CN108226960A - 一种配置全球导航卫星系统测向功能的天文望远镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配置全球卫星导航系统测向功能的天文望远镜,包括：连接在一起的镜筒1、支架2、能接收GNSS信号的测向装置3。镜筒1设置在支架2上，能接收GNSS信号的测向装置3设置在镜筒1上。本发明所述天文望远镜的测向装置3包括：两个接收GNSS信号的、相位中心稳定的有源天线单元3.1、GNSS接收芯片3.2、MCU处理芯片3.3、输入接口3.5、输出接口3.6、6轴传感器3.7及罩3.4。本发明优点是：结构简单，价格低，性能好且可靠性强。精度高，当基线长0.5米左右时，其测角分辨率能够达到角分量级，基线测量精度能够达到毫米量级。

Description

一种配置全球导航卫星系统测向功能的天文望远镜

技术领域

本发明涉及一种配置全球卫星导航系统(Global Navigation SatelliteSystem,GNSS)测向功能的天文望远镜,属于天文仪器和天文技术方法领域。

背景技术

随着人们对科学技术的喜欢与关注，越来越多的人开始购买和使用天文望远镜。天文望远镜是用来观测天体及天文现象的仪器。人们能够通过天文望远镜观察宇宙中分布着的大大小小的天体，包括：日、月、流星、行星、恒星、星云、黒洞、星团、星系的天体，以及研究在宇宙中发生着的各种天文现象，增强着人们对宇宙的认识和了解。

公开号为CN107462980A的专利申请公开了一种广角高分辨率天文望远镜，所述镜头的光学系统包括沿光线自前向后入射方向依次设置的正月牙透镜A、正月牙透镜B、弯月负透镜C、弯月负透镜D、双凸正透镜E、弯月负透镜F、双凸正透镜G和双凹负透镜H；能够同时实现搜索目标和跟踪目标的目的。

公开号为CN206638234U的专利申请公开了一种新型智能终端天文望远镜，包括：移动终端，所述移动终端具有中央处理模块、天体数据模块、功能辅助模块、触摸显示模块以及通信模块一；望远镜，所述望远镜具有控制模块、动态数据收集模块、经度伺服模块、纬度伺服模块以及通信模块二，所述移动终端可根据天体数据模块内存储的数据控制所述望远镜实时寻找和跟踪天体，所述望远镜把所述动态数据收集模块收集到的动态数据送往所述移动终端的中央处理模块，所述中央处理模块把接收到的动态数据处理后输入到所述动态数据缓冲模块内。

天文望远镜分光学天文望远镜和射电天文望远镜两大类，光学天文望远镜最主要的组成部分是光学镜筒，镜筒内装有物镜、目镜以及其它光学镜片的器件。光学镜筒有成象及放大功能，所以通过光学望远镜人们能清楚或清晰地看清遥远的天体以及天体表面的细节。光学镜筒要架设在一个支架上，支架用来支撑并转动镜筒。支架由两根转轴装置组成，它能使光学镜筒绕两根转轴转动，从而实现光学镜筒对天空中天体的搜寻、捕获及跟踪观测。转轴的配置型式有多种，最常用的配置型式是两轴配置型式。其中一种两轴配置型式是极轴式，即第一根转轴与地球轴心线平行，称为极轴或赤径轴；第二根转轴与极轴垂直，随极轴转动，称为赤纬轴。这种由赤径轴即极轴和赤纬轴组成的极轴支架的最大特点是赤径轴即极轴与地球轴线平行，这样用它来观察天体时有一个长处，就是因为大多观测的天体非常遥远，对地球来说在某一时刻两者处于相对静止状态。但是实际上地球在转动着，所以要长时间观察天体的话，就要转动光学镜筒去跟踪天体，也就是要转动支架，去克服地球自转运动的影响。在极轴支架方式，地球自转运动矢量只在极轴运动方向上有投影分量，所以跟踪天体时，也就是天体克服地球的自转运动，极轴支架只要恒速转动极轴，即恒速转动赤径轴，就能抵消地球的自转，实现对天体的连续跟踪。而赤纬轴仅仅在最初对准天体时需要转动，转动到天体所处纬度位置，以后就不需要再转动赤纬轴了，所以用极轴支架连续跟踪天体显得十分简单。但由于赤径轴是一根相对当地位置倾斜放置的转轴，赤纬轴又随着极轴转动，所以常常处于倾斜状态，故望远镜镜筒的转动部分相对于这两根转轴来说，都应该实施重力平衡，以使镜筒转动平稳，驱动力矩小。

