一种星敏感器蒙气差修正的新方法

为简化星敏感器蒙气差修正步骤,提高星敏感器自主姿态测量能力,提出了一种基于参考量修正的蒙气差修正新方法。该方法恒星视天顶距计算简单,不需要载体的姿态信息,蒙气差修正不需要求解二元非线性方程组,只需要简单加法即可完成。仿真分析与实验结果表明,利用参考量蒙气差修正方法得到的船体姿态解算结果与观测量蒙气差修正方法是一致的,二者偏差在0.1″以内。对星敏感器姿态测量的应用,基于参考量修正的蒙气差修正方法不需利用外部姿态信息,既计算简单,又不损失姿态测量精度。     

静止轨道卫星红外探测大气透过率与蒙气差分析

静止轨道卫星采用CO2和水汽吸收波段进行红外探测,探测性能受观测波段的大气透过率影响显著,同时,大气折射率随空间位置的变化影响目标的定位精度。通过建立大气中探测路径几何模型,利用FASCODE软件计算出路径上2.7μm和4.3μm波段大气透过率和蒙气差并制成图表,蒙气差计算结果与理论估算一致。结果表明,2.7μm波段大气透过率在5～25km高度变化显著,35km以上透过率达95%;4.3μm波段大气透过率在5～45km高度变化显著,50km以上透过率达95%。两个波段的蒙气差相同,对目标位置的影响较少,天顶角8°以内,影响只有50m量级,超过8°,偏差随角度增长很快,到地球圆盘边缘时达到1km。通过插值,透过率数据和蒙气差数据可用于系统设计、性能评估和实时仿真。     

基于恒星观测的静止轨道成像仪指向偏差在轨修正

在建立基于恒星观测的成像仪指向偏差在轨修正模型的基础上 ,提出了模型中若干关键参数(包括最低观测星等、待观测恒星及成像仪凝视观测化置等)的选取方法.同时,开展了数字延迟积分技术,系统点源扩展函数等对指向偏差测量精度的影响分析,提出了指向偏差确定精度达1"的在轨修正方案,并利用GOES-9卫星成像仪实际恒星观测数据进行了部分定量验证.研究成果将为后续风云四号卫星成像仪高精度指向偏差在轨修正的业务模式设计和工程实施,提供重要的技术参考.     

航空天文导航系统定位误差因素研究

研究了影响航空天文导航系统定位精度的四个因素,包括轴系制造装调与标校精度、导航星视位置精度、蒙气差修正精度和CCD光电测量精度。首先分别对这四个因素进行了理论分析,在论述轴系制造装调与标校精度的过程中,首次考虑了天文导航设备与外部设备之间的坐标轴系标定问题,并提出了利用对角位移敏感的光学测量技术来完成天文导航设备与外部设备之间的坐标轴系标定,对工程实践具有指导意义。     

云层对卫星遥感大气CO的影响与修正方法研究

研究云层对卫星遥感大气CO精度的影响,并以SCIAMACHY观测为例,详细论述一种云层影响的修正方法。修正过程中,采用朗伯云模型,全面考虑云层覆盖率、云顶高度和地面反射率的影响。将云层影响修正前后的卫星CO反演结果与地基FTIR测量值进行对比,发现修正云层影响后,两者的测量相关性明显提高。实验结果表明,提出的云层影响修正方法可明显提高卫星遥感大气CO的精度。     

地基红外辐射测量系统联合辐射定标法

基于红外标准星和内部黑体标定源的联合辐射定标法可提高空间目标的红外辐射测量精度。黑体标定源位于红外辐射测量系统内部,用于定标光学系统响应率。依据大气消光模型,采用天文孔径测光法,通过观测不同仰角处的多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星得到大气消光和系统透过率系数。700mm口径地基中波红外辐射测量系统验证性实验的结果表明,在恒星图像曝光充分的情况下,联合辐射定标法的恒星辐照度反演误差优于11%。联合辐射定标法操作简单、成本低,可随时对测量设备进行现场标校。     

利用月掩星现象测量月球公转周期

月掩星现象发生前,通过天文望远镜观测月球阴影部分可以看到月球相对于遥远的恒星的视角的变化,在较短的观测时间内遥远的恒星可以视为固定不动,通过两者的相对位置的变化加上地球自转的修正可以测量出月球公转的平均轨道周期.     

