劉娜，高玉平，蔡宏兵，張鵬飛，王平利，李琳

驪山觀測(cè)站數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡的初步觀測(cè)結(jié)果分析

劉娜1,2,3，高玉平1,2,3，蔡宏兵1,2，張鵬飛1,2,3，王平利1,2,3，李琳1,2,3

（1. 中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡（DZT）是一種新型的光學(xué)測(cè)量裝置，測(cè)站大氣擾動(dòng)的影響是主要的誤差源之一。通過驪山觀測(cè)站上兩臺(tái)儀器的并址觀測(cè)避免了觀測(cè)環(huán)境差異的影響，對(duì)儀器的初步觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。同步觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明兩臺(tái)儀器的一致性較好，當(dāng)測(cè)站觀測(cè)環(huán)境較理想時(shí)DZT單次觀測(cè)精度緯度方向?yàn)?.16″，經(jīng)度方向?yàn)?.18″；緯度及經(jīng)度方向20 min一組的單組觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差為0.05″~0.06″;兩儀器觀測(cè)UT0組間標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.8 ms和3.5 ms。

數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡；天文經(jīng)緯度；世界時(shí)；誤差分析

0 引言

世界時(shí)（universal time，UT1）是中國科學(xué)院國家國家授時(shí)中心時(shí)間服務(wù)內(nèi)容之一。國家授時(shí)中心擬采用數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡（digital zenith telescope，DZT）開展世界時(shí)的測(cè)量。DZT是應(yīng)國家授時(shí)中心的應(yīng)用需求由國家天文臺(tái)研制的天文光學(xué)測(cè)量裝置，儀器設(shè)計(jì)參考傳統(tǒng)照相天頂筒（photographic zenith tube，PZT）的觀測(cè)原理，通過觀測(cè)天頂附近的恒星實(shí)現(xiàn)地方恒星時(shí)（或天文經(jīng)緯度）的測(cè)量。DZT采用CCD（charge coupled device）技術(shù)，以高精度傾斜儀與平面鏡代替水銀盤，利用GPS時(shí)間信號(hào)控制曝光時(shí)間、標(biāo)定曝光歷元，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)，消除人儀差的影響[1]，提高了觀測(cè)精度。同時(shí)采用天文照相較差測(cè)量代替觀測(cè)固定星組，最快34 s可完成一個(gè)單次觀測(cè)，大大提高了觀測(cè)效率。與傳統(tǒng)光學(xué)儀器相同的是，儀器誤差及觀測(cè)環(huán)境的影響是制約觀測(cè)精度提高的主要因素。

本文介紹了數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)原理，觀測(cè)系統(tǒng)組成及觀測(cè)過程，利用兩臺(tái)儀器并址、同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用分組處理，對(duì)比分析方法，避免了觀測(cè)環(huán)境差異的影響，對(duì)數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡的初步觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)原理

式（3）中，，可由觀測(cè)的UTC時(shí)刻結(jié)合IERS發(fā)布的參數(shù)計(jì)算，因此已知UT1可根據(jù)式（1）、（2）解算測(cè)站緯度及經(jīng)度坐標(biāo)。

多臺(tái)站觀測(cè)UT1的過程中，對(duì)測(cè)站在緯度方向與經(jīng)度方向可建立如下觀測(cè)方程：

對(duì)比式（5）可得世界時(shí)UT1與UT0之間的關(guān)系：

1.1 觀測(cè)系統(tǒng)組成與觀測(cè)過程

DZT自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)、控制箱、望遠(yuǎn)鏡組成，其中望遠(yuǎn)鏡主要由鏡筒及精密轉(zhuǎn)臺(tái)組成[4]，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。其中控制箱讀取DZT的狀態(tài)并控制望遠(yuǎn)鏡工作，同時(shí)上位機(jī)與控制箱通過串口進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)控制望遠(yuǎn)鏡工作，可進(jìn)行儀器調(diào)平、旋轉(zhuǎn)、觀測(cè)等操作。

轉(zhuǎn)身觀測(cè)過程中由傾斜儀與2個(gè)置平電機(jī)組成高精度置平系統(tǒng)，可快速將儀器水平狀態(tài)調(diào)整至2″以內(nèi)；置平后由GPS時(shí)間信號(hào)控制CCD快門進(jìn)行曝光，系統(tǒng)自動(dòng)記錄曝光時(shí)刻、傾斜儀讀數(shù)及CCD圖像；再由定位電機(jī)驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行180°轉(zhuǎn)身，轉(zhuǎn)身后讀取傾斜讀數(shù)，若傾斜儀相對(duì)測(cè)量結(jié)果在2″以內(nèi)則重復(fù)上述觀測(cè)與數(shù)據(jù)采集過程，若超過2″則由精置平系統(tǒng)進(jìn)行水平調(diào)整然后觀測(cè)，至此0°和180°位的兩幅CCD底片、曝光時(shí)刻、相對(duì)傾斜測(cè)量結(jié)果構(gòu)成1個(gè)單次觀測(cè)，為了提高觀測(cè)效率，采用180°—180°—0°—0°的觀測(cè)模式，觀測(cè)過程如圖3所示。實(shí)際觀測(cè)中，由于DZT的視場(chǎng)較小云層遮擋易使拍攝的底片上無星或觀測(cè)星數(shù)過少而無法解算，加之觀測(cè)環(huán)境、數(shù)據(jù)處理等因素的影響，解算獲取的觀測(cè)值個(gè)數(shù)要小于相機(jī)拍攝的圖像對(duì)數(shù)，觀測(cè)值會(huì)出現(xiàn)中斷、不連續(xù)的情況。本文中的單次觀測(cè)數(shù)是指經(jīng)數(shù)據(jù)解算獲得的觀測(cè)值的個(gè)數(shù)。