另一种支架转轴的配置型式为地平式，其第一根转轴与当地水平面垂直，称为方位轴；第二根转轴与第一根转轴垂直，呈水平状态，称为俯仰轴或水平轴。这种轴架型式除了俯仰轴上转动部分需要配置平衡重以外，方位轴上的转动部分不需要严格地实施重力平衡。但这类支架在搜寻、捕获、跟踪天体时，需要两根转轴都转动，才能搜寻、捕获及跟踪天体。这是因为地球自转运动矢量在地平式支架的两根转轴上都有投影分量，也就是天体相对于转动地球的相对运动，使这类支架上的两根转轴上都会有转动分量。

当人们观测天体时，能够从天文年历上查到天体的实时位置参数，根据这些参数计算能够获得观测天体在某种支架中两根转轴的指向角度，以及跟踪天体时两根转轴应该转动的角度。因为计量转角值应该有坐标计量原点，在极轴支架中，赤径角以正北为零点；赤纬角计量以当地地球纬度平面基准作为计量零点；而在地平支架中，方位角以正北为零点；俯仰角以当地水平面为计量基准，作为俯仰角的计量零点。设定了计量零点，这样就必然对支架的安装有要求，支架的计量基准与坐标系的基准必须重合，而且支架轴轴位指示原点，也必须与坐标系的基准原点相重合，所以若有偏差及误差时，应作精准调整；若有大偏差及误差时，由于光学望远镜的光束很窄，就会难于搜寻、捕获及跟踪天体。

为了能校正掉支架轴的安装偏差及轴位角度的指示误差。首先需要通过试观测运动天体，计算出误差，再通过调整支架和调整轴位角度指示，消除掉这些误差及其影响。在使用普通的天文望远镜时，通过采用三星校正方法纠正掉这些误差，包括偏差。因为三星校正过程至少要通过观察三颗以上星体位置，才能计算出支架轴的安装偏差及轴位角度的指示误差。若偏差大，需要多次转动支架的两根转轴，反复实施三星校正过程，在迭代过程中才能收敛。所以说完成三星校正过程的操作繁琐。难于理解及操作繁琐往往会造成天文爱好者，特别是对于初学者，不会很好地实施调整，消除掉这些误差。

用天文望远镜观测天体时，难点是如何快速搜寻捕获欲待观测的天体，其原因是因为光学望远镜镜筒光束的视场角窄，当望远镜支架轴系坐标的安置与观测当地的理论坐标系不完全匹配时，望远镜支架的轴系指示有大的误差。所以必须先调整支架轴系的放置位置，调水平，对准正北方向。但是调平和对准望远镜支架轴系正北时，要有参考的基准，且精度要高，为此需要进一步创造新的校正基准及调整方法，方便天文爱好者对天文望远镜的操作使用，特别是能方便初学者的操作使用。而传统技术中，轴位指向必须通过望远镜观察北极星对正北及通过三星校正，才能使望远镜的轴位指示与当地大地坐标系一致，才能利用望远镜实现正确的天文观察。

发明内容

本发明的目的在于提供能够克服上述问题的一种配置全球导航卫星系统测向功能的天文望远镜。本发明所述天文望远镜的技术构思是：为了简化和避免繁琐的三星校正和用北极星对正北的操作过程，提出在天文望远镜镜筒上配置全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)信号接收的双天线超短基线测向装置并利用全球导航卫星系统信号去实施支架两根转轴的绝对角度位置的测量及指示，从而改进传统望远镜用本身的轴位传感器来指示望远镜光轴轴位指向的方案。本发明所述天文望远镜的指向角度指示能以当地的大地坐标系为坐标基准，所以当本发明所述天文望远镜在镜筒上配置了全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)信号接收测向装置后，使天文望远镜简化了结构且操作简便。全球导航卫星系统信号以下简称GNSS信号。

