本文摘要：摘要:通過自動尋星進行天文測量前需要概略定向�；诘卮哦ㄏ蚋咝�、可靠的測量特點，提出在天文觀測前利用地磁測量快速獲得概略方位的方法。研究了地磁定向的使用條件，介紹了利用TCM￣XB三軸羅盤定向的基本原理，測試了磁傳感器的磁定向精度，進行了磁傳感
摘要:通過自動尋星進行天文測量前需要概略定向。基于地磁定向高效、可靠的測量特點，提出在天文觀測前利用地磁測量快速獲得概略方位的方法。研究了地磁定向的使用條件，介紹了利用TCM￣XB三軸羅盤定向的基本原理，測試了磁傳感器的磁定向精度，進行了磁傳感器與天文測量儀器實驗平臺組合設(shè)計�；诘卮排c經(jīng)緯儀的組合實驗測試表明，在不同方向磁傳感器定向最大互差約為1°，其固定方向定向內(nèi)符合優(yōu)于0.1°，可以滿足基于視頻全站儀/經(jīng)緯儀的天文測量系統(tǒng)概略尋星要求。
關(guān)鍵詞:自動尋星;概略定向;地磁測量;傳感器校正;平臺設(shè)計
天文方向論文投稿刊物：《天文研究與技術(shù)》主要內(nèi)容：主要刊登天文學(xué)及相關(guān)學(xué)科的觀測研究、實測技術(shù)和方法、專題述評等方面的學(xué)術(shù)論文、以及有關(guān)天文新發(fā)現(xiàn)的研究快訊。讀者對象：1、從事天文學(xué)及相關(guān)學(xué)科研究和教學(xué)的科學(xué)研究人員、專業(yè)工作者。2、物理、數(shù)學(xué)、天文等專業(yè)大專院校師生及天文愛好者。獲獎情況：1992年獲云南省第一屆科技期刊內(nèi)容質(zhì)量獎、1996年獲云南省第二屆科技期刊編輯質(zhì)量獎.
定向通常是指確定空間兩點組成的幾何矢量在指定坐標(biāo)系的方向[1￣2]，概略定向是天文測量自動尋星的前提。當(dāng)前，在北半球進行天文觀測時，通過觀測北極星實現(xiàn)天文測量前概略定向[3]。中緯度地區(qū)觀測高度角相對適中，且北極星的亮度相對較高，易于觀測。然而，利用北極星概略定向有一定的局限。北半球高緯度地區(qū)北極星所在高度角較高，不利于天文定向觀測;低緯度地區(qū)或南半球，北極星容易被障礙物遮擋或地平坐標(biāo)較低無法觀測[4￣6]。更重要的問題是，該方法依賴人眼照準，限制了系統(tǒng)整體自動化水平。
利用地磁測量可以實現(xiàn)快速定向，且不依賴于人眼觀測。地磁定向是確定儀器指向與磁北夾角的過程。其基本原理是通過磁傳感器獲得地磁場在傳感器軸上的感應(yīng)量，當(dāng)磁場方向與傳感器夾角不相同時，其在傳感器軸上的磁分量也不相同，由該特點便可以求得儀器任意姿態(tài)下的磁方位信息[7]。地磁場是地球的固有物理場，具有全天時、全天候和全地域的特點。利用地磁場確定方向有著悠久的歷史[8￣9]，可被用于航天器或者艦船的定向。依靠傳統(tǒng)羅盤進行定向的精度不高，無法滿足高精度定向的測量精度需求。新型磁傳感器與測量技術(shù)的出現(xiàn)，使得高精度地磁定向已經(jīng)成為可能[10]。針對以上事實和需要，文中提出了基于地磁測量的無源自主定向方法。利用地磁測量簡便、高效和性能可靠的特點[11￣12]，以TCM￣XB三軸羅盤和TM5100A經(jīng)緯儀為實驗平臺，論述了磁定向在天文測量概略定向中應(yīng)用方法;通過實驗對磁定向測角的穩(wěn)定性和精確性進行了測試，分析了該方法概略定向的可行性。
1基本原理
1.1三軸羅盤定向原理
TCM￣XB模塊為傾角補償數(shù)字羅盤，能夠提供工業(yè)最高級別精度。在全范圍標(biāo)定下，傾斜小于65°時，方位角精度可以達到0.3°。目前，TCM是將三軸磁傳感、三軸傾斜傳感以及指南針結(jié)合的最小的模組。
