骊山观测站数字天顶望远镜的初步观测结果分析

刘娜，高玉平，蔡宏兵，张鹏飞，王平利，李琳

骊山观测站数字天顶望远镜的初步观测结果分析

刘娜1,2,3，高玉平1,2,3，蔡宏兵1,2，张鹏飞1,2,3，王平利1,2,3，李琳1,2,3

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049）

数字天顶望远镜（DZT）是一种新型的光学测量装置，测站大气扰动的影响是主要的误差源之一。通过骊山观测站上两台仪器的并址观测避免了观测环境差异的影响，对仪器的初步观测结果进行了分析。同步观测试验结果表明两台仪器的一致性较好，当测站观测环境较理想时DZT单次观测精度纬度方向为0.16″，经度方向为0.18″；纬度及经度方向20 min一组的单组观测标准差为0.05″~0.06″;两仪器观测UT0组间标准差分别为3.8 ms和3.5 ms。

数字天顶望远镜；天文经纬度；世界时；误差分析

0 引言

世界时（universal time，UT1）是中国科学院国家国家授时中心时间服务内容之一。国家授时中心拟采用数字天顶望远镜（digital zenith telescope，DZT）开展世界时的测量。DZT是应国家授时中心的应用需求由国家天文台研制的天文光学测量装置，仪器设计参考传统照相天顶筒（photographic zenith tube，PZT）的观测原理，通过观测天顶附近的恒星实现地方恒星时（或天文经纬度）的测量。DZT采用CCD（charge coupled device）技术，以高精度倾斜仪与平面镜代替水银盘，利用GPS时间信号控制曝光时间、标定曝光历元，实现了自动观测，消除人仪差的影响[1]，提高了观测精度。同时采用天文照相较差测量代替观测固定星组，最快34 s可完成一个单次观测，大大提高了观测效率。与传统光学仪器相同的是，仪器误差及观测环境的影响是制约观测精度提高的主要因素。

本文介绍了数字天顶望远镜的观测原理，观测系统组成及观测过程，利用两台仪器并址、同步观测数据，采用分组处理，对比分析方法，避免了观测环境差异的影响，对数字天顶望远镜的初步观测结果进行了分析。

1 数字天顶望远镜观测原理

式（3）中，，可由观测的UTC时刻结合IERS发布的参数计算，因此已知UT1可根据式（1）、（2）解算测站纬度及经度坐标。

多台站观测UT1的过程中，对测站在纬度方向与经度方向可建立如下观测方程：

对比式（5）可得世界时UT1与UT0之间的关系：

1.1 观测系统组成与观测过程

DZT自动观测系统由上位机、控制箱、望远镜组成，其中望远镜主要由镜筒及精密转台组成[4]，系统构成如图2所示。其中控制箱读取DZT的状态并控制望远镜工作，同时上位机与控制箱通过串口进行通讯，实时控制望远镜工作，可进行仪器调平、旋转、观测等操作。

转身观测过程中由倾斜仪与2个置平电机组成高精度置平系统，可快速将仪器水平状态调整至2″以内；置平后由GPS时间信号控制CCD快门进行曝光，系统自动记录曝光时刻、倾斜仪读数及CCD图像；再由定位电机驱动望远镜进行180°转身，转身后读取倾斜读数，若倾斜仪相对测量结果在2″以内则重复上述观测与数据采集过程，若超过2″则由精置平系统进行水平调整然后观测，至此0°和180°位的两幅CCD底片、曝光时刻、相对倾斜测量结果构成1个单次观测，为了提高观测效率，采用180°—180°—0°—0°的观测模式，观测过程如图3所示。实际观测中，由于DZT的视场较小云层遮挡易使拍摄的底片上无星或观测星数过少而无法解算，加之观测环境、数据处理等因素的影响，解算获取的观测值个数要小于相机拍摄的图像对数，观测值会出现中断、不连续的情况。本文中的单次观测数是指经数据解算获得的观测值的个数。

图2 数字天顶望远镜观测系统组成

图3 数字天顶望远镜观测流程

1.2 主要误差源

DZT为地面光学测地仪器，通过夜晚观测恒星实现铅垂线在天球背景中的方向测量，其特殊的180°转身观测消除仪器准直差、倾斜仪零点差的影响。除此之外，影响观测精度的因素有仪器误差、星表位置及自行误差、数据处理过程中的误差以及观测环境的影响。其中仪器误差主要有：仪器旋转平台及轴系误差，CCD相机与高精度倾斜仪安装方位角误差，系统时延、倾斜仪测量误差等；数据处理过程中的误差主要是星像量度误差；此外观测环境中温度、气压、风[5]、光等因素的变化，不仅会对大气视宁度、天光背景产生影响，使星像产生闪烁、抖动，降低CCD拍摄底片的星像质量[6-8]，还会引起仪器误差改变[9-10]，如振动影响高精度电子倾斜仪观测精度[11]，温度变化会影响望远镜的焦距。