本发明所述天文望远镜包括：连接在一起的镜筒、支架、能接收GNSS信号的测向装置。镜筒设置在支架上，能接收GNSS信号的测向装置设置在镜筒上。本发明所述天文望远镜的测向装置包括：两个接收GNSS信号的、相位中心稳定的有源天线单元、GNSS接收芯片、低噪声放大器、声表滤波器、MCU处理芯片、输入接口、输出接口、6轴传感器及罩。天线单元、低噪声放大器、声表滤波器、GNSS接收芯片、MCU处理芯片依次连接，6轴传感器与MCU处理芯片连接。天线单元设置在镜筒的上侧。天线单元的相位中心的连线与望远镜镜筒内的光学系统的光轴相平行，能够视两个接收GNSS信号的天线单元的相位中心的连线为望远镜镜筒光学系统中心轴线的测量基准，即测量基准的指向能代表望远镜镜筒光学系统中心轴线的指向方向；GNSS接收芯片和MCU处理芯片也设置在镜筒的上侧。

GNSS接收芯片和MCU处理芯片上还设置有输入接口、输出接口。输入接口用于输入指令和电源；输出接口用于输出测向测姿数据。测向装置的外部加罩进行保护，罩的材料采用的是对电磁波的衰减小的材料。在罩内还设置了6轴传感器，6轴传感器由水泡、加速度计、陀螺仪和磁力计组成。两个接收GNSS信号的天线单元采用有源天线单元，所以，具有良好的信噪比和信号增益，天线单元连接低噪声放大器，低噪声放大器也简称为低噪放,从而能减短馈线以避免微弱信号在馈线内传输时被衰减，对接收到的微弱信号直接进行放大，调整和配置好低噪声放大器的增益，以保持链路上有良好的信噪比。微弱信号经放大以后，接声表滤波器，声表滤波器能滤除带外信号，并能减少链路上的噪声。目前，在现有技术中的接收GNSS信号的芯片和模块均采用高精度载波相位测量芯片，而本发明的GNSS信号接收芯片则创造性地采用了普通的低成本伪距测量芯片并加入了增强算法的软件来提高锁频环、时延锁定环与载波相位锁相环的功能和性能，从而提高了测量精度。为了改善信号的信噪比，本发明所述天文望远镜还采用了天线和接收芯片之间的一体化耦合匹配设计，并用软件去噪方法增强去除噪声能力。本发明所述天文望远镜测向装置采用6轴传感器来提高测向性能，6轴传感器由水泡、加速度计、陀螺仪和磁力计组成。GNSS接收芯片和6轴传感器输出的信号传输至MCU处理芯片，GNSS接收芯片和MCU处理芯片由导航射频芯片、基带芯片及外围电路组成，MCU处理芯片能够演算出天线指向角，即方位角与俯仰角，然后通过规定的输出接口输出传输至后台，或由显示屏显示。

本发明所述天文望远镜测向原理如下：本发明所述天文望远镜不直接去测方向，而是通过两个天线单元接收卫星导航信号，把两路接收信号φ₁(ρ₁)和φ₂(ρ₂)进行相位干涉测量，求出载波相位差Δφ(Δρ)，利用这些载波相位差去反演求出天线单元间基线L的方向来示意方向。因为能够把天线单元间相位中心连接的基线视为一个矢量，则只要获得基线方向矢量的姿态度量值，便能求解得到指向的角度值。有两个天线；L为基线，b为基线矢量，；b＝[Δx Δy Δz]^T为未知基线矢量在地球坐标系中的坐标；ρ₁、ρ₂为伪距；Δρ为伪距差；β为导航信号入射方向与基线矢量的夹角。天线单元间连线视为矢量，通过载波相位差分的方式来精密测量矢量的姿态，天线单元间连线长度为几十公分。用载波相位差分的方式来进行精密相位差分测量，能消除掉信号在空间传输时存在的所有相关性误差源。以单基线为例进行分析：

GNSS卫星信号在空间传输后到达两接收天线，视为平行波传输，两天线间的相位差为：

上式(1)中，为载波相位测量值之差，e为GNSS卫星至天线单元方向的单位矢量，天线的位置坐标由GNSS信号接收后定位求得，GNSS卫星的坐标由卫星星历解算得。b＝[ΔxΔy Δz]^T为未知基线矢量在地心地固坐标系中的投影，λ为载波波长，N为整周模糊度。

