一种用于测量UT1的方法

一种用于测量ut1的方法
技术领域
1.本发明涉及一种时间测量方法，属于天体测量学技术领域。

背景技术：

2.ut1是地球自转角定义的时间量，是地球定向参数(earth orientation parameters，eop)的一部分，同时也是我国国家授时中心短波授时系统中一项重要的发播内容。地球定向参数(eop)表示地球自转速率和自转轴的空间指向及其变化，是联系地心天球参考系(geocentric celestial reference system，gcrs)和国际地球参考系(international terrestrial reference system，itrs)的一项重要转换参数，由于地球自转速率受到潮汐、海洋、大气等因素的影响，使其变化速率不均匀，ut1参数无法通过模型进行长期高精度的预测，只能通过观测来获得。ut1数据服务是天体测量、大地测量、卫星导航定轨等领域所必须的基础服务。
3.目前，测量ut1的方式主要有卫星/月球激光测距(satellite/lunar laser ranging，slr/llr)、甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry，vlbi)、全球导航卫星系统(global navigation satellite system，gnss)以及数字天顶望远镜测量获取ut1参数。论文“基于多台站数字天顶筒的ut1测量系统”描述了ut1测量原理，通过测量得到测站的地方平恒星时，然后根据格林尼治平恒星时与测站的经度从而换算得到世界时ut1。
4.无论是基于无线电测量方式的gps、vlbi和slr/llr技术还是基于光学测量的数字天顶望远镜(也叫数字天顶筒)测量ut1的方法都是以utc为参考，测量ut1与utc的差值(ut1-utc)，标记为dut1，利用dut1对utc时间修正得到ut1，即ut1＝utc+dut1。目前utc时间的维持是由各国合作机构提供的原子时进行处理得到的，如果在特殊情况下不能得到utc时，就无法通过上述方法对ut1进行测量。

