大氣折射對某掩星光譜儀跟蹤角度的影響及應對策略

王彩琴

【摘 要】說明了掩星光譜儀的工作原理和組成，對掩星光譜儀的核心模塊-太陽跟蹤系統進行介紹。簡要分析了大氣折射對掩星光譜儀跟蹤角度的影響，論證了準確計算每軌大氣折射偏轉角度的不可行性。最后，給出了應對策略，有效規避了大氣折射導致的光譜儀跟蹤角度的偏離，保證跟蹤機構在日出第一時間對太陽的捕捉。

【關鍵詞】太陽掩星；跟蹤角度；大氣折射

0 引言

全球的氣候變化不僅是一個自然科學的問題，還對氣候環境、社會經濟和國家安全等方面產生了重大影響，而大氣圈變化是全球氣候變化中最活躍、影響最大的因素[1]?；趯Υ髿鈫栴}的長期研究，大氣科學界普遍認為必須對地球大氣圈的成分進行精細測量，獲取全時空全方位的科學數據，并對數據進行反演分析，理解和判斷地球氣候系統的變化趨勢、氣候系統演變的內在驅動力、氣候系統的響應和反饋機制，為制定氣候變化應對策略、規避和減小自然災害服務。

為實現上述研究需要，某掩星光譜儀對地球大氣進行高光譜分辨率、高信噪比和寬波段范圍的精細光譜探測，獲取南極上空不同高度的大氣成分和濃度的切線分布，為氣候變化研究和環境監測提供科學依據。

1 掩星光譜儀的工作原理和組成

1.1 工作原理

衛星對大氣成分的探測模式包括天底角、臨邊和掩星觀測模式等。掩星觀測模式采用太陽輻射作為標定源，并通過大氣的吸收來測量大氣的特征譜，這種方式下的信號強，儀器的信噪比大，可適當減小光學系統的通光孔徑，使系統更加簡化；其次，每次測量時都以太陽輻射作為儀器的基準，基準統一，便于進行長周期的大氣變化規律研究；此外，采用太陽掩星模式可以去掉復雜的星載黑體定標源，使得光譜儀的設計更趨簡化。

光譜儀的工作原理見圖1所示，光譜儀建立對日定向關系，首先獲得沒有大氣吸收的太陽光譜輻射，如圖1左側的光線1，將此光線作為參考。當衛星運行到一定的位置，在日出時，如圖1中的光線2-4所示，光譜儀探測到了經過大氣吸收的太陽光譜數據，通過二者的差分比較，得出不同高度大氣中的化學成分的吸收光譜。圖1右還給出了不同高度的太陽吸收光譜曲線，結果顯示隨著高度的降低，大氣中各種氣體濃度增加，吸收路徑延長，大氣對太陽光譜吸收也更加強烈。由于不同氣體分子吸收產生不同波長的吸收光譜，通過光譜探測就可以實現不同氣體的成分和濃度探測。

1.2 組成

掩星光譜儀采用太陽跟蹤機構加干涉擺臂機構形式，組成見圖2所示。入射的太陽輻射先經分色器分光后，一路可見光到達跟蹤相機，為跟蹤控制器提供反饋圖像；另一路紅外輻射由輸入光學系統進入干涉儀，通過動鏡進行大光程差掃描，獲取目標光譜的干涉疊加光信號[2]，輸出光學系統將此信號匯聚到雙波段紅外探測器上，經過光電轉換后得到干涉圖，經處理后傳輸至衛星數傳系統，最后到達地面經過反演得到不同高度的各種氣體成分和濃度的空間分布。

1.3 太陽跟蹤系統

太陽跟蹤系統是光譜儀的核心模塊，由太陽跟蹤機構、分色器、跟蹤相機和跟蹤控制器組成，其主要功能是依靠跟蹤控制器對太陽跟蹤機構偏航、俯仰兩軸旋轉系統的驅動控制，實現光譜儀對太陽質心精確穩定的跟蹤。太陽跟蹤系統的工作模式分為粗跟蹤和精跟蹤兩種，粗跟蹤模式的工作流程為：在跟蹤初期，光譜儀實時獲取衛星提供的太陽方位矢量，通過解算獲得跟蹤指向鏡偏航角和俯仰角的兩軸轉動角度，向太陽跟蹤機構傳達驅動信息，完成對太陽的捕獲；精跟蹤的工作流程為：跟蹤相機提供精確的太陽圖像，跟蹤控制器根據接收的太陽圖像數據，實時求取太陽質心，完成對太陽的精確跟蹤。粗跟蹤模式是精跟蹤模式的基礎，只有順利捕捉到太陽，才能轉入精跟蹤模式；否則就會導致光譜儀在軌功能失效。所以光譜儀在跟蹤模式初期，獲得高準確度的太陽矢量信息是其在軌正常工作的基礎。