假设在某一时刻同时观测到n颗卫星，则就能够得到n组基线矢量坐标，所得到的观测方程组如下：

上式(2)中，为两个天线单元接收同一颗卫星导航信号时，两伪距差用载波相位表示的真实测量值部分，是小于一周的载波相位值；φ_i为两个天线单元接收第i颗卫星导航信号时，两伪距差用载波相位差表示的真实测量值部分，是小于一周的载波相位值；e为天线单元的位置坐标，由接收卫星导航信号测量得到伪距值后定位求得，卫星的坐标由卫星星历解算得到，简称为天线至卫星方向的单位矢量，e_i表示为天线至第i颗卫星方向的单位矢量；b＝[Δx Δy Δz]^T为未知基线矢量在地心地固坐标系中的投影；λ为载波波长；N＝[N₁ N₂ .....N_n]^T为两个天线单元接收一颗卫星导航信号时，两伪距差用载波相位表示时，真实测量值部分载波相位值的整周数，亦称为整周模糊度；N_i为两个天线单元接收第i颗卫星导航信号时，两伪距差用载波相位差表示时，真实测量值部分载波相位值的整周数，亦称为整周模糊度。从上式(2)看出，只需要求解出正确的一组整周模糊度N，就能求解上述方程。整周模糊度求解算法有：最小二乘模糊度搜索算法(LSAST)、优化Cholesky分解算法、LAMBDA算法、快速模糊度搜索算法(FASF)；在这些搜索算法中，LAMBDA算法不但有着好的求解性能且理论体系完善。选择合适的整周模糊度求解算法，求解得到整周模糊度以后，就能解算出基线矢量b，即基线矢量在地心地固坐标系中的投影。将解算出的基线矢量b进行坐标转换，得到基线矢量b_BFS、b_LLS和两基线矢量的变换矩阵，这时姿态角也就很容易解算得到了；基线矢量b_BFS是载体坐标系，b_LLS是地理坐标系。现有技术的惯性器件测得的角度值是相对变化的角度值，不是相对于正北方向的绝对偏角值，用相对角度值积累求解时会产生累积误差并影响使用效果，而本发明充分利用了GNSS信号，采用的是高精度卫星导航信号的载波相位测量方法，不但适用的覆盖区域广，而且获得的测向角度数据是相对于正北方向的绝对方向偏角值，使用直观方便，克服了现有技术的缺点。

本发明所述天文望远镜装有GNSS的载波相位干涉测量测向测姿设备，本发明所述天文望远镜的支架2能采用地平式或极轴式的支架型式。地平式支架结构紧凑、受力合理、成本低、使用方便，而且地平式支架的坐标系就是观测当地的地平坐标系，两个轴系的概念清晰。

本发明所述天文望远镜采用了测向装置后不需要繁琐复杂的安装调整且操作使用简便，即只要把本发明所述天文望远镜放在一个开阔地段，水平放置支架2，按指南针指示的方向大致放准望远镜的方位方向，就能开始顺利地观测天体而不需要支架轴系必须精准调整对准正北，不需要依靠三星定位调整极轴的指向或者校正偏差，也不需要对轴位角度指示进行精确的标校，由于测向装置已能指示出光学镜筒的精确的绝对角度值，从而能简化天文望远镜的观察操作流程。本发明所述天文望远镜的观察操作过程能够实现自动调整控制，即只要输入所要观察的天体，就能自动计算出待观测天体在当地坐标系下的理论观测角，再对照测向装置3显示的轴位角度值求出未调到位的轴位偏差，把轴位偏差输到MCU处理芯片中进行支架轴系角度显示值的修正后就用支架轴系角度显示值正确地自动调整望远镜镜筒光轴的正确指向。