技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种ut1测量方法，在已知天文经、纬度的观测基墩上安装数字天顶望远镜观测恒星，根据天文定位原理解算得到测站的天文经、纬度，并与已知的天文经、纬度比较计算测站原子钟时间与ut1时间的偏差，调整原子钟输出时间，得到ut1时间信号。在非常时期(无法得到utc时)测量得到ut1，以满足应用需要。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
7.步骤一，在观测站坐标λ0、φ0已知的观测基墩上架设数字天顶望远镜；
8.步骤二，根据本地钟钟面时间为可驾驭原子钟设定一个初始时间值ut1r；利用数字天顶望远镜进行恒星ccd图像采集，提取星像和定心，并与工作星表中的恒星进行星像匹配，得到天顶点的坐标；根据观测瞬间数字天顶望远镜的倾斜改正值和相应历元的极移改正值，对天顶点的坐标改正后得到测站天顶点的天文经、纬度λ、
9.步骤三，解算得到的观测站天文经纬度λ、与观测站已知的坐标λ0、存在差值，
差值包括极移的影响和测站原子钟初始ut1r的不准确影响；
10.对于只有一个观测站的情况，通过构建极移的预测模型来消除极移部分的影响，再求取设定测站钟时间的初始值ut1r与ut1时间的差值dt，通过原子钟控制系统驾驭调整原子钟的输出时间，此时，测站原子钟输出时间即为ut1；
11.对于观测站数目大于两个的情况，利用观测站观测得到的天文纬度，采用最小二乘求解极移值，消除极移对于测站坐标的影响，再求取设定的测站钟时间初始值ut1r与真实ut1的差值dt，通过原子钟控制系统驾驭调整原子钟的输出时间，此时，测站原子钟输出时间即ut1；
12.步骤四，继续观测求解测站坐标并与已知测站坐标进行对比，检查世界时ut1的准确性，若ut1求解不准确，重复步骤三再次求解差值dt，利用原子钟控制系统驾驭测站原子钟时间，进而输出ut1。
13.所述的步骤二对于只有一个观测站的情况，通过极移预测模型得到的相应历元的极移改正值；对于观测站数目大于两个的情况，通过最小二乘解算得到的相应历元的极移改正值。
14.所述的步骤三求取设定测站钟时间的初始值ut1r与ut1时间的差值dt，
[0015][0016][0017]
本发明的有益效果是：
[0018]
(1)本发明仅需外接一台可驾驭原子钟获取每张像片的拍摄时刻，不再依赖于gnss接收机提供的utc时间。
[0019]
(2)已知观测站在协议地球坐标系中的坐标，观测得到观测站的坐标，能够快速确定测站原子钟时间与ut1时间的差值，根据差值利用原子钟控制系统驾驭调整测站原子钟时间，使原子钟输出ut1时间，以满足在非常时期(无法得到utc时)的应用需求。
[0020]
(3)目前测量世界时ut1方法主要以vlbi、gnss和数字天顶望远镜为主，vlbi要求使用大口径的射电天线，并需组织协调多测站联合观测，且数据量大需要专门的数据传输系统进行测站的相关处理，观测结果具有滞后性。gnss测量由于卫星轨道的升交点赤经与ut1及测站经度再同一求解项，只能获得日长lod(length of day,lod)，无法获取ut1。数字天顶望远镜设备结构简单，易于建设、抗电磁干扰能力强，可快速获取测量结果。但上述测量的结果都是以ut1-utc的形式表示，为了获取ut1必须已知utc。本发明提出的测量世界时的方法不再依赖于utc，通过测量直接得到ut1，且测站原子钟经驾驭之后，可持续输出ut1时间。
[0021]
(4)本发明在现有数字天顶望远镜观测设备的基础上，外接一个测站原子钟和原子钟控制系统，在特殊时刻只需要在已知测站坐标的站点上架设仪器进行天文观测，即可快速获取ut1，设备结构简单，流动观测，通过观测可得到实时的测量结果。
附图说明
[0022]
图1是本发明的测量世界时ut1测量方法装置组成图；
[0023]
图2是本发明的世界时ut1测量方法数据处理流程图。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0025]
如图1所示，本发明所需的设备包括数字天顶望远镜、天文观测数据处理系统、可驾驭原子钟、原子钟控制系统和观测基墩，以测站原子钟时间为参考，利用安装在天文经、纬度已知的基墩上的数字天顶望远镜观测恒星，并依据天文定位原理解算测站的天文经、纬度，与已知的天文经、纬度比较，计算测站钟时间与ut1的相对偏差，据此调整原子钟的输出时间，实现ut1时间信号的产生。
[0026]
所述的数字天顶望远镜用于观测恒星，获取测站天顶方向的恒星星象；
[0027]
所述的测站原子钟用于为数字天顶望远镜观测提供参考时刻，同时经原子钟控制系统驾驭后输出ut1时间；
[0028]
所述的天文观测数据处理系统的作用是处理数字天顶望远镜拍摄天顶方向的恒星星图，并利用得到的恒星在像平面坐标系下的位置与由参考星表计算的参考星视位置，利用天文定位算法得到观测瞬间测站的天文经、纬度，并与已知的天文经、纬比较计算测站钟时间与ut1时间的相对偏差；
[0029]
所述的原子钟控制系统的作用是根据数据处理系统计算得到的测站原子钟时间与ut1时间的相对偏差调整原子钟输出ut1时间；
[0030]
所述的观测基墩的作用是架设仪器并为观测提供位置基准。
[0031]
如图2所示，本发明包括以下步骤：
[0032]
步骤一：在测站坐标λ0，(对应图2中已知测站的已知天文经、纬度)已知的观测基墩上架设数字天顶望远镜；
[0033]
步骤二：在ut1未知或不能获取utc的情况下，在观测前通过查看本地钟钟面时间，得到一个初始时间作为可驾驭原子钟设定一个的初始时间值ut1r；利用数字天顶望远镜进行恒星ccd图像采集，提取星像、定心，并与国际天文联合会(international astronomical union，iau)发布的工作星表中的恒星进行星像匹配，得到天顶点的坐标，根据电子倾斜仪提供的观测瞬间的倾斜改正值和相应历元的极移改正值经改正后得到测站天顶点的天文经、纬度(对应图2中的在utc未知条件下的测站天文经纬、度)；