利用GNSS差分的天线阵大气相位扰动实时修正方法

提出了一种基于全球导航卫星系统差分的天线阵大气相位扰动实时修正方法,以高稳定度的原子钟作为外频标,利用导航卫星载波相位的单差与历元上的双差,并通过星历扣除由于卫星运动引起的相位变化,在周跳检测和修正后,通过长周期的拟合消除卫星轨道和站坐标误差的影响,最后通过双频或多频信号实现两地电离层和对流层扰动的实时测量.在国家天文台北京密云站和云南昆明站分别部署了一套全球导航卫星接收设备,进行异地大气相位扰动实时修正方法的实验验证.利用双频载波相位测量数据对第三频率进行修正,结果表明,在不同天气条件下修正后的大气相位扰动均方根达到1.9mm,表明该方法可用于射电天文和深空探测中天线阵的大气相位扰动修正.     

基于光谱相似度的恒星大气参数自动测量方法

采用模板匹配方法进行恒星光谱的自动处理时,不需要计算光谱的线指数,而采取对全谱匹配的方法尽可能多的保存有用的信息,可得到比较理想的结果。提出一种基于光谱相似度的恒星大气参数自动测量的方法。首先对恒星光谱进行连续谱归一化,然后通过计算待测光谱和模板光谱之间的相似性来进行模板匹配,从而得到相对准确的恒星大气参数。通过ELODIE实测光谱数据和NGS理论模板库之间的实验表明,本方法可有效进行恒星大气参数的自动测量,并能得到理想的结果。     

星光观测蒙气差补偿技术

为了消除大气内观星时蒙的影响,提高载体定姿精度,提出了一种蒙气差补偿算法。首先给出了补偿过程涉及的姿态转移矩阵,并完成了相关矢量坐标映射变换;接着在星敏感器坐标系内,用两矢量内积法求得视天顶距;最后利用几何公式列出了以真星光矢量投影点估计位置为未知量的方程组,作为星敏感器任意姿态下蒙气差补偿算法模型。在没有任何误差的条件下对模型有效性进行了仿真,10-6 pixel量级的位置估计精度表明了算法的有效性。加入不同量级的陀螺漂移误差进行了仿真,给定的漂移误差对于蒙气差补偿模型的估计精度影响甚微,仿真结果表明在捷联载体存在一定姿态误差的前提下,蒙气差补偿模型也是适用的,补偿后的星像坐标用以实现星光姿态确定,并进一步对陀螺漂移完成补偿。     

组合大视场星敏感器自主定轨中的星光折射

就组合大视场星敏感器卫星自主定轨方法中的恒星观测,在球形大气假设下,直接由大气折射率、光在大气中的折射路径和斯涅耳定律出发,建立星光大气折射模型。在60 km高度以上星光穿过时不产生大气折射的假设下,得到星光在60 km高度的大气层上的仰角θ60、星光折射角γ和星光切线高度h的关系,且当星光穿过20~60 km的高度大气范围时,θ60的范围约在0°~7°之间。最后应用该大气折射模型进行了轨道确定仿真,说明折射模型的有效性。     

外场多光轴瞄准偏差测试的基准光轴建立方法

提出一种针对外场真实环境下可见光、激光和红外多光轴瞄准系统瞄准偏差测试的基准光轴建立方法.采用精密大地测距、测角技术获得观测仪器站址坐标、基准光轴方向和靶标中心位置,通过对标定靶标上的中心点作测距和测角观测,并对基准光轴方向大气折射和地球曲率引入的误差进行改正,获得基准光轴、激光和红外系统在靶标上的精确位置.理论分析和实际测试结果表明,该方法具有理论严密、测量准确度高、工程上易于实现的优点,在2 km范围内基准光轴误差小于4.5″,完全满足多光谱多光轴动态瞄准偏差测试中基准光轴准确度的要求.     

基于坐标转换的数字天顶仪定向方法

为了提高仪器的工作效率,在数字天顶仪定位的基础上开展了定向方法的研究,构建了识别星点的坐标转换模型.从坐标转换模型出发,分析了仪器倾斜及光轴倾斜等因素对恒星像点图像坐标的影响,研究了焦距值及光轴指向的天文坐标对恒星理论坐标的影响,并在坐标转换的基础上建立了定向模型.试验结果表明,单组星图的定向精度均在5″以内,定向精度较高,能够满足实际条件下对定向精度的要求.     

基于同步探测的脉冲钠导星聚焦非等晕性实验研究

本文提出在大气Greenwood时间常数内采用同步探测技术实现钠导星聚焦非等晕性测量, 开展了脉冲体制钠导星探测实验, 实现了对大气平流层顶端钠导星和同路径自然星可见光波段的哈特曼点阵的同步探测, 并获得钠导星回光单帧波面, 从波面一致性对比、Zernike系数比较、模拟成像校正等方面对实验结果进行较全面分析. 实验结果表明, 在当前实验条件下, 虽然脉冲钠导星的单帧哈特曼点阵的成像对比度较低, 制约了波面恢复精度, 但同步测量的两组波面始终能保持相似性, 其Zernike系数在前36阶一致性较好, 模拟结果表明钠导星探测波面有助于实现对自然星成像的有效校正, 扣除波面恢复误差后的聚焦非等晕性方差小于0.1 rad², 十分接近理论结果.     