本发明所述天文望远镜中利用测向装置3的测角算法的计算操作过程如下：

(1)利用GNSS接收机的观测信号经解扩解调得到导航电文并根据导航电文信息外推计算出观测的GNSS卫星的瞬时位置坐标；

(2)根据GNSS卫星信号相干测量的伪距、载波相位测量数据及解调出的导航电文来计算获得载波相位双差观测测量值；

(3)选取合适的整周模糊度求解算法，如LAMBDA算法，求解整周模糊度，快速确定整周模糊度；

(4)利用求解得出的整周模糊度，解算出基线矢量在WGS-84坐标系中的坐标及姿态；

(5)将解算出的基线矢量进行坐标转换，在当地平面坐标系里得出相关矩阵和基线矢量坐标；

(6)由相关转换矩阵和基线矢量坐标解算出基线矢量姿态角。

本发明所述天文望远镜的操作流程如下：

1.把天文望远镜放置在一个开阔、平坦的地面上，按经验或参照手机中指南针指示的方向大致放准望远镜的方位方向，再按气泡水平状态初步粗调平支架。这时，若是传统望远镜，还需要采用传统的三星定位方法作指向角的精细调整并校正偏差，而本发明所述天文望远镜不需要依靠三星定位方法调整极轴的指向或者校正偏差，不需要对轴位角度指示进行精确的标校。本发明所述天文望远镜观测天体时不需要支架轴系精准对准正北，因为本发明所述天文望远镜的测向装置能利用镜筒上设置的两个有源天线单元分别接收到GNSS的信号，经过低噪声放大及滤波处理后，接收的信号通过GNSS接收芯片，下变频处理至中频；中频信号经数字采样成为数字信号；数字信号经由MCU处理芯片处理，进行解扩、解调、解码，获得伪距、载波相位的测量值，最后对测量获得的数据进行处理、解算，便获得各类状态测量数据并通过进一步处理和计算，能获得望远镜镜筒上天线相位中心的地理位置值、两个天线相位中心连线矢量的姿态数据及状态值并由输出接口输出，输出到操作手柄或平台或通过显示器显示。

2.因为两个天线单元相位中心连线矢量与光学镜筒的中心轴线平行，所以输出接口输出的两个天线相位中心连线矢量的姿态数据就是当前天文望远镜镜筒中心轴线的指向角度。这时只要观察一颗天体，就能求出望远镜安装的偏差，完成天文望远镜位置及姿态的精细调整并能够实现自动调整控制，即只要输入所要观察的天体就会自动计算出待观测天体在当地坐标系下的理论观测角，再对照GNSS接收信号的测向装置显示的轴位角度值求出未调到位的轴位偏差，把这个轴位偏差输到MCU处理芯片中进行支架轴系角度显示值的修正后，就会用支架轴系角度显示值正确地自动调整望远镜镜筒光轴的正确指向。

3.天文望远镜位置及姿态经精细调整后作天文观察时，只要输入待观察天体的名称或精确位置数据，天文望远镜就能根据这些信息，转动望远镜至精确的指向位置，顺利地观察天体。从而简化了天文望远镜的观察操作流程。

本发明所述天文望远镜的优点是配置了GNSS测向功能，具体优点如下：

(1)结构简单，所用器件少，价格低。

(2)性能好且可靠性强，能够实现精确测向。

(3)配置了GNSS测向功能，能实现实时测向，从而能够实现天文望远镜指向的实时监控与调整。

(4)基于GNSS的载波相位干涉测量的方案精度高，完全能满足天文望远镜指向的要求，当基线长0.5米左右时，其测角分辨率能够达到角分量级，基线测量精度能够达到毫米量级。

