基于图像全站仪的天文大地垂线偏差测量及其精度分析

高精度天文大地垂线偏差在地球重力场模型精化、区域大地水准面模型验证等领域具有重要的应用。目前,数字天顶仪是最为常用的天文大地垂线测量仪器,但存在结构复杂、体积庞大、设备笨重、价格昂贵、运输不便等缺点。本文提出了一种利用图像全站仪实现高精度、全自动垂线偏差测量的方法。简要介绍了垂线偏差测量的基本原理和数据处理方法,并利用Leica公司生产的TS60图像全站仪,在河南郑州和陕西泾阳进行了为期1 a共计23个夜间的野外试验。结果表明,观测时间为12 min时,垂线偏差的内符合测量精度达到0.18″~0.23″;观测时间增加到96 min时,内符合精度提升至0.13″~0.19″,外符合精度优于0.2″。与数字天顶仪相比,图像全站仪兼具了测量精度和效率,甚至具备单人观测的条件,因此具有广阔的推广应用前景。

基于星点位置预测的线阵全站仪天文测量异常数据剔除方法

针对天文测量仪器小型化、自动化的发展趋势,本文提出了一种基于线阵式国产全站仪的天文测量数据处理方法。首先,介绍了星点质心提取方法和观测时刻计算方法;然后,分析了数据粗差的产生原因,提出了一种基于星点位置预测的粗差剔除方法;最后,设计并开展了两次野外试验,对比粗差剔除前后的定位精度。结果表明,经粗差剔除后,单时段间定位结果较为稳定,且8个时段的定位中误差小于±0.3″,满足一等天文测量要求;同一测站4个夜间联测的平均天文经度与准确值之差为0.23″,平均天文纬度与准确值之差为0.61″。相较于传统天文测量仪器,本文方法不仅实现了小型化、自动化及精准化,且摆脱了人眼观测的束缚,观测效率提升了一倍。

超大视场太阳敏感器图像质心提取算法

太阳图像质心提取是利用太阳敏感器进行天文导航的关键技术之一,直接决定了太阳敏感器的观测精度.针对超大视场太阳敏感器非圆形太阳图像质心提取问题,首先提出像面椭圆拟合算法,较好地解决了椭圆及近似椭圆形太阳图像的质心提取问题,然后进一步提出了球面圆拟合算法.该算法根据相机的投影和畸变模型,将太阳图像的边缘点映射到物方空间,对物方空间的边缘点进行球面圆拟合,从而确定太阳质心位置.在估计球面圆拟合算法的精度时,需要将太阳质心位置映射回像面.理论上,球面圆拟合算法不再需要顾及太阳图像的形状,算法更为严谨.将椭圆拟合算法和球面圆拟合算法应用到实测的太阳图像质心提取中.结果表明,椭圆拟合算法更适合处理半视场角70°~80.3°的太阳图像,平均精度约为0.075pixels;球面圆拟合算法更适合处理半视场角大于80.3°的太阳图像,平均精度约为0.082pixels.

月球视面中心拟合算法及其在测月快速定向中的应用

基于电子经纬仪对月球明亮区域边沿的观测采样,提出一种月球视圆面中心拟合算法,推导出详细的计算公式。通过实际观测试验验证该算法的可靠性,较好地解决了月面中心的确定问题。在此基础上,探索一种测月快速定向方法。运用此方法进行天文定向,内符合精度和外符合精度均优于±2.0″。测月定向可有效弥补传统天文定向夜间只能依靠观测恒星进行的不足,扩展天文测量的使用范围。由于太阳的视面也是正圆,测月定向方法同样适用于测日定向。

一种亮星识别算法及其在天文定向中的应用

基于全站仪对任意亮星的观测采样,提出了一种利用高度角序列和水平角速率进行联合匹配的任意亮星识别算法。通过引入天体地平坐标计算程序,算法可正确辨别行星和恒星。本文分析了任意亮星高度角和水平角速率的观测误差和计算误差,以此给出了匹配阈值条件的设定依据,并在此基础上制定了有效的匹配策略。仿真计算及实际观测试验均表明,该算法具有100%的识别成功率,远优于现有算法。将此算法应用于任意亮星天文定向,定向结果的内符合精度达到2″,外部检核精度达到1.6″。采用多颗任意亮星进行定向,可有效减弱由测站位置误差引入的定向系统误差,提高绝对定向精度。本文提出的天文定向适用于多云及雾霾天气。

