CN113251995B

CN113251995B - 获取全天候天文经纬度间接测定值的方法

Info

Publication number: CN113251995B
Application number: CN202110543042.XA
Authority: CN
Inventors: 冒蔚
Original assignee: Yunnan Astronomical Observatory of CAS
Current assignee: Yunnan Astronomical Observatory of CAS
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2041-05-18
Also published as: CN113251995A

Abstract

本发明公开了获取全天候天文经纬度间接测定值的方法，包括各设一块长10米、宽0.5米、厚20厘米的钢筋水泥平台，各自两端竖立高30厘米处于微晶玻璃板的立柱上，有背照光标点光源，其旁边配备CCD相机；本发明的有益效果是，本发明根据多功能天文经纬仪的结构特点和原理，设计了一套测量装置，用于在白天和阴雨天时，测定含有铅垂线方向变化和局部地倾斜成分的人造星像位置，间接推导出白天和阴雨天的本地天文经纬度测定值，从而实现全天候测量铅垂线变化曲线。

Description

获取全天候天文经纬度间接测定值的方法

技术领域

本发明涉及天体测量、地震预测领域，特别是获取全天候天文经纬度间接测定值的方法。

背景技术

在地震孕育过程中地下物质在各种应力、应变作用下，产生密度和体积的变化，且随着时间的推移和应力、应变的积累，这种地下物质分布变化，逐渐对周围各地产生与距离平方成反比的附加引力，引起各地产生不同方向、不同大小的铅垂线方向变化。而且，地面天体测量仪器是唯一能测定铅垂线方向变化的手段。中国科学院云南天文台自主研发的多功能天文经纬仪的课题目标之一就是在多震的云南省组建三角测量网，长期连续测定各网点的铅垂线方向变化，向地震部门提供这方面的地震前兆信息。地震前兆可被划分为四个阶段：长期前兆(几年至几十年)，主要表现为地震活动性增强、大地形变异常等；第二阶段的中期前兆(一至几年)，主要表现为定点地形变测量、水化学组分、水位、重力、地磁、地电、波速、应力等方面出现一些趋势性异常；第三阶段的短期前兆(几个月)，主要是一些趋势性异常的转折变化和前兆异常数量的增加；最后阶段的临震前兆(数天以内)，主要是震前活动和多种突变性异常。多功能天文经纬仪主要监测短期前兆和临震前兆。但是自古以来，天文观测都是靠天吃饭，只有晴夜才能有观测数据，阴雨天和白天都是没有数据的，这样临震前的许多铅垂线变化数据极有可能因为天气原因无法观测而错过。为了得到临震前连续密集且清晰的铅垂线变化曲线，就必须要实现全天候的观测。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了获取全天候天文经纬度间接测定值的方法。

实现上述目的本发明的技术方案为，包含以下步骤：

S1:各设一块长10米、宽0.5米、厚20厘米的钢筋水泥平台，各自两端竖立高30厘米处于微晶玻璃板的立柱上，有背照光标点光源，其旁边配备CCD相机；

S2:在两光标点光源中间各有一具微晶玻璃板制成的框架，内部固定安装有左右长焦距透镜、左右五棱镜、左右60°转角镜等光学元件，透镜的口径为20厘米、焦距4米，五棱镜和转角镜都是由宽度为10厘米的长方形微晶玻璃平面反射镜组成；框架下面是一只左右长60厘米、宽22厘米的水银盘，盘底面的中间长方形部分是平面，周围是宽5厘米的斜坡，斜率为1/40，水银的深度约1.1毫米；

S3:框架内光学元件的安排如图1、2、3所示，以左、右背照点光源的连线为参照线，通过左右长焦距透镜的中心，在各透镜前面或后面设置一片并列两个上下长轴椭圆孔的光栏，把透镜分为内、外两个视场。

S4:把靠近观测室这边的视场称为内视场，由它组成的光路称为第一光路系统，另一边的称为外视场和第二光路系统；在第一光路系统中，如图2所示，左右内半透镜之间的光学元件是左右五棱镜，左右背照点光源的发散光经左右内半透镜成平行光，被10厘米宽的左右五棱镜折转90°向下，由水银面反射回五棱镜，再反射回各自的内半透镜，分别聚焦成像于左右CCD相机上，点像越低，读数y_E ⁽¹⁾或y_W ⁽¹⁾越大；这一光路，左右两边都是各自折回的光路，互不影响。在第二光路系统中，如图3所示，左右外半透镜之间的光学元件是左右60°转角镜；左右背照点光源的发散光经左右外半透镜成平行光，经10厘米宽的左右60°转角镜分别射向右下方和左下方，经水银面向右上方和左上方反射，分别由右、左60°转角镜转向成为水平方向的平行光，进入右、左外半透镜，分别聚焦成像于相应的CCD相机上，也是点像越低，读数y_E ⁽²⁾或y_W ⁽²⁾越大。

