CN110068313B - 一种基于投影变换的数字天顶仪定向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于投影变换的数字天顶仪定向方法，采用具有星图与识别、定位解算软件系统的通用数字天顶仪，特征在于包括四大步骤：测量天顶仪所在位置的天文坐标；构建恒星坐标的投影模型；方位角的计算；方位角A的修正。同现有技术相比，受光学系统参数影响小，即使没有对光学系统进行标校也能够准确解算方位，省去了非常困难的标校焦距、畸变等光学系统参数的过程，也不会因为会受到外部因素的影响而随着时间发生相应的变化，且只需通过天文观测即可确定天顶仪方位并输出方位能够实现测站点的快速定向，环境适应性较强。实验验证，本发明能够高精度完成的定向精度在8＂以内，完全满足实际工作对于定向精度的要求。

Description

一种基于投影变换的数字天顶仪定向方法
技术领域
本发明属于大地天文测量技术领域，涉及一种天顶仪的定向方法，尤其是涉及一种基于投影变换的数字天顶仪定向方法。
背景技术
国内外研究数字天顶仪技术的主要有三家，德国Hannover大学、瑞士苏黎世理工大学、二炮装备研究院。三家所研究的数字天顶仪软硬件系统基本相似，硬件结构主要由光学系统、倾角测量与调平系统、授时系统、控制系统与数据处理系统构成。软件系统主要包括星图与识别、天顶仪旋转轴解算和相关补偿等。在本发明以前的现有技术中，针对数字天顶仪的研究主要集中在通过硬件结构和精度改变来提高定位的精度上，其中基于星敏感器的多矢量方法，可以通过观测恒星实现定向，它的缺点在于，多矢量方法在定向时需要标校焦距、畸变等光学系统参数，而这些系统参数的标校往往是非常困难的，且参数会受到外部因素的影响而随着时间发生相应的变化，一般的定位精度在10＂以上，因此这种技术并不适合在数字天顶仪中使用。《数字天顶仪旋转轴解算方法》(发明专利申请号：201110406263.9)中采用了不同方位拍摄的星图，对数字天顶仪的旋转轴坐标提出了针对性的解算方法，但该方法并未就定位方法提供更具体的技术解决方案。至目前为止，数字天顶仪定向方法在国内外还未有专门的研究报道。
发明内容
针对上述现有技术状况，本发明的目的在于，提供一种基于投影变换的思路、在不对光学系统进行标校的情况下准确解算方位、且通过天文观测确定天顶仪方位并输出方位的数字天顶仪定向方法。
现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：
本发明的基本构思是，所提供的定向方法，应该是受光学系统参数的影响很小，即使没有对光学系统进行标校也能够准确解算方位，省去了非常困难的标校焦距、畸变等光学系统参数的过程，同时也不会因为会受到外部因素的影响而随着时间发生相应的变化，且只需用本发明方法通过天文观测即可确定天顶仪方位并输出方位的的基于投影变换思路的数字天顶仪定向方法。
本发明一种基于投影变换的数字天顶仪定向方法，硬件系统采用通用数字天顶仪，包括光学望远镜、CCD成像装置及旋转平台调平装置；软件系统包括星图与识别、天顶仪定位解算和相关补偿，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：测量天顶仪所在位置的天文坐标
在进行天文定向前，先测量数字天顶仪所在位置的天文坐标：(α0,δ0)，在定位基础上对数字天顶仪进行定向，天顶仪的定位精度在0.3＂以内；
步骤2：构建恒星坐标的投影模型
步骤2.1：拍摄的星图做预处理，去除噪声；
步骤2.2：提取星图中恒星中心的像片坐标(xij,yij)，并结合恒星星表识别所拍摄到的恒星；
步骤2.3：根据拍摄时刻信息及星表中的相关参量，计算所识别恒星于拍摄历元在地球固联坐标系中的位置(αij,δij)；
步骤2.4：根据已经测量得到的天顶仪高精度天文坐标(α0,δ0)，计算恒星在切平面坐标系中的坐标：
Figure BDA0002053490120000031
步骤2.5：建立每幅图像的投影模型，利用最小二乘法解算参数
[ai1,bi1,ci1,ai2,bi2,ci2,ai3,bi3]
Figure BDA0002053490120000032