2 大氣折射對太陽矢量的影響

地球大氣是由包圍地球的多種氣體和懸浮其中的固體粒子或液體粒子組成的混合物[3]，由于受到地球引力作用，地面的大氣密度最大；高度越高，大氣密度越小，整個大氣層呈現上疏下密的狀態[4]。從太陽發出的光線穿經地球大氣層到達光譜儀時，由于大氣密度發生變化，會造成光線偏離先前傳輸方向，傳播路徑產生彎曲，這種現象稱為大氣折射。

由于大氣折射因素，光譜儀看到的太陽方向和沒有大氣折射的情況下是不同的，即光譜儀跟蹤機構觀測太陽的視方向偏離真實位置，觀測到的太陽視天頂角小于實際天頂角。如圖3所示，S是不考慮大氣折射的太陽矢量，定義OZS所在的平面為太陽主平面，則光譜儀、地球和太陽的質心都在主平面上。根據圖3所示，太陽矢量S將在主平面內向遠離Z軸的方向偏折角度Δ，此時新的太陽矢量方向為S方向。

Δ的大小是計算新太陽矢量的關鍵，然而精確計算Δ值是一個相當復雜、至今還沒有完全解決的問題。人們對大氣折射的研究已有400多年，現在采用的大氣折射模型，都為了方便計算做了某些近似，不論是基里金的天文大氣折射理論，還是普爾科沃大氣折射表，都假設大氣為理想的寧靜條件，大氣分布模型為球對稱分布。而實際上大氣折射除了隨大氣密度而變化以外，還與大氣溫度、大氣濕度、氣壓、光波波長、觀測的不同方位、地球緯度以及地球表面的地形有關，而這些參數都是瞬息萬變的。不少天文臺與天文學家進行了不懈的研究，一直沒有得到根本上改善，無法準確計算隨觀測地點和方位而異的大氣折射值[3]。其次，當太陽光垂直地面入射時，大氣折射影響較小，隨著天頂角的增大，越靠近地球邊緣，折射角變化越大，而目前針對光譜儀靠近地球邊緣入射的大氣折射計算偏差最大；且對于掩星觀測方式，會發生兩次大氣折射，計算更為復雜。再有，光譜儀觀測的是地球南極上空的大氣分布和濃度，目前大多數的大氣模型溫度、氣壓等參數都是針對中緯度或赤道地區的，極地大氣的參數較少。最后，光譜儀在每一軌進行粗跟蹤時的大氣折射值會受當時的溫度、氣壓等因素影響，是一個變化的值，無法在設計光譜儀時對太陽跟蹤角度進行一次性偏差矯正。針對上述理由，精確的計算出每軌的大氣折射值比較難于實現，因此需要采取措施排除大氣折射對光譜儀跟蹤角度帶來的影響。

1.2.2 一般訴訟流程

英租時期威海衛的民事訴訟一般流程包括以下內容：

1）訴訟當事人（一般為原告）前往司法官官邸或法庭將訴狀遞交給司法官，或將訴狀投入專門的訴狀箱內。（租借地內曾試行了一段時間的特許狀師制度，但后來由于操作性的原因狀師行當被完全取締）

2）訴狀提交后，司法官擇日開庭并傳喚各當事人到庭接受詢問。

3）法庭審判程序較為寬松，雙方當事人由于沒有律師的相助，往往在他們的親屬陪同下到庭并共同參與證據認定與法庭辯論等環節，司法官也并不如英國本土的法官“消極”等待陪審團認定事實，聽取律師辯論。相反，時常要承擔普及法律，充當雙方法律顧問，糾問案件實情等職能。

