天然卫星天体测量的CCD图像处理技术及应用研究

摘要

天然卫星的高精度天体测量能够改进行星及其卫星的轨道理论，对太阳系起源和行星物理的研究具有基础性的意义，天然卫星的高精度定位观测对空间探测也具有基础性和前瞻性的意义，如探月、Cassini-Huygens探测任务。天然卫星的高精度定位观测也是构建天文参考系、天文年历的基础。本文开发了若干CCD图像处理新技术并结合课题组过去十多年取得的前期成果和经验，成功研制了高精度CCD图像处理软件系统，并将其实际应用于天然卫星和小行星的观测资料处理中。主要研究工作如下：
　　1、应用了若干CCD图像处理新技术并成功研制了高精度软件处理系统
　　在以前开发的图像处理软件基础上加入了自动下载星表数据的功能。完善了图像星与星表星的匹配功能，能够实现1平方度范围内星的盲匹配。实现了批量裁剪、批量翻转图像、批量匹配、批量转换为16位图像等批量处理功能。实现了去除几何扭曲，计算目标的站心视位置等功能。软件的研制大大地提高了CCD图像处理的效率。
　　2、天然卫星Phoebe的高精度天体测量
　　我们将研制的软件成功用于天然卫星Phoebe(土卫九)的高精度位置测量中。在2011~2014年我们在云南天文台丽江2.4米望远镜上一共观测获得了346个Phoebe的高精度位置。我们从视场中导出了明显的几何扭曲并且去除了几何扭曲的影响。我们的结果表明，当采用美国Jet Propulsion Laboratory(简称JPL)行星历表DE431与法国Institude de Méchanique Céleste et de Calcul deséphémérides(简称IMCCE)卫星历表PH12作理论位置时，观测位置(O)与计算位置(C)，在赤径和赤纬方向的平均(O-C)分别为-0.02 arcsec（角秒或弧秒）和-0.07 arcsec，弥散在赤径和赤纬方向均为0.04 arcsec。我们发表的这批观测资料的精度比国际上同类资料精度提高了3~5倍。
　　3、天然卫星Triton的高精度天体测量
　　我们将研制的软件还成功用于天然卫星Triton(海卫一)的高精度位置测量中。2014年，我们在云南天文台1米望远镜一共观测获得了109个Triton的高精度位置。JPL历表和IMCCE历表分别被用于计算Triton的理论位置。研究发现IMCCE理论计算中存在问题：它的视位置计算采用的是IAU1976的岁差模型和IAU1980的章动模型，这些模型不能满足目前高精度观测资料的归算。我们的结果表明，当采用修改过的IMCCE历表作为理论位置计算时，在赤径和赤纬方向的平均(O-C)分别为0.016 arcsec和0.071 arcsec，弥散在赤径和赤纬方向分别为0.013 arcsec和0.011 arcsec。这一结果表明，采用最新国际理论和我们开发的图像处理技术，观测资料的精度比目前国际同行提高了4~10倍。
　　4、近地小行星Apophis的高精度天体测量
　　我们将研制的软件也成功用于近地小行星 Apophis的高精度位置测量中。在2013年，我们在云南天文台2.4米望远镜一共观测获得了298个近地小行星Apophis的高精度位置。我们对星表中参考星的位置误差和自行误差进行了改正，然后从经过偏差改正后的视场中导出几何扭曲模型并且去除几何扭曲。我们的结果表明，当采用 JPL193/DE431作为理论位置计算时，在赤径和赤纬方向的平均(O-C)分别为0.016 arcsec和0.034 arcsec，弥散在赤径和赤纬方向为0.041 arcsec和0.045 arcsec。与国际同行资料相比观测资料精度提高了3~10倍。

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1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 CCD图像处理技术

1.3 高精度天体测量软件的研制

1.4 天然卫星及小行星的高精度天体测量

1.5 本文的工作及内容安排

2 天然卫星天体测量的CCD图像处理技术及相关理论位置计算

2.1 CCD图像处理技术

2.2 FITS文件的预处理

2.3 CCD图像的定心算法

2.4 星象匹配算法

2.5 底片常数模型

2.6 干涉条纹处理

2.7 图像的几何扭曲

2.8 SOFA简介

2.9 天体测量位置相关概念

2.10 小结

3 高精度天体测量软件的研制

3.1 软件设计的总体流程

3.2 文件的操作

3.3 图像的编辑

3.4 图像的预处理

3.5 图像的处理

3.6 星象的位置计算

3.7 小结

4 土卫九(Phoebe)的高精度天体测量

4.1 土卫九的高精度测量

4.2 观测资料说明

4.3 资料归算

4.4 与国际同行的比较

4.5 结论

5 海卫一(Triton)的高精度天体测量

5.1 海卫一Triton介绍

5.2 观测资料说明

5.3 天体测量归算

5.4 误差分析

5.5 结论

6 近地小行星(Apophis)的高精度天体测量

6.1 近地小行星Apophis介绍

6.2 观测资料说明

6.3 星表偏差改正

6.4 资料归算

6.5 讨论

6.6 结论

7 结论与展望

7.1 本文的主要工作

7.2 工作展望

参考文献

在学期间发表论文清单

致谢