S5:铅垂线方向变化引起的测站经、纬度变化量为Δλ(向东为正)和

(向北为正)，换算成角距离的东西分量和南北分量分别为

和

对于东西方向的平台，第一光路系统中，含(θ_EW、Δλ)成分的东西两个相机读数分别为：

其中，θ_EW为东西方向的地倾斜量。在东西方向的第二光路系统中，含(θ_EW、Δλ)成分的东西两个相机读数分别为：

对于南北方向的平台，在南北方向第一光路系统和第二光路系统中，含

成分的南北四个相机读数分别为：

其中，θ_SN为南北方向的地倾斜量。

最后，包含有4只相机零点偏差和点像y坐标直接读数的表达式为：

其中，y_E0 ⁽¹⁾、y_E0 ⁽²⁾分别为东端第一、第二光路系统y坐标的零点偏差；y_W0 ⁽¹⁾、y_W0 ⁽²⁾分别为西端第一、第二光路系统y坐标的零点偏差；y_S0 ⁽¹⁾、y_S0 ⁽²⁾分别为南端第一、第二光路系统y坐标的零点偏差；y_N0 ⁽¹⁾、y_N0 ⁽²⁾分别为北端第一、第二光路系统y坐标的零点偏差。

S6：左右合并成：

3(y_E0 ⁽¹⁾+y_W0 ⁽¹⁾)＝y_E ⁽¹⁾+y_W ⁽¹⁾；2(y_E0 ⁽²⁾-y_W0 ⁽²⁾)＝y_E ⁽²⁾-y_W ⁽²⁾；3(y_S0 ⁽¹⁾+y_N0 ⁽¹⁾)＝y_S ⁽¹⁾+y_N ⁽¹⁾；2(y_S0 ⁽²⁾+y_N0 ⁽²⁾)＝y_S ⁽²⁾+y_N ⁽²⁾. (5)

以上表达式中共有12个未知数：8个零点偏差(y_E0 ⁽¹⁾、y_W0 ⁽²⁾、y_W0 ⁽¹⁾、y_E0 ⁽²⁾、y_S0 ⁽¹⁾、y_N0 ⁽²⁾、y_N0 ⁽¹⁾、y_S0 ⁽²⁾)，天文经纬度间接测定值Δλ、

和局部地倾斜分量测定值θ_EW、θ_SN。其中，Δλ、

可以取夜间多功能天文经纬仪的观测直接测定值来替代，它们随着各观测日铅垂线方向的变化而变。第二光路系统中4个y坐标的零点偏差公式可改写为：

由公式(4)变化可得：

θ_EW、θ_SN由于只要求相对变化的数值，不要求确定数值，故可以规定在某个日期T₀时，θ_EW和θ_SN都为零。利用T₀日y_W ⁽¹⁾、y_E ⁽¹⁾、y_S ⁽¹⁾、y_N ⁽¹⁾的读数，以及

和

的天文直接测定值。代入公式(7)可求解得T₀日的两个零点偏差差值(y_E0 ⁽¹⁾-y_W0 ⁽¹⁾)和(y_S0 ⁽¹⁾-y_N0 ⁽¹⁾)的数值。

S7：两个零点偏差值的变化量只有±0.1甚至±0.01量级，作为常数长期使用，得到局部地倾斜两个分量每日的相对变化值。

进一步的，所述步骤S1中：CCD的y轴向下，其零点在上面。

进一步的所述步骤S4中：光路的左右两束平行光之间虽有微小的偏斜，基本上是相互重叠地相向而行，如果因重叠对光线传播有所影响，可以将左右点光源先后错开几秒钟开启，使向左和向右的两束光错开几秒钟通过。