1.2.3 民事糾紛調節

威海衛租借地另一類重要的民事糾紛解決機制是民事調解制度。殖民當局保留了在基層中國原有之村董制，并以此為基礎建立總董制。日常民事糾紛由村董、總董及其他族內長老調解，且法庭通過專門下發“息訴憑單”賦予之法律效力，調解成功則據此為書面憑證而不得再興訴訟，再訴法院不予受理。調解制是中國傳統的糾紛解決機制，英國式司法體制借助村董、總董的力量與權威與之連結，進一步完善了英租威海衛的民事司法體制。

1.2.4 訴訟費用

英租威海衛政府收取的訴訟費用較為低廉，甚至存在近十年間不收分文訴訟費的情形。殖民政府似乎在傳達這樣一個訊息：鼓勵用法律手段解決日常糾紛。這對威海衛的穩定局面有極大的鞏固作用，人們甚至出現了“健訴”的訴訟心理，以至于后來政府不得不以收取較高費用為手段減少不必要的訴訟。

1.2.5 民事判決文書

英租時期的判決文件可稱是中西合璧的最好闡釋，一方面既繼受了英國法律判決形式不拘一格、散漫多變、好引經據典的內涵要式，另一方面則常常以道德經典、圣賢之帝的圣諭為所引之典，比較好地能讓民眾接受。

在一些寶貴的資料卷宗中，時常體現著當時的法官（常為行政長官）并不嚴格執行規定的具體訴訟環節，法庭中常常是雙方當事人拖家攜口各執一詞，場面激烈，而法官為確定案件事實間或親自策馬去案發地了解情況，之后快速判決，判決書中也常常引用道德教化格言或圣諭。同時法院審理效率極高，訴訟拖延極其難見，訴訟費用低廉，適應了當時商業發展要求快捷高效結案的趨勢。而最為關鍵的一點則在于威海衛地區社會變革“出人意料”地緩慢，立法與司法中存在的法律供求關系在三十年中始終處于相對均衡的狀態，“直到1930年中國政府收回威海衛時，租界內的男人還梳著辮子，女人還裹著小腳?！庇帽就练ㄖ瀑Y源之形而行英方所欲之內核，順民情，得民心，是英國殖民者在威海衛租借地治理得當的關鍵。

2 德國民訴制度在山東租借地的“本土化”進程

2.1 19世紀德國民事程序制度的傳承與發展

1862年的德國幾乎是集中當時舉國法學界所有的精英人物，花費15年之久制定了在世界民事訴訟法發展史上也可以稱為里程碑的近代民事訴訟法典——德國民事訴訟法。1877年，德意志帝國頒布《民事訴訟法》（簡稱CPO），而這部法典歷經帝國時期、魏瑪共和國時期、納粹統治時期、二戰后的聯邦共和國時期，沿用至今。雖然經過多次（有時規模還很大）的修改，但仍是在原有的基礎上進行修改，并未將整個法律廢除，徹底更新。1877年《德國民事訴訟法》在德國民事訴訟法制史上具有繼往開來、承前啟后的作用。它主要蘊含著一下一些內涵：

2.1.1 司法機構法定統一

統一后的帝國用鐵腕手段將日耳曼民族推上資本主義發展的狂飆時代的同時，這部1877年《帝國民事訴訟法》也讓德國的大部分地區開始適用與其已經熟悉的民事訴訟法——有的已經適用了上百年——完全不同的民事訴訟法。通過國家集權的方式，德國民事訴訟制度不僅擺脫了傳統訴訟法令的羈絆，更是開現代訴訟法制之先河。

2.1.2 自由主義思潮下科學完備的證據制度與訴訟原則

以直接審理主義、程序與辯論的公開主義為核心的言辭主義被1877年德國訴訟法接受，這部法典同時逐步廢除了此前繁苛、易被操控的書面主義。此外，反專制制度在自由民主的呼聲下被接受，國家采取秘密行動（秘密羈押、拷問等）的權力被剝奪，“外行”組成的陪審團也參與到案件事實認定中。案件審理的公開透明，也使司法直接受新聞與社會的監督，“上層人士”的特權被壓縮至基本為零。更為重要的是這部法典確立的一系列如“作出判決的法官要據自己的體驗了解案情與參與人，而非通過已經被他人主觀化的轉述”、“裁判者不關心微不足道的法律不利”、集中審理主義、“你給我事實，我給你審判”等審判、管轄原則至今仍然為主流觀點所接受。

