平，使望远镜的水平状态处于给定的范围以内。
[0024]对对观测点天顶附近天区进行第一次成像。电控系统读取高精度倾斜仪测量数据，并传输至计算机；CCD天顶望远镜对观测点天顶附近天区进行第一次成像；望远镜电控系统读取原子钟或无线电授时系统提供的秒脉冲信号及精确时间信息，以该秒脉冲作为CCD曝光触发信号，CCD以给定的曝光时长曝光，同时电控系统将精确时间传输至计算机，第一次成像结束。
[0025]对观测点天顶附近天区进行第二次成像。电控系统控制驱动系统驱动望远镜镜筒(包括CCD相机)绕垂直轴旋转180° ；电控系统再次读取高精度倾斜仪测量数据，并传输至计算机；CCD天顶望远镜对观测点天顶附近天区进行第二次成像；望远镜电控系统读取原子钟或无线电授时系统提供的秒脉冲信号及精确时间信息，以该秒脉冲作为CCD曝光触发信号，CCD以给定的曝光时长曝光，同时电控系统将精确时间传输至计算机，第二次成像结束。
[0026]数据处理系统对两次成像获取的CCD图像及各自成像时刻记录的精确时间及倾斜仪数据进行数据归算处理，得到观测点的天文经纬度。
[0027]如图2所示，数据归算过程包括:星像提取及星像质心计算、恒星视位置及格林尼治视恒星时计算、星图识别、天顶点位置计算及望远镜倾斜改正。
[0028]详细步骤如下:
[0029](1)星像提取及星像质心计算
[0030]在整幅图像中搜索亮度值大于某一阈值的像素。若与该像素周围的像素的灰度值同样大于该阈值，则认为该像素及其周围像素组成的区域为星像区域。
[0031]通过对星像区域内各个像素的灰度值做加权平均得到星像质心位置。
[0032](2)星表参考恒星视位置及格林尼治恒星时计算
[0033]星表中给出的是恒星在标准历元下的平位置，在计算中要根据诸多时变因素的影响(主要包括恒星自行、岁差、章动、光行差、视差等)将该平位置转换为观测历元视位置。
[0034]利用观测时刻的UTC及观测时刻的UTl计算格林尼治视恒星时。
[0035](3)参考星理想坐标计算
[0036](2)中所得恒星视位置是天球坐标系下的球面坐标，而CXD图像中星像的位置是平面坐标。为确定星表参考星与星像之间的联系，需建立参考星的理想坐标系，将参考星的赤道坐标投影到在天顶位置与天球相切的平面上，得到参考星在切平面中的理想坐标。
[0037](4)星图匹配
[0038]在建立星像CXD图像量度坐标与参考星理想坐标之间的函数转换模型之前，需要进行星图识别，确定星表中与CXD图像中星像对应的参考星。根据CXD图像中星像分布与星表中参考星的分布具有相似的几何特征进行星图识别。
[0039]首先利用四边形星图识别算法匹配出四颗亮星。计算CXD图像量度坐标系与理想坐标系之间的初始转换模型。根据所得的坐标转换模型、CXD图像中星像坐标及参考星理想坐标完成所有星的匹配。利用完成匹配的所有星的CXD图像量度坐标及参考星的理想坐标，重新计算坐标转换模型。为保证坐标转换模型的精度，剔除残差较大的星，重新计算坐标转换模型。
[0040](5)天顶点的天文坐标计算
[0041]首先，假设天顶点在CXD图像上的像点位于CXD图像中心，即其图像量度坐标为(0,0)。利用公式分别计算CXD图像中心对应的理想坐标及赤道坐标。
{X = a,-\-hx^c,y
[0042]丨 I 17
[/ = Q1 +b2x + c2y
【权利要求】
1.一种使用CCD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法，包括以下步骤: 将CXD天顶望远镜置平； 电控系统读取高精度倾斜仪测量数据，并传输至计算机； CCD天顶望远镜对观测点天顶附近天区进行第一次成像； 望远镜电控系统读取原子钟或无线电授时系统提供的秒脉冲信号及精确时间信息，以该秒脉冲作为CCD曝光触发信号,CCD以给定的曝光时长曝光，同时电控系统将精确时间传输至计算机，第一次成像结束； 电控系统控制驱动系统驱动望远镜镜筒(包括CCD相机)绕垂直轴旋转180° ； 电控系统再次读取高精度倾斜仪测量数据，并传输至计算机； CCD天顶望远镜对观测点天顶附近天区进行第二次成像； 望远镜电控系统读取原子钟或无线电授时系统提供的秒脉冲信号及精确时间信息，以该秒脉冲作为CCD曝光触发信号,CCD以给定的曝光时长曝光，同时电控系统将精确时间传输至计算机，第二次成像结束； 数据处理系统对两次成像获取的CCD图像及各自成像时刻记录的精确时间及倾斜仪数据进行数据处理，得到观测点的天文经纬度。
2.如权利要求1所述的使用C⑶天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法，其中将CXD天顶望远镜置平包括: 将CXD天顶望远镜安置在观测点，置平系统根据高精度倾斜仪数据对望远镜进行精确置平，使望远镜的水平状态处于给定的范围以内。
3.如权利要求1所述的使用CXD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法，其中数据处理包括星像提取及星像质心计算、恒星视位置及格林尼治视恒星时计算、参考星理想坐标计算、星图识别、天顶点位置计算及望远镜倾斜改正。
4.如权利要求3所述的使用CCD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法，其中星像提取及星像质心计算包括以下步骤: 在整幅图像中搜索亮度值大于某一阈值的像素； 对上述像素的灰度值做加权平均得到星像质心位置。
5.如权利要求3所述的使用CCD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法，其中恒星视位置及格林尼治视恒星时计算包括以下步骤: 根据观测时刻的精确时间与星表数据将该星表中给出的恒星平位置转换为观测历元视位置； 根据观测时刻的精确时间计算格林尼治视恒星时。
6.如权利要求3所述的使用CCD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法，参考星理想坐标计算步骤如下: 将参考星的赤道坐标投影到在天顶位置与天球相切的平面上，得到参考星在切平面中的理想坐标。
7.如权利要求3所述的使用CCD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法，其中星图识别包括以下步骤: 利用四边形星图识别算法匹配出四颗亮星； 计算CCD图像量度坐标系与理想坐标系之间的初始转换模型；根据所得的坐标转换模型、C⑶图像中星像坐标及参考星理想坐标完成所有星的匹配； 利用完成匹配的所有星的CXD图像量度坐标及参考星的理想坐标，重新计算坐标转换模型； 为保证坐标转换模型的精度，剔除残差较大的星，重新计算坐标转换模型。
8.如权利要求3所述的使用CXD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法，其中天顶点位置计算包括以下步骤: 假设天顶点在CXD图像上的像点位于CXD图像中心，即其图像量度坐标为(O，O)； 利用以下公式分别计算CXD图像中心对应的理想坐标及赤道坐标；
9.如权利要求3所述的使用CCD天顶望远镜进行地面快速天文定位的方法，其中望远镜倾斜改正包括: 根据两次观测时刻的倾斜仪数据计算仪器倾斜值；
【文档编号】G01C21/02GK103837150SQ201410099959
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】王博, 田立丽, 王政, 韩延本, 王红旗, 尹志强, 刘卫东, 乔琪源 申请人:中国科学院国家天文台