步骤3：方位角的计算
步骤3.1：利用计算得到的参数，分别计算每幅图像的方位角：
Figure BDA0002053490120000033
方位角αi的取值范围根据其正弦值与余弦值的正负情况确定：
Figure BDA0002053490120000034
式(1)到(4)式中，i表示图像编号，j表示恒星编号，i＝j＝1,2...；
步骤3.2：将每幅图像所计算得到的多个方位角去除异常值之后，将其均值作为最终的方位角α；
步骤3.3：通过公式(4)可以得到多个方位角的输出值，对输出值进行分析，通过对残差的处理筛选出含有粗大误差的星点，可得残差的均值为
Figure BDA0002053490120000035
残差的标准差
Figure BDA0002053490120000041
将方位角输出值按照大小顺序排列α(1)≤α(2)≤…≤α(n)；
步骤3.4：构建统计量
Figure BDA0002053490120000042
当g(1)≥g0(n,a)，认为测得值α(1)是异常数据，应剔除；当g(n)≥gn(n,a)，认为α(n)是异常数据，应剔除。对异常值踢出后求解均值，，将其均值作为最终的方位角α。
步骤4：.方位角A的修正
步骤4.1：经度修正公式：
Δα1＝Δαsinδ0 (6)
式(6)中，Δα＝α0-α1；δ0为定位后所得天文坐标的纬度值；
步骤4.2：纬度的修正
因纬度所产生的影响较小，大多数情况下可以忽略，但当定位所得天文坐标纬度值与所使用概略位置纬度值超过1°时，应用下式进行修正：
Δα2≈1/2ac(Δδ)2 (6)
步骤4.3：方位的输出
最终的输出方位角为：
α＝α+Δα1+Δα2 (7)
本发明通现有技术相比，能够实现测站点的快速定向，而且环境适应性较强。经实际实验验证，利用本发明能够高精度的完成定向，定向的精度在8＂以内，完全可以满足实际工作中对于定向精度的要求。
附图说明
图1：数字天顶仪的硬件系统示意图
图2：数字天顶仪方位输出示意图
具体实施方式
现结合附图对本发明方法作进一步说明。
参见图1：本发明所用数字天顶仪主要由光学望远镜、CCD成像装置及旋转平台调平装置组成；本发明方法具体包括以下步骤：
步骤1：:测量天顶仪所在位置的天文坐标
在进行天文定向前，先测量天顶仪所在位置的天文坐标，得到较高精度的天文坐标：(α0,δ0)；
步骤2：.建立同一位置、不同图像的投影模型
步骤2.1：对拍摄的星图做预处理，去除噪声；
步骤2.2：提取星图中恒星中心的像片坐标(xij,yij)，并结合恒星星表识别所拍摄到的恒星；
步骤2.3：根据拍摄时刻、IAU2003模型及星表中的相关参量，计算所识别恒星于拍摄历元在地球固联坐标系中的位置(αij,δij)；
步骤2.4：根据已经测量得到的天顶仪高精度天文坐标(α0,δ0)，计算恒星在切平面坐标系中的坐标。
Figure BDA0002053490120000051
步骤2.5：建立每幅图像的投影模型，利用最小二乘法解算参数向量
[ai1,bi1,ci1,ai2,bi2,ci2,ai3,bi3]:
Figure BDA0002053490120000061
步骤3：方位角的计算
步骤3.1：利用计算得到的参数，分别计算每幅图像的方位角：
Figure BDA0002053490120000062
步骤3.2：方位角αi的取值范围根据其正弦值与余弦值的正负情况确定：
Figure BDA0002053490120000063
式(1)到(4)式中，i表示图像编号，j表示恒星编号，i＝j＝1,2...；
步骤3.3：通过公式(4)可以得到多个方位角的输出值，对输出值进行分析，通过对残差的处理筛选出含有粗大误差的星点，可得残差的均值为
Figure BDA0002053490120000064
残差的标准差
Figure BDA0002053490120000065
将方位角输出值按照大小顺序排列α(1)≤α(2)≤…≤α(n)；
步骤3.4：构建统计量
Figure BDA0002053490120000066