附图说明

图1是本发明所述天文望远镜的结构组成示意图；

图2是本发明所述天文望远镜的基线方向矢量的GNSS信号干涉测量原理图；

图3是本发明所述天文望远镜的电路原理方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

如图1所示，本发明所述天文望远镜包括：连接在一起的镜筒1、支架2、能接收GNSS信号的测向装置3。镜筒1设置在支架2上，能接收GNSS信号的测向装置3设置在镜筒1上。本发明所述天文望远镜的测向装置3,包括：两个接收GNSS信号的、相位中心稳定的有源天线单元3.1、GNSS接收芯片3.2、低噪声放大器3.11、声表滤波器3.12、MCU处理芯片3.3、输入接口3.5、输出接口3.6、6轴传感器3.7及罩3.4。天线单元3.1、低噪声放大器3.11、声表滤波器3.12、GNSS接收芯片3.2、MCU处理芯片3.3依次连接，6轴传感器3.7与MCU处理芯片3.3连接。天线单元3.1设置在镜筒1的上侧。天线单元3.1的相位中心的连线与望远镜镜筒内的光学系统的光轴相平行，能够视两个接收GNSS信号的天线单元3.1的相位中心的连线为望远镜镜筒光学系统中心轴线的测量基准，即测量基准的指向能代表望远镜镜筒光学系统中心轴线的指向方向；GNSS接收芯片3.2和MCU处理芯片3.3也设置在镜筒1的上侧。

GNSS信号接收测量处理、数据处理解算的原理图如图3所示；GNSS接收芯片3.2和MCU处理芯片3.3上还设置有输入接口3.5、输出接口3.6。输入接口3.5用于输入指令和电源；输出接口3.6用于输出测向测姿数据。测向装置3的外部加罩3.4进行保护，罩3.4的材料采用的是对电磁波的衰减小的材料。在罩3.4内还设置了6轴传感器3.7，6轴传感器3.7由水泡、加速度计、陀螺仪和磁力计组成。两个接收GNSS信号的天线单元3.1采用有源天线单元，所以，具有良好的信噪比和信号增益，如图3所示。图3列出了低噪声放大器3.11、声表滤波器3.12、MCU处理芯片3.3、GNSS接收芯片3.2、6轴传感器3.7所采用的芯片型号，天线单元3.1连接低噪声放大器3.11，低噪声放大器3.11也简称为低噪放3.11,从而能减短馈线以避免微弱信号在馈线内传输时被衰减，对接收到的微弱信号直接进行放大，调整和配置好低噪声放大器的增益，以保持链路上有良好的信噪比。微弱信号经放大以后，接声表滤波器3.12，声表滤波器3.12能滤除带外信号，并能减少链路上的噪声。目前，在现有技术中的接收GNSS信号的芯片和模块均采用高精度载波相位测量芯片，而本发明的GNSS信号接收芯片则创造性地采用了普通的低成本伪距测量芯片并加入了增强算法的软件来提高锁频环、时延锁定环与载波相位锁相环的功能和性能，从而提高了测量精度。为了改善信号的信噪比，本发明所述天文望远镜还采用了天线和接收芯片之间的一体化耦合匹配设计，并用软件去噪方法增强去除噪声能力。本发明所述天文望远镜测向装置3采用6轴传感器3.7来提高测向性能，6轴传感器3.7由水泡、加速度计、陀螺仪和磁力计组成。GNSS接收芯片3.2和6轴传感器3.7输出的信号传输至MCU处理芯片3.3，GNSS接收芯片3.2和MCU处理芯片3.3由导航射频芯片、基带芯片及外围电路组成，如图3所示。MCU处理芯片3.3能够演算出天线指向角，即方位角与俯仰角，然后通过规定的输出接口3.6输出传输至后台，或由显示屏3.8显示。

本发明所述天文望远镜测向原理如下：如图2所示，本发明所述天文望远镜不直接去测方向，而是通过两个天线单元3.1接收卫星导航信号，把两路接收信号φ₁(ρ₁)和φ₂(ρ₂)进行相位干涉测量，求出载波相位差Δφ(Δρ)，利用这些载波相位差去反演求出天线单元间基线L的方向来示意方向。因为能够把天线单元间相位中心连接的基线视为一个矢量，则只要获得基线方向矢量的姿态度量值，便能求解得到指向的角度值。其测量基本原理图如图2所示。在图2中，有两个天线；L为基线，b为基线矢量，；b＝[Δx Δy Δz]^T为未知基线矢量在地球坐标系中的坐标；ρ₁、ρ₂为伪距；Δρ为伪距差；β为导航信号入射方向与基线矢量的夹角。天线单元间连线视为矢量，通过载波相位差分的方式来精密测量矢量的姿态，天线单元间连线长度为几十公分。用载波相位差分的方式来进行精密相位差分测量，能消除掉信号在空间传输时存在的所有相关性误差源。以单基线为例进行分析：