2 试观测与数据处理

DZT的误差源中观测环境的影响不仅与测站环境有关还和观测时段有关。星表位置误差[12]也与测站纬度、观测时段（DZT为非跟踪观测，一天内观测时间不同，所观测的赤经区不同）有关。因此并址、同步观测，对观测数据分组处理，能够避免上述两项误差对观测结果一致性分析的影响。

2.1 观测地点、仪器

为了避免环境差异及星表误差的影响，2017年夏季在骊山测站（原陕西天文台子午环观测室，纬度34.356 186 1°，经度109.206 909 2°）进行了并址观测实验。观测室内有固建于同一观测基墩的4个80 cm见方的小型观测基墩，仪器DZT-I、DZT-II分别安装在南北向相距约1.5 m的两个基墩上，由观测位置引起的纬度差约0.05″。观测所用两台仪器均为折射式天顶望远镜，望远镜口径200 mm，其中DZT-I安装CCD为ALTA F9000，视场约1.3°，DZT-II安装 CCD为ALTA U9，视场约1.73°，由此会引起两台仪器单次观测星数的差异。两仪器CCD快门时延均已校准，观测中同时开机预热，同步观测。

2.2 数据处理

由数字天顶望远镜的观测原理可知，已知ERP参数可实现测站经纬度坐标的测量，已知测站坐标单台站可解算世界时的初值UT0，具体解算方法如下。

2.2.1 经纬度解算

为了分析观测过程中两台仪器观测精度的变化，以20 min为窗口进行滑动平均，20 min内单次观测值相对于组内观测平均值的均方差为该组单次观测精度，如图5中散点所示。

2.2.2 UT0解算

3 观测结果与分析

3.1 一致性分析

两台仪器观测的一致性不仅受到仪器误差的影响、还受观测环境的影响。图4所示为DZT-I、DZT-II纬度及经度观测一致性及观测的平均单次观测星数，可见DZT-I每晚的平均单次观测星数明显小于DZT-II。经度方向观测值的一致性与平均单次观测星数相关性较大，当DZT-I平均单次观测星数明显少于50颗时，两台仪器经度方向观测的一致性变差。其中经度观测值差异较大的6月1日、6月16日、6月26日以及7月20日，观测值一致性分别为0.11″、0.12″、0.09″以及0.09″，对应的DZT-1平均单次观测星数分别为34颗、43颗、42颗与48颗，远小于同期DZT-II的平均单次观测星数95颗、122颗、122颗与130颗，也低于其8晚平均单次观测星数53颗。当DZT-I单次平均观测星数达到50颗以上时，如7月9日（58颗），7月11日（68颗），7月19日（84颗）两仪器经度一致性分别为0.06″，0.02″，0.03″。数字天顶望远镜测定经纬度坐标是由CCD底片上拍摄星像的图像位置与利用星表计算的参考星的视位置进行匹配，建立底片模型经内插解算得到，因此底片上拍摄星像的个数及分布会影响观测精度，DZT-I在6月1日、6月16日、6月26日以及7月20日平均单次观测星数偏少是影响两台仪器观测一致性的一项重要因素。

表1 DZT-I、DZT-II同步观测结果（扣除基墩位置差异的影响）

图4 DZT-I、DZT-II观测一致性与平均单次观测星数

表2 DZT-I、DZT-II 7月9日观测星数均大于50颗，连续同步观测结果（扣除基墩位置差异的影响）

3.2 误差分析

并址观测的公共误差源中星表位置误差为系统误差，引起观测结果的变化，但不会使组内单次观测精度（限本文中所规定单次观测相对组均值的标准差）出现大的波动；而观测环境的影响比较复杂，如大气视宁度的变化，影响CCD拍摄底片的星像质量，使随机误差增大。温度和气压的变化，当温度及气压梯度在东西方向变化时主要对经度方向产生影响，在南北方向变化时主要对纬度方向产生影响[16-17]。

3.3 单次观测精度分析

3.4 单组观测精度分析

图7 UT0解算结果

4 结论

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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

刘娜, 高玉平, 蔡宏兵, 等. 骊山观测站数字天顶望远镜的初步观测结果分析[J]. 时间频率学报, 2021, 44(1): 33-44.

2020-04-25；

2020-06-19

国家自然科学基金资助项目（91736207）；中国科学院国家授时中心“青年创新人才”资助项目（国授发字〔2017〕48号）；科技大数据湖北省重点实验室开放基金资助项目（20KF011015）