当g(1)≥g0(n,a)，认为测得值α(1)是异常数据，应剔除；当g(n)≥gn(n,a)，认为α(n)是异常数据，应剔除，对异常值踢出后求解均值，将其均值作为最终的方位角α；
步骤4：.方位角A的修正
步骤4.1：经度修正公式：
Δα1＝Δαsinδ0 (6)
式(6)中，Δα＝α0-α1；δ0为定位后所得天文坐标的纬度值。
步骤4.2：纬度的修正
因纬度所产生的影响较小，大多数情况下可以忽略。但是，当定位所得天文坐标纬度值与所使用概略位置纬度值相差比较大时，应用下式进行修正：
Δα2≈1/2ac(Δδ)2 (7)
步骤4.3：方位的输出
最终的输出方位角为：
α＝α+Δα1+Δα2 (8)
经实验验证，利用本发明能够实现快速的天文定向，定向的精度在8＂以内。由于该方法通过数字天顶仪在单一位置拍摄的数幅恒星星图进行定向，并采用了投影变换模型，因此该方法对外界的适应性较强。

Claims (1)

1.一种基于投影变换的数字天顶仪定向方法，硬件系统采用通用数字天顶仪，包括光学望远镜、CCD成像装置及旋转平台调平装置；软件系统包括星图与识别、天顶仪定位解算和相关补偿，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：测量天顶仪所在位置的天文坐标；在进行天文定向前，先测量数字天顶仪所在位置的高精度天文坐标(α0,δ0)，在定位基础上对数字天顶仪进行定向，天顶仪的定位精度在0.3＂以内；
步骤2：构建恒星坐标的投影模型；
步骤2.1：拍摄的星图做预处理，去除噪声；
步骤2.2：提取星图中恒星中心的像片坐标(xij,yij)，并结合恒星星表识别所拍摄到的恒星；
步骤2.3：根据拍摄时刻及星表中的相关参量，计算所识别恒星于拍摄历元在地球固联坐标系中的位置(αij,δij)；
步骤2.4：根据已经测量得到的天顶仪高精度天文坐标(α0,δ0)，计算恒星在切平面坐标系中的坐标：
Figure FDA0003071500690000011
步骤2.5：建立每幅图像的投影模型，利用最小二乘法解算参数[ai1,bi1,ci1,ai2,bi2,ci2,ai3,bi3]
Figure FDA0003071500690000021
式(1)、(2)式中，i表示图像编号，j表示恒星编号，i＝j＝1,2...；
步骤3：方位角α的计算；
步骤3.1：利用计算得到的参数，分别计算每幅图像的方位角：
Figure FDA0003071500690000022
方位角αi的取值范围根据其正弦值与余弦值的正负情况确定：
Figure FDA0003071500690000023
式(3)、(4)式中，i表示图像编号，j表示恒星编号，i＝j＝1,2...；
步骤3.2：将每幅图像所计算得到的多个方位角αi去除异常值之后，将其均值作为最终的方位角α′；
步骤3.3：通过公式(4)可以得到多个方位角αi的输出值，对输出值进行分析，通过对残差的处理筛选出含有粗大误差的星点，可得方位角的均值为：
Figure FDA0003071500690000024
残差的标准差
Figure FDA0003071500690000025
将方位角αi输出值按照大小顺序排列α1≤α2≤…≤αn；
步骤3.4：构建统计量
Figure FDA0003071500690000026
Figure FDA0003071500690000027
为方位角的均值；当g1≥g0(n,a)，认为测得值α1是异常数据，应剔除；当gn≥gn(n,a)，认为αn是异常数据，应剔除；对异常值剔除后求解均值，将其均值作为最终的方位角α′；
步骤4：方位角α的修正
步骤4.1：经度修正公式：
Δα1＝Δαsinδ0 (6)
式(6)中，Δα为经度偏差量；δ0为定位后所得天文坐标的纬度值；
步骤4.2：纬度的修正
因纬度所产生的影响较小，大多数情况下可以忽略，但当定位所得天文坐标纬度值与所使用概略位置纬度值大于1°时，应用下式进行修正：
Δα2≈1/2ac(Δδ)2 (7)
步骤5：方位的输出
最终的输出方位角α为：
α＝α′+Δα1+Δα2 (8)。
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