1.2概略定向基本過程
將地磁定向應(yīng)用于天文測量需要獲得兩儀器相對方位關(guān)系。將磁羅盤固連在TM5100A經(jīng)緯儀上方，在某測站任意方向觀測，可得兩儀器的地平方位關(guān)系。
2地磁與天文組合實驗
實驗包括如下3個步驟。步驟1對磁方位角穩(wěn)定性進行分析。實驗裝置包括TCM￣XB三軸羅盤、便攜式計算機及數(shù)據(jù)傳輸線。將其靜止安放在實驗臺上某測點，在無外部磁性物體干擾的情況下，將筆記本與磁羅盤連接并連續(xù)接收地磁數(shù)據(jù)。每10s測取1個磁方位角值，在測點連續(xù)接收24h地磁數(shù)據(jù)。根據(jù)磁方位角的變化特點，分析磁定向的穩(wěn)定性。步驟2然后是磁羅盤軸受經(jīng)緯儀軸影響進行測試。由于某位置的磁場在周圍存在磁性物體時會發(fā)生變化。對儀器進行加裝時，為盡量保證設(shè)備整體的小型化和穩(wěn)定性，兩者固連的距離不易過遠，因此經(jīng)緯儀的金屬部件會對磁場產(chǎn)生干擾。
且經(jīng)緯儀工作狀態(tài)下會產(chǎn)生電流，進而形成磁場。根據(jù)三軸磁羅盤與經(jīng)緯儀組合實現(xiàn)定向的相關(guān)原理，在進行磁方位測量時，必須考慮兩者對測磁的影響。實驗裝置在第1部分的基礎(chǔ)上加入TM5100A經(jīng)緯儀。實驗具體過程如下:1)無干擾磁方位測量:磁羅盤周圍不放置經(jīng)緯儀，打開地磁測量軟件連續(xù)接收約30s的地磁數(shù)據(jù)并計算磁方位角，然后停止接收。2)有干擾磁方位測量:地磁數(shù)據(jù)接收過程同上，不同的是在接收數(shù)據(jù)的同時，將經(jīng)緯儀開機，并分別在距離磁羅盤10、20、30、40、50以及60cm的周圍移動。步驟3對儀器安裝角度進行標(biāo)定。
根據(jù)不同距離處經(jīng)緯儀對測磁影響情況，使用連接桿(非磁性)將磁傳感器固連在經(jīng)緯儀上方約61cm處，磁傳感器外接筆記本用于接收地磁數(shù)據(jù);再將經(jīng)緯儀安裝到三腳架上，完成測量設(shè)備的安裝。觀測方法如下:將儀器旋轉(zhuǎn)至任一方向為起始，以經(jīng)緯儀水平度盤讀數(shù)10°為間隔，按照順時針方向依次在0°~360°的范圍內(nèi)連續(xù)接收地磁數(shù)據(jù)。每次接收數(shù)據(jù)時間為2min，記錄經(jīng)緯儀水平度盤讀數(shù)并計算磁方位角。
2.1靜態(tài)磁方位角穩(wěn)定性分析
分析磁羅盤測定磁方位角的穩(wěn)定性是利用地磁快速定向的重要一步�？紤]磁場隨時間的輕微變化、傳感器精度等問題，利用磁羅盤獲取的磁方位角是隨著時間變化的量。如果得到的結(jié)果隨時間變化的幅度較大，說明其穩(wěn)定性較差。相應(yīng)地，需要花費相對更多時間獲得更多的觀測數(shù)據(jù)，以便求得更可靠的結(jié)果。連續(xù)測量地磁數(shù)據(jù)。實驗測試的結(jié)果顯示，連續(xù)觀測數(shù)據(jù)的均值為318.99°，標(biāo)準差為0.08°，最大互差為0.5°，其中方位角變化范圍在318.8°~319.1°的觀測量占99.15%。由此可以看出，該三軸羅盤方位角測量有相對較好的內(nèi)符合精度。24h的觀測結(jié)果，其方位角在均值上下波動，無明顯隨時間漂移情況;測角結(jié)果較為穩(wěn)定，能夠有效地保證連續(xù)定向結(jié)果的精確性。
2.2磁羅盤受經(jīng)緯儀影響測試