[0034]
步骤三：根据大地天文测量的原理，t观测历元i观测站的天文经纬度和协议地心参考系下的天文经纬度关系如下式(1)所示：
[0035][0036][0037]
式中：λ
i0
、为测站i在协议地心参考系下的天文坐标，λi(t)，为i测站在t观测历元下测量得到的天文经纬度，x
p
,y
p
为t观测历元对应的极移参数；
[0038]
在t观测历元下，观测得到的地方恒星时si(t)和对应的格林尼治恒星时sg之间的关系如下：
[0039]
sg＝si(t)-λi(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0040]
将公式(2)带入公式(1)中可得：
[0041]
[0042][0043]
式中：sg(ut10h)为世界时0时对应的格林尼治恒星时，k为世界时转换为恒星时的比例系数，k的取值为1.00273791，ut1(t)为t时刻对应的世界时。
[0044]
令ut1-ut1r＝dt，上式(3)变成：
[0045][0046][0047]
步骤四，由于观测站钟时间与世界时ut1时间存在偏差，解算得到的观测站天文经纬度λ、与观测站已知的坐标λ0、存在差值，差值包括两个方面：
①
极移的影响
②
测站原子钟初始ut1r的不准确；
[0048]
解决方法有两种：
[0049]
a：只有一个观测站的情况下，对于极移的影响部分可以通过构建极移的预测模型来求取极移部分的影响值，再求取设定测站钟时间的初始值ut1r与ut1时间的差值dt，通过原子钟控制系统驾驭调整原子钟的输出时间，此时，测站原子钟输出时间即为ut1。
[0050]
b：测站数目大于两个的情况下，利用测站观测得到的天文纬度利用最小二乘求解极移值，消除极移对于测站坐标影响的那部分，再求取设定的测站钟时间初始值ut1r与真实ut1的差值dt，通过原子钟控制系统驾驭调整原子钟的输出时间，此时，测站原子钟输出时间即ut1。
[0051]
步骤五：根据上述求解的差值dt，利用原子控制系统对测站原子钟时间驾驭输出正确ut1后，继续观测求解测站坐标并检查世界时ut1的准确性。若ut1求解不准确，按照上述求解差值dt的公式(5)再次求解差值，利用原子钟控制系统驾驭测站原子钟时间，进而输出ut1。
[0052]
所述天文观测数据解算流程如下：
[0053]
(1)ccd图像采集，提取星像，定心
[0054]
由于受到背景噪声、大气扰动等因素影响，ccd所拍摄的图像存在噪声，在星像提取之前对ccd拍摄的图像进行去噪处理，去噪之后进行星像提取，首先利用边缘检测算法提取星像的边缘，然后使用星点质心提取算法所拍摄拍摄恒星的质心。
[0055]
(2)星表选星，计算视位置
[0056]
星表是记录恒星各项信息的参数目录，刊载了恒星在某一参考历元的赤道坐标系的坐标位置信息，有的还包含每颗星的自行、视差、星等、光谱信息等。在天文观测中要确定天顶方向在观测时刻的坐标，而星表的位置是在某一参考历元下的位置，因此需要通过平移和旋转变化换算到观测时刻的位置。
[0057]
(3)星像匹配
[0058]
星像匹配是将ccd拍摄的星点与星表中星点进行匹配结合，利用天文定位原理得到观测时刻仪器天顶方向的天文经、纬度。
[0059]
(4)倾斜改正
[0060]
数字天顶筒观测是以铅垂线为基础的，但由于外界温度变化、电磁干扰等因素影响，仪器在观测过程中，仪器的旋转轴与水平轴难以保证严格正交，电子倾斜仪就是测量仪器在观测期间旋转轴相对于测站铅垂线的倾斜改正量，对观测结果进行倾斜改正。
[0061]
(5)计算测站天文经、纬度
[0062]
根据星图匹配的结果和倾斜改正值计算得到测站的天文经、纬度。
[0063]
(6)求解测站钟与ut1差值、驾驭测站钟输出ut1
[0064]
根据得到的天文经、纬度利用公式(4)求解测站钟时间与世界时ut1的差值dt，根据求取的差值dt，利用原子钟控制系统驾驭原子钟，输出世界时时间ut1，继续进行观测求解站点坐标检查世界时ut1的准确性。
[0065]
本发明的实施例包括以下步骤：
[0066]
步骤一，首先需要确定观测基墩在协议地球参考系下的坐标λ0，可利用传统测量方法利用经纬仪通过测量恒星的天顶距，并记录观测时刻时间求取钟差确定观测基墩在协议参考系下的天文经、纬度；然后在测站坐标λ0，已知的观测基墩上架设数字天顶望远镜；
[0067]
步骤二，在观测前通过查看本地钟钟面时间，得到一个初始时间作为可驾驭原子钟设定一个的初始时间值ut1r；利用数字天顶望远镜进行恒星ccd图像采集，提取星像和定心，并与国际天文联合会发布的工作星表中的恒星进行星像匹配，得到天顶点的坐标；
[0068]
步骤三，仪器观测过程中，由于受到外接温度变化、电磁干扰等因素的影响，仪器的旋转轴与水平轴难以严格正交，因此必须根据电子倾斜仪在观测瞬间提供的倾斜改正值对观测结果进行倾斜改正，得到改正后的测站天文经、纬度。
[0069]
步骤四，由于地球自转轴在地球体内位置的不断变化，使得地面点的位置也相应的发生变化，步骤三得到的结果是以地球瞬时自转轴和瞬时地极的天文经、纬度，国际地球参考系是一个协议坐标系，因此必须对观测结果进行极移改正，在只有一个测站情况时，通过极移预测模型得到的相应历元的极移改正值；多个测站式通过最小二乘解算得到的相应历元的极移改正值经改正后得到测站天顶点的天文经、纬度；
[0070]
步骤五，由于观测站钟时间与世界时ut1时间存在偏差，解算得到的观测站天文经纬度λ、与观测站已知的坐标λ0、存在差值，造成差值的原因是测站原子钟初始ut1r的不准确。
[0071]
令ut1-ut1r＝dt：
[0072][0073][0074]
通过上述公式求取设定测站钟时间的初始值ut1r与ut1时间的差值dt，通过原子钟控制系统驾驭调整原子钟的输出时间，此时，测站原子钟输出时间即为ut1；
[0075]
步骤六，继续观测求解测站坐标并与已知测站坐标进行对比，检查世界时ut1的准确性，若ut1求解不准确，按照上述求解差值dt的公式再次求解差值，利用原子钟控制系统驾驭测站原子钟时间，进而输出ut1。