High resolution image formation through the turbulent atmosphere

Labeyrie proposed and implemented a method for measuring star diameters with very high precision in spite of the turbulent atmosphere. We propose to modify this method so that also star maps can be obtained. This should be possible if a certain information that has been thrown away so far is utilized now too in combination with Labeyrie's information. We verify our proposal by model experiments.     

AO3D: A Monte Carlo code for modeling of environmental light propagation

A Monte Carlo radiative transfer program (Atmosphere-Ocean 3-Dimensional, AO3D) for modeling the coupled atmosphere-ocean environment has been developed. The code allows for the specification of optical properties for the atmosphere, land and ocean. Light rays are tracked as they pass between the atmosphere and the ocean, reflect off the ocean surface, the ocean floor, and off land, or are absorbed. In this version the polarization of light rays is not considered. The optical properties of each horizontally homogeneous layer within the atmosphere and ocean can be set on a layer-by-layer basis with a choice of phase functions, absorption and scattering coefficients, and index of refraction. A wind-dependent Cox and Munk ocean surface realization (with whitecaps) is implemented to model refraction and reflection from surface waves. Either spherical- or flat-Earth models can be used, and all refraction and reflection are accounted for. The AO3D model has been tested by parts, and as a whole by comparison with single- and total-scattering calculations from other radiative transfer codes. Comparisons with Monte Carlo calculations by Adams and Kattawar (agreement in TOA radiance within the published precision ∼2%), MODTRAN4 (agreement in spherical-shell atmosphere (SSA) sky radiance within about 2%) and Coupled DIScrete Ordinate Radiative Transfer (COART) (agreement in plane-parallel (PP) sky radiance within 2%) are shown. Sun photometer measurements (including large air mass values) at the Mauna Loa Observatory are compared to AO3D simulations (for a spherical Earth) and suggest that a thin aerosol layer was present above the observatory at the time of the measurements.     

低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究

为模拟低太阳高度角条件下的天空偏振模式,自主开发了考虑大气球形几何及大气折射效应的辐射传输模式VSPART,并将其运用于漫射光偏振特性仿真.在模式中,基于射线追踪法实现了光线传播轨迹的追踪和入射光偏振态及透过率的计算,基于矩阵算法实现了辐射传输方程的求解.将VSPART模拟结果与基准值、SPDISORT模拟值进行了比较,验证了模型的准确性.在瑞利散射大气和含气溶胶大气条件下,模拟并分析了漫射光偏振度及偏振方向的分布特征,讨论了大气球形几何及折射效应对天空偏振度的影响.结果表明,低太阳高度角条件下,随着波长增加,瑞利散射大气对应的偏振度整体随之增强,中性点向大天顶角方向移动;气溶胶的存在并不改变天空偏振度分布特征,但对偏振方向影响显著,随着光学厚度的增加,天空偏振度值迅速降低;中性点的偏移可能与低阶散射过程紧密相关;大气球形几何和折射效应的主要影响区域为地平线区域、两中性点附近及天顶区域;瑞利散射大气条件下,随着波长增加,大气球形几何及折射效应的影响逐步减弱,特别在中性点附近及天顶区域,其影响逐步消失;随着气溶胶光学厚度的增加,其影响随之增强.     

水准折光及双波长激光效应

本文从“同温度层不完全平行于地面,且在变化”的“任意分层”假设出发,导出了水准折光修正公式,并利用光的色散效应在10~(-6)的精度要求下,求得r=r_T=h_1/h_2=(n_(01)-1)/(n_(02)-1)=常数最后指出,研制双波长激光水准仪的必要性和可能性,并提出了研制此种仪器的技术参数.     

小型星模拟器系统的设计研究

基于超小型P13XM015型TFT-LCD技术的小型星模拟器的工作原理,及其在工程应用中整个系统的设计、制造、加工、调试和检测技术,提出对星间间距采用软件修正以及先分别测量再组合修正的方法,对星等采用使用相适应的仪器星等的方法。采用模块化方法设计了小型星模拟器系统的光学系统准直物镜、模拟星库的编制、坐标转换、位置解算、系统控制软件等。在实验室实现了整个系统的组装,搭建了控制和测试平台,并给出了实验结果。实验结果表明:本系统的星库精度及星位置解算误差12,角分辨率误差23.43。