日后的膠澳地區在被德國租借期間各類糾紛接連不斷，據《青島開埠十七年—<膠澳發展備忘錄>全譯》一書的相關數據，膠澳德國皇家法院連續五年受理案件的數量都在一萬件以上，每位法官年平均受理案件三四千件，每天要處理十幾起案件。如此繁重的工作量，沒有一套科學合理的訴訟程序自然是無法完成的。而上述核心內容正是這套高效運作的訴訟制度的靈魂。

2.2 德租時期膠澳地區的民事訴訟制度簡介與比較分析

1898年，德國趁山東曹州“巨野教案”之機率先租借膠澳灣，至一戰結束被日本侵占前，此地一直為德國管轄。德國為將膠澳建成“樣板”殖民地供其他海外殖民地效仿，不僅向這個海濱城市投注了大量金錢與人力，更通過土地改革建立起一整套完善的法律體系與司法制度。據《中德膠澳租借條約》第三條規定，“德國所租之地，租期未完，中國不得治理，均歸德國管轄，以免兩國爭端?！睋?，德國獲得了在青島一系列的管轄權，司法管轄亦括在內。殖民者在膠澳租借地設置了一整套司法體制，針對德國等西方國家包括日本人設置了膠澳皇家法院，針對華人則設置了青島區公所和李村區公所，行政兼理司法。1898年《中德膠澳租借條約》簽署后，德意志帝國事實上獲得了對膠澳租借地司法的控制權，并在財政支出中追加了非經常性的開支，用于膠澳地區的司法建設，包括派出法官、設立法院等司法機構所需費用。由于德國政府的大力支持，膠澳租借地的司法框架很快搭建起來。

2.2.1 民事司法組織與司法人員

德國人登陸之初，即在膠澳灣地區設立了區公所這一極富殖民色彩的司法體制。與該制度所配合的是，膠澳總督在1898年5月即宣布膠澳境內“中國法律照舊施行，以治華人”。一份落款為1898年4月15日的文件顯示，租借區以內在青島李村兩處設立地方官署，專理華人詞訟。區公所的行政長官由德國人擔任，據1898年度的《膠澳發展備忘錄》所載，三名德國見習翻譯到達青島，首先完成語言訓練。他們同時審理華人的民事與刑事案件，職權近似于德國正式法庭和陪審法庭。行政長官在宣誓就職時，要發誓成為一名“妥善之地方官也”。此外，區公所在受理的案件上也有嚴格的限制，只能受理民事中訴訟標的額小的或者承擔刑事責任較輕的案件，其余則要歸膠澳皇家法院受理。民事訴訟中物產錢債則管至二百五十元，如果在二百五十元以上則要歸膠澳皇家法院受理。值得注意的是似乎德國人對如何在具體程序操作中治理遠東的這片土地基本達成了一項共識，“在許多事務上，法律要考慮當地的關系，因此只能在這里起草和征求意見，而不是在本國?！?/p>

2.2.2 一般訴訟流程

在德租膠澳灣地區的訴訟制度中非常明顯地被打上了其本國的1877年《帝國訴訟法》核心內核的烙印，膠澳皇家法院自不用多敘，但即使是在為華民而設的區公所，所體現的言辭主義也比較明顯。如除特殊情況下，當事人不得在訴訟過程中委托全權代表，須親自出庭應訴；審判結果公開，區公所的行政長官對于處以監禁三個月、笞責、罰金至五百元或單罰或連罰并可驅逐出境外，所處判決須向被告人公開宣告，讓被告人知悉判決。對于判決書要裝訂卷宗，并且把證人證詞等書面法律文件錄入卷宗；保障當事人不服判決時的上訴權，不過該項權利受行政長官的限制；民事訴訟中，對誣告者實行反坐，一般處以罰款或勞役。另外，所有涉及到可能罰款的案件都需要繳納“堂費”，即所謂的訴訟費，對于涉及到金錢的案件，原告須預交訴訟費，訴訟費按照所控數額的百分之二收取，但是膠澳皇家法院至少以十元為限，區公所以一元為限。由敗訴方承擔訴訟費用，其賠還原告并且區公所的行政長官有權減免當事人所應當繳納的訴訟費。