FAST馈源舱精调机构位姿测量系统性能分析

FAST对馈源舱精调机构的位姿测量提出了极高的精度要求。本文介绍了由全站仪组成的精调机构测量系统,计算了全站仪跟踪观测棱镜时的主要观测条件,包括棱镜入射角、观测距离和观测高度角,并进行了棱镜初始指向的优化配置。结果表明,棱镜入射角的最大值约为35°,平均值约为13°~18°,由此产生的测量误差可以忽略;观测距离约为140~350 m,估算全站仪动态测距精度约为2.1~2.4 mm;观测高度角约为0~40°,分布合理,且有利于全站仪的防护。仿真测量结果表明,9个测站的定位精度优于2.5 mm,定姿精度优于360″;6个测站的定位精度优于3 mm,定姿精度优于430″,均达到精调机构的位姿测量精度要求。

GNSS-RTK技术在FAST馈源舱测量中的可行性研究

针对GNSS-RTK技术在FAST馈源舱测量中的可行性问题,提出GNSS-RTK测量方案,分析GNSS天线随馈源舱运动产生倾斜时对卫星可见性的影响,以及射电望远镜反射面板对GNSS天线的多路径影响,并进行GNSS-RTK仿真测量。结果表明,GNSSRTK测量技术对馈源舱的定位精度优于1.1 cm,满足FAST对一次所驱动测量的精度要求,且6个GNSS流动站可保证测量系统具有较强的冗余性和可靠性。

利用行星进行快速天文定向

提出并实现了利用行星进行快速天文定向;研究了计算行星测瞬中心位置的实用方法。探索了一种对行星进行精确测量的方法,并以木星为例进行了观测试验,解算了实测数据并给出了定向结果。从理论及实测数据两方面分析了影响定向精度的主要误差源,并给出了减弱其影响的措施。

鱼眼相机矢量观测检校模型及其应用

提出了一种基于矢量观测的鱼眼相机检校新模型。该模型中的基本观测量不仅包括半视场角,而且包括方位角。在模型中引入罗德里格矩阵,采用3个罗德里格参数表示外方位元素,简化了观测方程的形式及运算。采用实测的星图数据对新模型与基于半视场角约束的检校模型进行比较,结果表明新模型在约束方位角误差方面具有明显的优势,在约束半视场角误差方面略有不足。建议在实际应用中首先采用基于半视场角约束的检校模型确定径向畸变参数,然后再采用新模型求解其他相机参数。

抗差估计在多星近似等高法中的应用

传统天文测量中,利用多星近似等高法测定天文经纬度时默认平差解算过程中的权矩阵为单位阵,在一定程度上影响了观测定位精度。为了综合考虑已知的误差项和尚未确定的影响因素,利用抗差估计调整观测数据的权值来降低异常观测量对定位结果的影响。为此,提出将IGGⅢ抗差估计方案引入平差解算,根据前一次解算结果的中误差大小动态调整方案阈值系数,实现权矩阵结构的动态迭代更新,并推导出详细的解算公式。通过实地观测并结合仿真试验验证了理论可行性,能够在高精度全站仪观测条件下将天文定位精度提升10%以上,并且证明抗差方案可以有效削弱不良选星空间结构对于解算结果的影响。

无需初值及迭代的天文导航新算法

天文导航中经典的高度法需要给定测站的初始坐标,通过迭代计算获取测站的精确位置,且只能用于定位,而不能用于定向。从坐标转换的角度看待天文导航问题,通过引入罗德里格矩阵,提出了一种无需初值及迭代,且能够同时实现天文定位定向的导航算法。推导了新算法的所有计算公式,并给出了精度估计表达式。仿真计算结果表明,提出的方法不仅计算简便,而且实现了位置和航向的同时解算。与传统的高度法相比,新算法的定位精度提高了20%-40%。

测日定位中病态问题的有偏估计及精度分析

目前月球/火星车上均搭载有太阳敏感器用于导航,但需要较长的跟踪观测时间才能实现绝对定位,影响了导航的实时性。本文研究如何在超短的跟踪观测时间（1~2min）内,实现测日绝对定位。首先推导了高度法定位的最小二乘法求解模型,并首次从病态问题的角度看待测日定位问题,采用奇异值分解法对病态问题进行了诊断。通过仿真算例,将有偏估计的方法应用于测日定位,并对不同有偏估计方法进行了比较。仿真计算结果表明,有偏估计总是能够改善初值的精度,明显优于最小二乘法。但初值的选取对有偏估计的影响非常显著,有偏估计总是将初值沿着太阳的指向稳定收敛到一条与太阳指向垂直的直线上,且这条直线通过真值。

