驪山觀測站數字天頂望遠鏡的初步觀測結果分析

劉娜，高玉平，蔡宏兵，張鵬飛，王平利，李琳

驪山觀測站數字天頂望遠鏡的初步觀測結果分析

劉娜1,2,3，高玉平1,2,3，蔡宏兵1,2，張鵬飛1,2,3，王平利1,2,3，李琳1,2,3

（1. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學，北京 100049）

數字天頂望遠鏡（DZT）是一種新型的光學測量裝置，測站大氣擾動的影響是主要的誤差源之一。通過驪山觀測站上兩臺儀器的并址觀測避免了觀測環境差異的影響，對儀器的初步觀測結果進行了分析。同步觀測試驗結果表明兩臺儀器的一致性較好，當測站觀測環境較理想時DZT單次觀測精度緯度方向為0.16″，經度方向為0.18″；緯度及經度方向20 min一組的單組觀測標準差為0.05″~0.06″;兩儀器觀測UT0組間標準差分別為3.8 ms和3.5 ms。

數字天頂望遠鏡；天文經緯度；世界時；誤差分析

0 引言

世界時（universal time，UT1）是中國科學院國家國家授時中心時間服務內容之一。國家授時中心擬采用數字天頂望遠鏡（digital zenith telescope，DZT）開展世界時的測量。DZT是應國家授時中心的應用需求由國家天文臺研制的天文光學測量裝置，儀器設計參考傳統照相天頂筒（photographic zenith tube，PZT）的觀測原理，通過觀測天頂附近的恒星實現地方恒星時（或天文經緯度）的測量。DZT采用CCD（charge coupled device）技術，以高精度傾斜儀與平面鏡代替水銀盤，利用GPS時間信號控制曝光時間、標定曝光歷元，實現了自動觀測，消除人儀差的影響[1]，提高了觀測精度。同時采用天文照相較差測量代替觀測固定星組，最快34 s可完成一個單次觀測，大大提高了觀測效率。與傳統光學儀器相同的是，儀器誤差及觀測環境的影響是制約觀測精度提高的主要因素。

本文介紹了數字天頂望遠鏡的觀測原理，觀測系統組成及觀測過程，利用兩臺儀器并址、同步觀測數據，采用分組處理，對比分析方法，避免了觀測環境差異的影響，對數字天頂望遠鏡的初步觀測結果進行了分析。

1 數字天頂望遠鏡觀測原理

式（3）中，，可由觀測的UTC時刻結合IERS發布的參數計算，因此已知UT1可根據式（1）、（2）解算測站緯度及經度坐標。

多臺站觀測UT1的過程中，對測站在緯度方向與經度方向可建立如下觀測方程：

對比式（5）可得世界時UT1與UT0之間的關系：

1.1 觀測系統組成與觀測過程

DZT自動觀測系統由上位機、控制箱、望遠鏡組成，其中望遠鏡主要由鏡筒及精密轉臺組成[4]，系統構成如圖2所示。其中控制箱讀取DZT的狀態并控制望遠鏡工作，同時上位機與控制箱通過串口進行通訊，實時控制望遠鏡工作，可進行儀器調平、旋轉、觀測等操作。

轉身觀測過程中由傾斜儀與2個置平電機組成高精度置平系統，可快速將儀器水平狀態調整至2″以內；置平后由GPS時間信號控制CCD快門進行曝光，系統自動記錄曝光時刻、傾斜儀讀數及CCD圖像；再由定位電機驅動望遠鏡進行180°轉身，轉身后讀取傾斜讀數，若傾斜儀相對測量結果在2″以內則重復上述觀測與數據采集過程，若超過2″則由精置平系統進行水平調整然后觀測，至此0°和180°位的兩幅CCD底片、曝光時刻、相對傾斜測量結果構成1個單次觀測，為了提高觀測效率，采用180°—180°—0°—0°的觀測模式，觀測過程如圖3所示。實際觀測中，由于DZT的視場較小云層遮擋易使拍攝的底片上無星或觀測星數過少而無法解算，加之觀測環境、數據處理等因素的影響，解算獲取的觀測值個數要小于相機拍攝的圖像對數，觀測值會出現中斷、不連續的情況。本文中的單次觀測數是指經數據解算獲得的觀測值的個數。

圖2 數字天頂望遠鏡觀測系統組成

圖3 數字天頂望遠鏡觀測流程

1.2 主要誤差源

DZT為地面光學測地儀器，通過夜晚觀測恒星實現鉛垂線在天球背景中的方向測量，其特殊的180°轉身觀測消除儀器準直差、傾斜儀零點差的影響。除此之外，影響觀測精度的因素有儀器誤差、星表位置及自行誤差、數據處理過程中的誤差以及觀測環境的影響。其中儀器誤差主要有：儀器旋轉平臺及軸系誤差，CCD相機與高精度傾斜儀安裝方位角誤差，系統時延、傾斜儀測量誤差等；數據處理過程中的誤差主要是星像量度誤差；此外觀測環境中溫度、氣壓、風[5]、光等因素的變化，不僅會對大氣視寧度、天光背景產生影響，使星像產生閃爍、抖動，降低CCD拍攝底片的星像質量[6-8]，還會引起儀器誤差改變[9-10]，如振動影響高精度電子傾斜儀觀測精度[11]，溫度變化會影響望遠鏡的焦距。

2 試觀測與數據處理

DZT的誤差源中觀測環境的影響不僅與測站環境有關還和觀測時段有關。星表位置誤差[12]也與測站緯度、觀測時段（DZT為非跟蹤觀測，一天內觀測時間不同，所觀測的赤經區不同）有關。因此并址、同步觀測，對觀測數據分組處理，能夠避免上述兩項誤差對觀測結果一致性分析的影響。