為了使磁羅盤工作受經(jīng)緯儀的影響達到最小，需要尋找兩者固連的最佳相對位置。對比無經(jīng)緯儀干擾和有經(jīng)緯儀在不同距離且任意方位下干擾時，磁方位角的變化情況。一方面，將經(jīng)緯儀在磁羅盤周圍連續(xù)移動一周，距離不同時，對測磁的影響不同。磁羅盤不受經(jīng)緯儀影響時，30s的磁方位觀測結(jié)果即可使標(biāo)準差達到0.09°;在兩者相距10cm時，磁方位的互差最大可以達到5.5°，標(biāo)準差達到1.09°。隨著兩者距離的增加，磁方位的標(biāo)準差和最大互差都逐漸減小，當(dāng)兩者相距60cm時，標(biāo)準差達到0.13°，最大互差達到0.6°。
另一方面，經(jīng)緯儀在磁羅盤一周不同距離下的任意方向連續(xù)移動，在兩者相距60cm時，磁方位角波動無顯著凸起。這說明將三軸磁羅盤與經(jīng)緯儀固連在一定距離，且無需限制兩者相對方位關(guān)系，可以實現(xiàn)天文測2.3儀器安裝角度標(biāo)定在實際應(yīng)用中，概略方位的獲取可以在水平面任意方向由磁方位轉(zhuǎn)換到真方位，所以需要測試在不同方向上磁方位的準確性。由于經(jīng)緯儀TM5100A測角精度為角秒級，磁羅盤定向精度為角分級，在任意方向上磁方位讀數(shù)和經(jīng)緯儀方位角讀數(shù)的差值變化主要來自于測磁的不準確。
該差值的變化使得磁羅盤軸與望遠鏡軸夾角的標(biāo)定出現(xiàn)誤差。如何有效地標(biāo)定該差值，是提高概略定向準確度的重要內(nèi)容值得一提的是，在實際地磁概略定向過程中，即使因地磁定向的不準確使任意磁方位處概略定向結(jié)果偏離準確值的差值約為0.5°，對于1.5°視場角的徠卡經(jīng)緯儀/全站儀，仍可以保證天體出現(xiàn)在望遠鏡視場中，進而天文觀測。
3結(jié)論
以TCM￣XB三軸羅盤和TM5100A經(jīng)緯儀為實驗平臺，提出使用地磁實現(xiàn)快速定向代替?zhèn)鹘y(tǒng)北極星概略定向。根據(jù)TCM￣XB模塊的工作環(huán)境要求，研究了兩種測量儀器組合實現(xiàn)快速定向的可行性;并給出了實驗驗證方案和數(shù)據(jù)分析。實驗結(jié)果表明以下4點結(jié)論。
1)TCM￣XB三軸羅盤進行磁方位測量具有較高的穩(wěn)定性。靜態(tài)測量實驗顯示，無磁性物體動態(tài)干擾羅盤周圍磁場時，其24h方位角輸出的標(biāo)準差為0.08°。
2)TCM￣XB三軸羅盤與經(jīng)緯儀/全站儀平臺結(jié)合完成磁定向具有較高的可行性。在磁羅盤固定于試驗臺情況下，經(jīng)緯儀距離其在約60cm時，磁方位測量基本不受經(jīng)緯儀影響。
3)TCM￣XB三軸羅盤磁定向準確性可以滿足天文測量概略尋星要求。磁模塊定向在一周各方向上的定向結(jié)果最大互差約為1°，對于視場角為1.5°的經(jīng)緯儀/全站儀，可以滿足在地磁概略定向下，自動尋星使天體出現(xiàn)在視場中。
4)地磁快速定向應(yīng)用于天文測量前概略定向可以進一步提高測量系統(tǒng)的自動化能力。其代替人眼照準北極星定向，可以減少測量過程中對作業(yè)員的依賴性。值得說明的是，基于視頻全站儀實現(xiàn)的天文觀測，無需人眼對待測恒星進行連續(xù)跟蹤測量，極大提高了小型化天文測量的自動化水平。然而，利用視頻測量技術(shù)自動跟星拍照的前提是人眼觀測北極星概略定向，若將地磁定向技術(shù)應(yīng)用到天文測量系統(tǒng)，其自動化水平將進一步提高。
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