利用本发明的技术方案制作的获取全天候天文经纬度间接测定值的方法，本发明根据多功能天文经纬仪的结构特点和原理，设计了一套方法用于在白天和阴雨天时，测定含有铅垂线方向变化和局部地倾斜成分的人造星像位置，间接推导出白天和阴雨天的本地天文经纬度测定值，从而实现全天候测量铅垂线变化曲线。

附图说明

图1是两个光路俯视图。(左右两透镜之间的距离约1米，点光源到透镜的距离约4米)；

图2是第一光路侧视图。(左右两透镜之间的距离约1米，点光源到透镜的距离约4米)；

图3是第二光路侧视图。(左右两透镜之间的距离约1米，点光源到透镜的距离约4米)；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1所示，获取全天候天文经纬度间接测定值的方法。

第一步，按照图1、图2、图3所示，设计相应的光学系统，首先约定：光线的方向，以没有变化的铅垂线为向上或向下定向的基准；光学元件的装配误差及其变化可以看成是系统误差，最后在比对中作处理；假设局部地倾斜的东西分量为θ_EW，东高西低，南北分量为θ_SN，南高北低；铅垂线方向变化引起水银面向上的法线与天球的交点微微向东北方向偏移，在东半球地理经度取为正值的习惯下，天顶向东北方向偏移引起的测站经、纬度变化量为Δλ(向东为正)和

(向北为正)，换算成角距离的东西分量和南北分量分别为

和

第二步，θ_EW、θ_SN，由于只要求相对变化的数值，不要求确定数值，所以规定某日期T₀的θ_EW和θ_SN都为零。并读出y_W ⁽¹⁾、y_E ⁽¹⁾、y_S ⁽¹⁾、y_N ⁽¹⁾的读数。

第三步，在T₀日，使用多功能天文经纬仪进行夜间天文观测，得到

和

的测定值。

第四步，将第二步和第三步所得到的数值y_W ⁽¹⁾、y_E ⁽¹⁾、y_S ⁽¹⁾、y_N ⁽¹⁾和

和

代入公式(7)中，特别注意，此时公式(7)的θ_EW和θ_SN都为零。求解出测量装置的两个零点偏差(y_E0 ⁽¹⁾-y_W0 ⁽¹⁾)和(y_S0 ⁽¹⁾-y_N0 ⁽¹⁾)，此后将作为常数使用。

第五步，对于任意日期T，读出测量装置的读数y_W ⁽¹⁾、y_E ⁽¹⁾、y_S ⁽¹⁾、y_N ⁽¹⁾。

第六步，使用多功能天文经纬仪在日期T进行夜间天文观测，得到

和

的测定值。

第七步，将日期T所测得的读数y_W ⁽¹⁾、y_E ⁽¹⁾、y_S ⁽¹⁾、y_N ⁽¹⁾和

和

的测定值以及T₀日求的两个零点偏差(y_E0 ⁽¹⁾-y_W0 ⁽¹⁾)和(y_S0 ⁽¹⁾-y_N0 ⁽¹⁾)代入公式(7)，即可求解出日期T相对于T₀的局部地倾斜变化量θ_EW和θ_SN。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.获取全天候天文经纬度间接测定值的方法，其特征在于，包含以下步骤：

S2:在两光标点光源中间各有一具微晶玻璃板制成的框架，内部固定安装有左右长焦距透镜、左右五棱镜、左右60°转角镜，透镜的口径为20厘米、焦距4米，五棱镜和转角镜都是由宽度为10厘米的长方形微晶玻璃平面反射镜组成；框架下面是一只左右长60厘米、宽22厘米的水银盘，盘底面的中间长；方形部分是平面，周围是宽5厘米的斜坡，斜率为1/40，水银的深度约1.1毫米；

S3:框架内光学元件以左、右背照点光源的连线为参照线，通过左右长焦距透镜的中心，在各透镜前面或后面设置一片并列两个上下长轴椭圆孔的光栏，把透镜分为内、外两个视场；

S4:把靠近观测室这边的视场称为内视场，由它组成的光路称为第一光路系统，另一边的称为外视场和第二光路系统；在第一光路系统中，左右内半透镜之间的光学元件是左右五棱镜，左右背照点光源的发散光经左右内半透镜成平行光，被10厘米宽的左右五棱镜折转9 0°向下，由水银面反射回五棱镜，再反射回各自的内半透镜，分别聚焦成像于左右CCD相机上，点像越低，读数y_E ⁽¹⁾或y_W ⁽¹⁾越大；这一光路，左右两边都是各自折回的光路，互不影响；在第二光路系统中，左右外半透镜之间的光学元件是左右60°转角镜；左右背照点光源的发散光经左右外半透镜成平行光，经10厘米宽的左右60°转角镜分别射向右下方和左下方，经水银面向右上方和左上方反射，分别由右、左60°转角镜转向成为水平方向的平行光，进入右、左外半透镜，分别聚焦成像于相应的CCD相机上，也是点像越低，读数y_E ⁽²⁾或y_W ⁽²⁾越大；