2.1 觀測地點、儀器

為了避免環境差異及星表誤差的影響，2017年夏季在驪山測站（原陜西天文臺子午環觀測室，緯度34.356 186 1°，經度109.206 909 2°）進行了并址觀測實驗。觀測室內有固建于同一觀測基墩的4個80 cm見方的小型觀測基墩，儀器DZT-I、DZT-II分別安裝在南北向相距約1.5 m的兩個基墩上，由觀測位置引起的緯度差約0.05″。觀測所用兩臺儀器均為折射式天頂望遠鏡，望遠鏡口徑200 mm，其中DZT-I安裝CCD為ALTA F9000，視場約1.3°，DZT-II安裝 CCD為ALTA U9，視場約1.73°，由此會引起兩臺儀器單次觀測星數的差異。兩儀器CCD快門時延均已校準，觀測中同時開機預熱，同步觀測。

2.2 數據處理

由數字天頂望遠鏡的觀測原理可知，已知ERP參數可實現測站經緯度坐標的測量，已知測站坐標單臺站可解算世界時的初值UT0，具體解算方法如下。

2.2.1 經緯度解算

為了分析觀測過程中兩臺儀器觀測精度的變化，以20 min為窗口進行滑動平均，20 min內單次觀測值相對于組內觀測平均值的均方差為該組單次觀測精度，如圖5中散點所示。

2.2.2 UT0解算

3 觀測結果與分析

3.1 一致性分析

兩臺儀器觀測的一致性不僅受到儀器誤差的影響、還受觀測環境的影響。圖4所示為DZT-I、DZT-II緯度及經度觀測一致性及觀測的平均單次觀測星數，可見DZT-I每晚的平均單次觀測星數明顯小于DZT-II。經度方向觀測值的一致性與平均單次觀測星數相關性較大，當DZT-I平均單次觀測星數明顯少于50顆時，兩臺儀器經度方向觀測的一致性變差。其中經度觀測值差異較大的6月1日、6月16日、6月26日以及7月20日，觀測值一致性分別為0.11″、0.12″、0.09″以及0.09″，對應的DZT-1平均單次觀測星數分別為34顆、43顆、42顆與48顆，遠小于同期DZT-II的平均單次觀測星數95顆、122顆、122顆與130顆，也低于其8晚平均單次觀測星數53顆。當DZT-I單次平均觀測星數達到50顆以上時，如7月9日（58顆），7月11日（68顆），7月19日（84顆）兩儀器經度一致性分別為0.06″，0.02″，0.03″。數字天頂望遠鏡測定經緯度坐標是由CCD底片上拍攝星像的圖像位置與利用星表計算的參考星的視位置進行匹配，建立底片模型經內插解算得到，因此底片上拍攝星像的個數及分布會影響觀測精度，DZT-I在6月1日、6月16日、6月26日以及7月20日平均單次觀測星數偏少是影響兩臺儀器觀測一致性的一項重要因素。

表1 DZT-I、DZT-II同步觀測結果（扣除基墩位置差異的影響）

圖4 DZT-I、DZT-II觀測一致性與平均單次觀測星數

表2 DZT-I、DZT-II 7月9日觀測星數均大于50顆，連續同步觀測結果（扣除基墩位置差異的影響）

3.2 誤差分析

并址觀測的公共誤差源中星表位置誤差為系統誤差，引起觀測結果的變化，但不會使組內單次觀測精度（限本文中所規定單次觀測相對組均值的標準差）出現大的波動；而觀測環境的影響比較復雜，如大氣視寧度的變化，影響CCD拍攝底片的星像質量，使隨機誤差增大。溫度和氣壓的變化，當溫度及氣壓梯度在東西方向變化時主要對經度方向產生影響，在南北方向變化時主要對緯度方向產生影響[16-17]。

3.3 單次觀測精度分析

3.4 單組觀測精度分析

圖7 UT0解算結果

4 結論

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Preliminary observation results of digital zenith telescope at Li-Shan observatory

LIU Na1,2,3, GAO Yu-ping1,2,3, CAI Hong-bing1,2, ZHANG Peng-fei1,2,3,WANG Ping-li1,2,3, LI Lin1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Digital Zenith Telescope (DZT) is a new type of optical instrument. One of the main errors of DZT is the atmospheric turbulence at the observational station. In this paper, the effects of observation environments can be effectively cancelled by co-location observations of two instruments at the Li-Shan station. The performance of the two instruments are evaluated. The simultaneous observations of two instruments show good consistency. When the observation environment of the station is well, the standard deviation of the derived station position using one scan data is about 0.16″ in the latitude direction and 0.18″ in the longitude direction. Combining 20-min observations, yields precision of 0.05″ to 0.06″ for measurements of station’s latitude and longitude. The standard deviations of UT0 derived by the two instruments are 3.8 ms and 3.5 ms, respectively.

digital zenith telescope; astronomical latitude and longitude; universal time; error analysis

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-01-0033-12

劉娜, 高玉平, 蔡宏兵, 等. 驪山觀測站數字天頂望遠鏡的初步觀測結果分析[J]. 時間頻率學報, 2021, 44(1): 33-44.

2020-04-25；

2020-06-19

國家自然科學基金資助項目（91736207）；中國科學院國家授時中心“青年創新人才”資助項目（國授發字〔2017〕48號）；科技大數據湖北省重點實驗室開放基金資助項目（20KF011015）