圖2 數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)系統(tǒng)組成

圖3 數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)流程

1.2 主要誤差源

DZT為地面光學(xué)測(cè)地儀器，通過夜晚觀測(cè)恒星實(shí)現(xiàn)鉛垂線在天球背景中的方向測(cè)量，其特殊的180°轉(zhuǎn)身觀測(cè)消除儀器準(zhǔn)直差、傾斜儀零點(diǎn)差的影響。除此之外，影響觀測(cè)精度的因素有儀器誤差、星表位置及自行誤差、數(shù)據(jù)處理過程中的誤差以及觀測(cè)環(huán)境的影響。其中儀器誤差主要有：儀器旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及軸系誤差，CCD相機(jī)與高精度傾斜儀安裝方位角誤差，系統(tǒng)時(shí)延、傾斜儀測(cè)量誤差等；數(shù)據(jù)處理過程中的誤差主要是星像量度誤差；此外觀測(cè)環(huán)境中溫度、氣壓、風(fēng)[5]、光等因素的變化，不僅會(huì)對(duì)大氣視寧度、天光背景產(chǎn)生影響，使星像產(chǎn)生閃爍、抖動(dòng)，降低CCD拍攝底片的星像質(zhì)量[6-8]，還會(huì)引起儀器誤差改變[9-10]，如振動(dòng)影響高精度電子傾斜儀觀測(cè)精度[11]，溫度變化會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡的焦距。

2 試觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

DZT的誤差源中觀測(cè)環(huán)境的影響不僅與測(cè)站環(huán)境有關(guān)還和觀測(cè)時(shí)段有關(guān)。星表位置誤差[12]也與測(cè)站緯度、觀測(cè)時(shí)段（DZT為非跟蹤觀測(cè)，一天內(nèi)觀測(cè)時(shí)間不同，所觀測(cè)的赤經(jīng)區(qū)不同）有關(guān)。因此并址、同步觀測(cè)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分組處理，能夠避免上述兩項(xiàng)誤差對(duì)觀測(cè)結(jié)果一致性分析的影響。

2.1 觀測(cè)地點(diǎn)、儀器

為了避免環(huán)境差異及星表誤差的影響，2017年夏季在驪山測(cè)站（原陜西天文臺(tái)子午環(huán)觀測(cè)室，緯度34.356 186 1°，經(jīng)度109.206 909 2°）進(jìn)行了并址觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。觀測(cè)室內(nèi)有固建于同一觀測(cè)基墩的4個(gè)80 cm見方的小型觀測(cè)基墩，儀器DZT-I、DZT-II分別安裝在南北向相距約1.5 m的兩個(gè)基墩上，由觀測(cè)位置引起的緯度差約0.05″。觀測(cè)所用兩臺(tái)儀器均為折射式天頂望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡口徑200 mm，其中DZT-I安裝CCD為ALTA F9000，視場(chǎng)約1.3°，DZT-II安裝 CCD為ALTA U9，視場(chǎng)約1.73°，由此會(huì)引起兩臺(tái)儀器單次觀測(cè)星數(shù)的差異。兩儀器CCD快門時(shí)延均已校準(zhǔn)，觀測(cè)中同時(shí)開機(jī)預(yù)熱，同步觀測(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

由數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)原理可知，已知ERP參數(shù)可實(shí)現(xiàn)測(cè)站經(jīng)緯度坐標(biāo)的測(cè)量，已知測(cè)站坐標(biāo)單臺(tái)站可解算世界時(shí)的初值UT0，具體解算方法如下。

2.2.1 經(jīng)緯度解算

為了分析觀測(cè)過程中兩臺(tái)儀器觀測(cè)精度的變化，以20 min為窗口進(jìn)行滑動(dòng)平均，20 min內(nèi)單次觀測(cè)值相對(duì)于組內(nèi)觀測(cè)平均值的均方差為該組單次觀測(cè)精度，如圖5中散點(diǎn)所示。