GNSS卫星信号在空间传输后到达两接收天线，视为平行波传输，两天线间的相位差为：

上式(1)中，为载波相位测量值之差，e为GNSS卫星至天线单元方向的单位矢量，天线的位置坐标由GNSS信号接收后定位求得，GNSS卫星的坐标由卫星星历解算得。b＝[ΔxΔy Δz]^T为未知基线矢量在地心地固坐标系中的投影，λ为载波波长，N为整周模糊度。

假设在某一时刻同时观测到n颗卫星，则就能够得到n组基线矢量坐标，所得到的观测方程组如下：

上式(2)中，为两个天线单元接收同一颗卫星导航信号时，两伪距差用载波相位表示的真实测量值部分，是小于一周的载波相位值；φ_i为两个天线单元接收第i颗卫星导航信号时，两伪距差用载波相位差表示的真实测量值部分，是小于一周的载波相位值；e为天线单元的位置坐标，由接收卫星导航信号测量得到伪距值后定位求得，卫星的坐标由卫星星历解算得到，简称为天线至卫星方向的单位矢量，e_i表示为天线至第i颗卫星方向的单位矢量；b＝[Δx Δy Δz]^T为未知基线矢量在地心地固坐标系中的投影；λ为载波波长；N＝[N₁ N₂ .....N_n]^T为两个天线单元接收一颗卫星导航信号时，两伪距差用载波相位表示时，真实测量值部分载波相位值的整周数，亦称为整周模糊度；N_i为两个天线单元接收第i颗卫星导航信号时，两伪距差用载波相位差表示时，真实测量值部分载波相位值的整周数，亦称为整周模糊度。从上式(2)看出，只需要求解出正确的一组整周模糊度N，就能求解上述方程。整周模糊度求解算法有：最小二乘模糊度搜索算法(LSAST)、优化Cholesky分解算法、LAMBDA算法、快速模糊度搜索算法(FASF)；在这些搜索算法中，LAMBDA算法不但有着好的求解性能且理论体系完善。选择合适的整周模糊度求解算法，求解得到整周模糊度以后，就能解算出基线矢量b，即基线矢量在地心地固坐标系中的投影。将解算出的基线矢量b进行坐标转换，得到基线矢量b_BFS、b_LLS和两基线矢量的变换矩阵，这时姿态角也就很容易解算得到了；基线矢量b_BFS是载体坐标系，b_LLS是地理坐标系。现有技术的惯性器件测得的角度值是相对变化的角度值，不是相对于正北方向的绝对偏角值，用相对角度值积累求解时会产生累积误差并影响使用效果，而本发明充分利用了GNSS信号，采用的是高精度卫星导航信号的载波相位测量方法，不但适用的覆盖区域广，而且获得的测向角度数据是相对于正北方向的绝对方向偏角值，使用直观方便，克服了现有技术的缺点。

本发明所述天文望远镜装有GNSS的载波相位干涉测量测向测姿设备，本发明所述天文望远镜的支架2能采用地平式或极轴式的支架型式。地平式支架结构紧凑、受力合理、成本低、使用方便，而且地平式支架的坐标系就是观测当地的地平坐标系，两个轴系的概念清晰。

本发明所述天文望远镜采用了测向装置3后不需要繁琐复杂的安装调整且操作使用简便，即只要把本发明所述天文望远镜放在一个开阔地段，水平放置支架2，按指南针指示的方向大致放准望远镜的方位方向，就能开始顺利地观测天体而不需要支架轴系必须精准调整对准正北，不需要依靠三星定位调整极轴的指向或者校正偏差，也不需要对轴位角度指示进行精确的标校，由于测向装置3已能指示出光学镜筒的精确的绝对角度值，从而能简化天文望远镜的观察操作流程。本发明所述天文望远镜的观察操作过程能够实现自动调整控制，即只要输入所要观察的天体，就能自动计算出待观测天体在当地坐标系下的理论观测角，再对照测向装置3显示的轴位角度值求出未调到位的轴位偏差，把轴位偏差输到MCU处理芯片3.3中进行支架轴系角度显示值的修正后就用支架轴系角度显示值正确地自动调整望远镜镜筒光轴的正确指向。