课程思政推动大学国防军事教育新发展——以自主导航课程群为例

改革开放以来,我国经历了40余年的高速发展,长期和平安宁的环境导致高校大学生国防军事教育观念弱化。笔者结合自主导航课程群的特点,充分发挥课程思政的育人功能,以培育大学生军事历史情怀、军事人文情怀及家国情怀为目标,挖掘典型人物、热点事件、经典战例作为鲜活的教育素材,推动国防军事教育适应新时代、新形势要求,提升国防军事教育水平,潜移默化地吸引有情怀、有能力的优秀大学生投身国防军事事业,取得了一定成效。

利用特征星进行快速天文定向

提出了利用特征星进行快速天文定向。借助星空模拟软件Stellarium构建了特征星星库,并结合天文定向中的主要误差源,研究了选星策略,提高了定向精度。实际观测实验表明,利用特征星快速定向的内符合精度可优于0.4",外符合精度可优于1.0"。

测日天文导航理论及技术研究

美国国家航空航天局（NASA）勇气号（Spirit）、机遇号（Opportunity）和好奇号（Curiosity.）火星车分别于2004年1月4日、2004年1月25日和2012年8月6日登陆火星,并成功开展科学考察工作,取得了-系列重大发现,包括火星表面过去存在液态水的证据.机遇号火星车已在火星表面服役12年,行驶距离超过42.195km,高精度的火星车定位技术对火星车的安全行驶和科学目标的实现发挥了重要作用.由于火星上没有类似于GPS的设备,且地磁场较弱,因此机遇号火星车采用Pancam相机作为太阳敏感器确定航向,

一种新的测日快速定向方法

基于电子经纬仪对太阳边沿的观测采样,提出了一种日心拟合算法,较好地解决了太阳视面中心的确定问题。在此基础上,探索了一种新的测日定向方法。实际观测实验表明,新的测日定向方法较传统的前后沿法在定向精度上相当,均可用于快速定向。文中给出的太阳视面中心拟合算法可同时确定太阳视面中心的水平角和高度角,因此可用于测日定位。

光学天文大地测量技术发展评述

光学天文大地测量技术是大地测量技术的重要组成部分,在早期的天文大地控制网建立、高精度垂线偏差测量、惯性导航设备标校、大尺度工程测量以及军事测绘保障等领域都发挥着重要作用。本文回顾了光学天文大地测量仪器的发展历程,分析了目前主流观测仪器的现状及其特点,比较了不同观测仪器之间的优劣;总结了光学天文大地测量理论及其发展,介绍了最新的矢量天文定位理论及任意星定向理论等,阐述了理论进步对技术发展的重要性;列举了光学天文大地测量技术在大地水准面模型验证、大尺度工程测量、地震等自然灾害预报、地球自转参数监测与预报领域的成功应用,强调其在国家基础测绘领域的重要性,并对其发展趋势作了展望。

天文经纬度仿真测量精度分析

介绍了天文测量室内仿真系统原理和天文经纬度测量流程;提出了测量精度的评定方法;分析了仿真系统天文经纬度测量的精度。结果表明:系统天文经纬度测量可以达到二等以上的天文测量要求,可以应用于日常天文测量训练和教学。

天体测量中的光行差

光行差是天体测量中引起天体位置变化的主要因素之一,经典光行差处理方法不能满足高精度天体测量的需要,基于洛伦兹变换推导了狭义相对论下的光行差计算公式,分析了周年与周日光行差对于天体赤道坐标的影响。对于以高速运动的卫星为观测平台的高精度天体测量数据处理以及深空探测器的高精度天文导航定位也具有一定的参考与借鉴意义。

视频测量机器人星识别算法在自动天文定向中的应用

天文定向是通过观测天体确定方位的高精度定向方法,在天文测量中具有重要的作用,实现自动天文定向是目前天文定向的发展趋势。基于视频全站仪的工作模式,本文提出了一种星识别定向方法。首先通过视频测量连续快速拍摄多颗星,再将高度角和方位角差作为匹配条件,识别出各恒星,最后利用观测数据和解算的恒星数据关系获得定向结果,实现天文定向自动化。本文分析了因测站坐标误差和观测误差引起的星识别误差,由此给出匹配阈值,进一步提高了匹配的精确度和准确度。