德意志帝國在膠澳灣地區成功地建立起了一套成功的“現代化”民事訴訟法制模式，反向而言即是使膠澳地區較為成功地接受了德意志本土民事訴訟制度，日耳曼人借鑒了他們自身繼受羅馬法的經驗，不急于清除當地的原有的法律制度與社會規范的同時，積極主動地探尋一種能順應當地商品經濟發展、適應同化華民的新的法律秩序，也通過社會政策抵消民眾對殖民行徑的反感，更主要的是由于德國對膠澳灣的高投入極大地刺激了當地經濟的發展，迫不及待地投身工商業發展的人們對訴訟程序高效的渴求甚至超過了公正本身，在商品經濟的大潮中傳統社會土崩瓦解，一套全新的法律體系需要與社會磨合的時間較少?？v然如此，德國殖民當局還是因其較為嚴厲的統治手腕，殘酷的殖民掠奪，對華人的歧視態度在歷史上留下了毀譽參半的名聲。殖民色彩濃厚的法律制度，勢必與歷史大潮相悖，縱然再“進步科學”，終究不能獲得真正的認可。

3 啟示與借鑒

英、德殖民當局清醒地意識到強行將外來的民事訴訟法律制度嫁接至傳統鄉土社會的結局必然是民眾作為或不作為的抵制，祖祖輩輩接受“禮治”思想的傳統中國國民并不在乎甚至不會察覺所謂“程序正義”，一個合理的、符合皇帝圣諭與道德倫常的判決對于他們而言即是滿意的結果。費孝通先生如此描繪道：生于斯、長于斯、死于斯的社會所信賴的是公認合式的行為規范，而維持“禮”這一行為規范的是社會所積累的經驗——傳統。德國與英國發覺這一關鍵后做出了不同的對策，雄心勃勃的德國人向膠澳灣投注了大量資金與人力后掀起當地資本主義經濟發展的狂潮，在商品經濟與雇傭勞動將傳統鄉土社會連同傳統行為規范沖擊得體無完膚后，推出一整套合理高效的訴訟體制，并將“西人”與華民分而治之，從而巧妙地用一次劇烈且全面的社會變革化解了當地居民對新的法律制度的抵觸。而資金、人力投入都相對較少的英租威海衛，治理殖民地經驗豐富英國人選擇了順應鄉土社會及其行為規范的方式，拾起中國的驚堂木與殺威棒，以村董制借助氏族長老的權威治理地方，在訴訟過程中重視調解，在判決中加入道德教化，在東西方之間保持著微妙的平衡，奠定了威海衛三十余年平穩安定的社會基調。從法律移植的宏觀維度層面觀察，二者殊途同歸。

本國（本土）的法律傳統與面臨的現代性轉向以雙向思維，即平等協商的方式達至一種微妙的平衡。概括而言，是用本國國民能夠接受的傳統方式表現現代的法治精神，當這種精神被完全領悟后再對之做出以現代形態的表達。這種循序漸進的方式成本低廉，產生的社會陣痛感相對較輕。一個有遠見并不斷發展的民族不會害怕社會變革。轉型期，新的經濟、政治、社會因素的涌現時常挑戰相對滯后的法律，若法律不因時而變，社會中機會型違法將與日俱增，傳統的道德因素也將受到質疑，這對一個民族的精神內核來說無疑是一種不可逆的破壞。然而若其他國家或地區也曾經受過類似的考驗，那么充分借鑒相關經驗則顯得尤為重要。但單純地制度移植不能解決根本問題，最初受到變革挑戰的國家并無先例可循，人類先輩的探索勢必是以其所處時空維度的社會土壤、文化元素為參考，借鑒并接受的僅僅是一種創造性思路。當然東西方法律傳統內均有的“為善”、“良知”、“人性”等概念則是構筑社會變革模型中的基礎共通性參數，但法律制度如何移植方才能不產生排異反應，關鍵就在于對本土法律資源的合理使用與激活。

【參考文獻】

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[4][德]余凱思，國家清史編纂委員會，編譯.在“模范殖民地”膠州灣的統治與抵抗[M].山東大學出版社，2005.

[5]青島市檔案館編.青島開埠十七年—《膠澳發展備忘錄》全譯.中國檔案出版社，2007.

[6]謀樂.青島全書（上卷）[M].青島印書局，1914.

注釋：

①張志超.徘徊于東西方之間：英租威海衛時期的法治[J].開放時代，2009（2）：40.

[責任編輯：王偉平]