S5:铅垂线方向变化引起的测站经、纬度变化量为Δλ和

换算成角距离的东西分量和南北分量分别为

和

对于东西方向的平台，y_E ⁽¹⁾、y_E ⁽²⁾分别为东端第一、第二光路系统y坐标的读数；y_W ⁽¹⁾、y_W ⁽²⁾分别为西端第一、第二光路系统y坐标的读数；第一光路系统中，含(θ_EW、Δλ)成分的东西两个相机读数分别为：

其中，θ_EW为东西方向的地倾斜量；在东西方向的第二光路系统中，含(θ_EW、Δλ)成分的东西两个相机读数分别为：

对于南北方向的平台，y_S ⁽¹⁾、y_S ⁽²⁾分别为南端第一和第二光路系统y坐标的读数；y_N ⁽¹⁾、y_N ⁽²⁾分别为北端第一和第二光路系统y坐标的读数；在南北方向第一光路系统和第二光路系统中，含

成分的南北四个相机读数分别为：

其中，θ_SN为南北方向的地倾斜量；

其中，y_E0 ⁽¹⁾、y_E0 ⁽²⁾分别为东端第一、第二光路系统y坐标的零点偏差；y_W0 ⁽¹⁾、y_W0 ⁽²⁾分别为西端第一、第二光路系统y坐标的零点偏差；y_S0 ⁽¹⁾、y_S0 ⁽²⁾分别为南端第一、第二光路系统y坐标的零点偏差；y_N0 ⁽¹⁾、y_N0 ⁽²⁾分别为北端第一、第二光路系统y坐标的零点偏差；

S6：左右合并成：

3(y_E0 ⁽¹⁾+y_W0 ⁽¹⁾)＝y_E ⁽¹⁾+y_W ⁽¹⁾；2(y_E0 ⁽²⁾-y_W0 ⁽²⁾)＝y_E ⁽²⁾-y_W ⁽²⁾；3(y_S0 ⁽¹⁾+y_N0 ⁽¹⁾)＝y_S ⁽¹⁾+y_N ⁽¹⁾；2(y_S0 ⁽²⁾+y_N0 ⁽²⁾)＝y_S ⁽²⁾+y_N ⁽²⁾ (5)

和局部地倾斜分量测定值θ_EW、θ_SN；其中，Δλ、

取夜间多功能天文经纬仪的观测直接测定值来替代，它们随着各观测日铅垂线方向的变化而变；第二光路系统中4个y坐标的零点偏差公式可改写为：

由公式(4)变化可得：

θ_EW、θ_SN由于只要求相对变化的数值，不要求确定数值，故规定在某个日期T₀时，θ_EW和θ_SN都为零；利用T₀日y_W ⁽¹⁾、y_E ⁽¹⁾、y_S ⁽¹⁾、y_N ⁽¹⁾的读数，以及

和

的天文直接测定值；代入公式(7)可求解得T₀日的两个零点偏差差值(y_E0 ⁽¹⁾-y_W0 ⁽¹⁾)和(y_S0 ⁽¹⁾-y_N0 ⁽¹⁾)的数值；

S7：两个零点偏差值的变化量只有±0.1″量级，作为常数长期使用，得到局部地倾斜两个分量每日的相对变化值。

2.如权利要求1所述的获取全天候天文经纬度间接测定值的方法，其特征在于，所述步骤S1中：CCD的y轴向下，其零点在上面。

3.如权利要求1所述的获取全天候天文经纬度间接测定值的方法，其特征在于，所述步骤S1中：CCD的y轴向下，其零点在上面，其特征在于，所述步骤S4中：光路的左右两束平行光之间虽有微小的偏斜，基本上是相互重叠地相向而行，如果因重叠对光线传播有所影响，将左右点光源先后错开几秒钟开启，使向左和向右的两束光错开几秒钟通过。