2.2.2 UT0解算

3 觀測(cè)結(jié)果與分析

3.1 一致性分析

兩臺(tái)儀器觀測(cè)的一致性不僅受到儀器誤差的影響、還受觀測(cè)環(huán)境的影響。圖4所示為DZT-I、DZT-II緯度及經(jīng)度觀測(cè)一致性及觀測(cè)的平均單次觀測(cè)星數(shù)，可見DZT-I每晚的平均單次觀測(cè)星數(shù)明顯小于DZT-II。經(jīng)度方向觀測(cè)值的一致性與平均單次觀測(cè)星數(shù)相關(guān)性較大，當(dāng)DZT-I平均單次觀測(cè)星數(shù)明顯少于50顆時(shí)，兩臺(tái)儀器經(jīng)度方向觀測(cè)的一致性變差。其中經(jīng)度觀測(cè)值差異較大的6月1日、6月16日、6月26日以及7月20日，觀測(cè)值一致性分別為0.11″、0.12″、0.09″以及0.09″，對(duì)應(yīng)的DZT-1平均單次觀測(cè)星數(shù)分別為34顆、43顆、42顆與48顆，遠(yuǎn)小于同期DZT-II的平均單次觀測(cè)星數(shù)95顆、122顆、122顆與130顆，也低于其8晚平均單次觀測(cè)星數(shù)53顆。當(dāng)DZT-I單次平均觀測(cè)星數(shù)達(dá)到50顆以上時(shí)，如7月9日（58顆），7月11日（68顆），7月19日（84顆）兩儀器經(jīng)度一致性分別為0.06″，0.02″，0.03″。數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡測(cè)定經(jīng)緯度坐標(biāo)是由CCD底片上拍攝星像的圖像位置與利用星表計(jì)算的參考星的視位置進(jìn)行匹配，建立底片模型經(jīng)內(nèi)插解算得到，因此底片上拍攝星像的個(gè)數(shù)及分布會(huì)影響觀測(cè)精度，DZT-I在6月1日、6月16日、6月26日以及7月20日平均單次觀測(cè)星數(shù)偏少是影響兩臺(tái)儀器觀測(cè)一致性的一項(xiàng)重要因素。

表1 DZT-I、DZT-II同步觀測(cè)結(jié)果（扣除基墩位置差異的影響）

圖4 DZT-I、DZT-II觀測(cè)一致性與平均單次觀測(cè)星數(shù)

表2 DZT-I、DZT-II 7月9日觀測(cè)星數(shù)均大于50顆，連續(xù)同步觀測(cè)結(jié)果（扣除基墩位置差異的影響）

3.2 誤差分析

并址觀測(cè)的公共誤差源中星表位置誤差為系統(tǒng)誤差，引起觀測(cè)結(jié)果的變化，但不會(huì)使組內(nèi)單次觀測(cè)精度（限本文中所規(guī)定單次觀測(cè)相對(duì)組均值的標(biāo)準(zhǔn)差）出現(xiàn)大的波動(dòng)；而觀測(cè)環(huán)境的影響比較復(fù)雜，如大氣視寧度的變化，影響CCD拍攝底片的星像質(zhì)量，使隨機(jī)誤差增大。溫度和氣壓的變化，當(dāng)溫度及氣壓梯度在東西方向變化時(shí)主要對(duì)經(jīng)度方向產(chǎn)生影響，在南北方向變化時(shí)主要對(duì)緯度方向產(chǎn)生影響[16-17]。

3.3 單次觀測(cè)精度分析

3.4 單組觀測(cè)精度分析

圖7 UT0解算結(jié)果

4 結(jié)論

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Preliminary observation results of digital zenith telescope at Li-Shan observatory

LIU Na1,2,3, GAO Yu-ping1,2,3, CAI Hong-bing1,2, ZHANG Peng-fei1,2,3,WANG Ping-li1,2,3, LI Lin1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Digital Zenith Telescope (DZT) is a new type of optical instrument. One of the main errors of DZT is the atmospheric turbulence at the observational station. In this paper, the effects of observation environments can be effectively cancelled by co-location observations of two instruments at the Li-Shan station. The performance of the two instruments are evaluated. The simultaneous observations of two instruments show good consistency. When the observation environment of the station is well, the standard deviation of the derived station position using one scan data is about 0.16″ in the latitude direction and 0.18″ in the longitude direction. Combining 20-min observations, yields precision of 0.05″ to 0.06″ for measurements of station’s latitude and longitude. The standard deviations of UT0 derived by the two instruments are 3.8 ms and 3.5 ms, respectively.

digital zenith telescope; astronomical latitude and longitude; universal time; error analysis

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-01-0033-12

劉娜, 高玉平, 蔡宏兵, 等. 驪山觀測(cè)站數(shù)字天頂望遠(yuǎn)鏡的初步觀測(cè)結(jié)果分析[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(1): 33-44.

2020-04-25；

2020-06-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（91736207）；中國科學(xué)院國家授時(shí)中心“青年創(chuàng)新人才”資助項(xiàng)目（國授發(fā)字〔2017〕48號(hào)）；科技大數(shù)據(jù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（20KF011015）