集成CCD和GPS数字天顶筒的恒星图像处理与精度验证

摘要

山东科技大学与中国科学院国家天文台合作研发的集成CCD和GPS数字天顶筒，根据天文大地测量和摄影测量的原理，可通过CCD恒星图像处理和GPS数据处理实现测站点天文坐标的实时观测。天文坐标系的基本方向铅垂线方向及其变化是地球内部质量分布及其变化的表现，是研究地球内部结构及其演化的基础科学数据，也是地质构造研究的基础。精确测量天文坐标对于天文学与地球科学交叉领域的相关研究与应用具有重要意义。
　　本文的主要研究内容与成果如下:
　　(1)运用Fortran实现了数字天顶筒拍摄的FITS格式的CCD恒星图像的自动读取和去噪。将其读取结果与MaxIm DL5软件进行对比，验证其正确性。通过对多种去噪方法的比较分析，发现3×3中值滤波法对CCD恒星图像的去噪效果更加理想，能够明显提高暗星的辨认率和图像的信噪比。
　　(2)实现了恒星区域自动搜索、能量中心确定、星表处理、恒星识别匹配等恒星图像处理步骤。运用区域生长算法进行恒星区域的自动搜索;运用修正二维矩方法计算恒星区域的能量中心的影像坐标。对Tycho-2星表进行读取，提取其中的有效信息，并建立恒星位置计算模型计算天顶区域恒星的位置。提出了一种星表截取方法，此方法分为两步，分别在观测前和观测中对星表进行截取，使得恒星识别匹配成功率明显提高，整个识别匹配过程用时少于0.3秒。运用四边形算法进行恒星识别匹配，并利用匹配成功的星对计算CCD恒星图像与天顶区域星表投影切平面的坐标转换模型。
　　(3)利用CCD恒星图像与天顶区域星表投影切平面的坐标转换模型迭代计算CCD光轴中心点的初始天文坐标，结合倾斜改正和极移改正计算测站点的精确天文坐标。再结合GPS测量数据解算出的测站点大地坐标，根据Helmert公式计算出测站点的精确垂线偏差。运用Fortran、C＃实现了整个CCD恒星图像处理与高精度天文坐标计算过程，最终将其封装成数据处理软件，使其单次观测数据计算过程控制在30s以内，单次观测精度在0.3″以内。
　　(4)根据对大量实验数据的处理与分析，检验了集成CCD和GPS数字天顶筒的天文坐标测量方法的内符合精度和外符合精度。通过在同一观测点上进行连续长时间的观测、布设观测网以及在不同特征点上进行观测的方式，验证了集成CCD和GPS数字天顶筒的天文坐标测量方法的组内标准差在观测条件良好的情况下绝大多数在0.3″以内，观测值中误差优于±0.15″，符合一等天文观测要求。通过将已知天文点观测值与已知值对比，发现天文纬度观测值与已知值差异均在±0.15

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容

1．4 本章小结

2 集成CCD和GPS的数字天顶筒

2．1 集成CCD和GPS数字天顶筒硬件结构

2．2 集成CCD和GPS数字天顶筒测量原理

2．3 集成CCD和GPS数字天项筒测量方法

2．4 本章小结

3 CCD恒星图像预处理

3．1 FITS格式CCD恒星图像读取

3．2 图像去噪方法

3．3 CCD恒星图像去噪方法效果比较与分析

3．4 本章小结

4 CCD恒星图像处理与天文坐标计算

4．1 恒星区域自动搜索与能量中心确定

4．2 星表处理

4．3 恒星识别匹配

4．4 测站点天文坐标计算

4．5 误差改正

4．6 本章小结

5 集成CCD和GPS数字天顶筒的天文坐标测量方法精度验证

5．1 内符合糟度验证

5．2 外符合精度验证

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间的主要成果

致谢

附录