本发明所述天文望远镜中利用测向装置3的测角算法的计算操作过程如下：

(1)利用GNSS接收机的观测信号经解扩解调得到导航电文并根据导航电文信息外推计算出观测的GNSS卫星的瞬时位置坐标；

(2)根据GNSS卫星信号相干测量的伪距、载波相位测量数据及解调出的导航电文来计算获得载波相位双差观测测量值；

(3)选取合适的整周模糊度求解算法，如LAMBDA算法，求解整周模糊度，快速确定整周模糊度；

(4)利用求解得出的整周模糊度，解算出基线矢量在WGS-84坐标系中的坐标及姿态；

(5)将解算出的基线矢量进行坐标转换，在当地平面坐标系里得出相关矩阵和基线矢量坐标；

(6)由相关转换矩阵和基线矢量坐标解算出基线矢量姿态角。

实施例中，在一台地平式支架的天文望远镜上安装了本发明的能接收GNSS信号的测向装置3，当人们使用天文望远镜欲观测某一颗天体时，若已给出天体观察角，即天文望远镜光轴在当地地平坐标下的光轴指向角、方位角和俯仰角。方位角就是从正北计量的天文望远镜光轴方位的指向角，并规定角度值顺时针方向转为正，逆时针方向转为负；俯仰角就是以当地水平面为零值的天文望远镜光轴的上下俯仰角，规定向上仰角值为正值，向下俯角度值为负值。这时，转动天文望远镜镜筒，观察测向装置3的两个姿态角，即方位角与俯仰角。若使测向装置3在当地地平坐标系下的这两个绝对指向角，与计算获得的天文望远镜光轴应该指向的方位角与俯仰角相一致，那就能观察到欲观测的那颗天体。

在本发明实施例中，在星特朗地平式支架的5SE-omni且口径为125mm的天文望远镜上，安装了能接收GNSS信号的测向装置3，使测向装置3中两天线间的连线保持与望远镜镜筒中的光轴平行并能够顺利观测天体。本发明所述天文望远镜也能够装配到光学水平仪、光学经纬仪、全站仪的这些光学设备上，能够协助这些光学设备提供测向测姿角度数据。本发明不但能用于光学设备上，而且还能够用于射电天文望远镜以及能够用于需要角度正确指向的装置，如应用于天线、发射架、铁塔上。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种配置全球导航卫星系统测向功能的天文望远镜，其特征在于，包括：连接在一起的镜筒、支架、能接收GNSS信号的测向装置；镜筒设置在支架上，能接收GNSS信号的测向装置设置在镜筒上；测向装置包括：两个天线单元、GNSS接收芯片、低噪声放大器、声表滤波器、MCU处理芯片、输入接口、输出接口、6轴传感器及罩；天线单元、低噪声放大器、声表滤波器、GNSS接收芯片、MCU处理芯片依次连接，6轴传感器与MCU处理芯片连接。

2.根据权利要求1所述的一种配置全球导航卫星系统测向功能的天文望远镜，其特征在于，所述天线单元设置在镜筒的上侧；天线单元的相位中心的连线与望远镜镜筒内的光学系统的光轴相平行。

3.根据权利要求1所述的一种配置全球导航卫星系统测向功能的天文望远镜，其特征在于，所述GNSS接收芯片和MCU处理芯片设置在镜筒的上侧。

4.根据权利要求1所述的一种配置全球导航卫星系统测向功能的天文望远镜，其特征在于，所述GNSS接收芯片和MCU处理芯片上还设置有输入接口、输出接口。

5.根据权利要求1所述的一种配置全球导航卫星系统测向功能的天文望远镜，其特征在于，所述测向装置的外部加罩进行保护，罩的材料采用的是对电磁波的衰减小的材料。

6.根据权利要求1所述的一种配置全球导航卫星系统测向功能的天文望远镜，其特征在于，在所述罩内还设置了6轴传感器。

7.根据权利要求6所述的一种配置全球导航卫星系统测向功能的天文望远镜，其特征在于，所述6轴传感器由水泡、加速度计、陀螺仪和磁力计组成。

8.根据权利要求1所述的一种配置全球导航卫星系统测向功能的天文望远镜，其特征在于，所述两个天线单元采用有源天线单元。