技术特征：

1.一种用于测量ut1的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在观测站坐标λ0、φ0已知的观测基墩上架设数字天顶望远镜；步骤二，根据本地钟钟面时间为可驾驭原子钟设定一个初始时间值ut1
r
；利用数字天顶望远镜进行恒星ccd图像采集，提取星像和定心，并与工作星表中的恒星进行星像匹配，得到天顶点的坐标；根据观测瞬间数字天顶望远镜的倾斜改正值和相应历元的极移改正值，对天顶点的坐标改正后得到测站天顶点的天文经、纬度λ、步骤三，解算得到的观测站天文经纬度λ、与观测站已知的坐标λ0、存在差值，差值包括极移的影响和测站原子钟初始ut1
r
的不准确影响；对于只有一个观测站的情况，通过构建极移的预测模型来消除极移部分的影响，再求取设定测站钟时间的初始值ut1
r
与ut1时间的差值dt，通过原子钟控制系统驾驭调整原子钟的输出时间，此时，测站原子钟输出时间即为ut1；对于观测站数目大于两个的情况，利用观测站观测得到的天文纬度，采用最小二乘求解极移值，消除极移对于测站坐标的影响，再求取设定的测站钟时间初始值ut1
r
与真实ut1的差值dt，通过原子钟控制系统驾驭调整原子钟的输出时间，此时，测站原子钟输出时间即ut1；步骤四，继续观测求解测站坐标并与已知测站坐标进行对比，检查世界时ut1的准确性，若ut1求解不准确，重复步骤三再次求解差值dt，利用原子钟控制系统驾驭测站原子钟时间，进而输出ut1。2.根据权利要求1所述的用于测量ut1的方法，其特征在于，所述的步骤二对于只有一个观测站的情况，通过极移预测模型得到的相应历元的极移改正值；对于观测站数目大于两个的情况，通过最小二乘解算得到的相应历元的极移改正值。3.根据权利要求1所述的用于测量ut1的方法，其特征在于，所述的步骤三求取设定测站钟时间的初始值ut1
r
与ut1时间的差值dt，与ut1时间的差值dt，

技术总结

本发明提供了一种用于测量UT1的方法，在已知天文经、纬度的观测基墩上安装数字天顶望远镜观测恒星，根据天文定位原理解算得到测站的天文经、纬度，并与已知的天文经、纬度比较计算测站原子钟时间与UT1时间的偏差，调整原子钟输出时间，得到UT1时间信号。在非常时期(无法得到UTC时)测量得到UT1，以满足应用需要。本发明仅需外接一台可驾驭原子钟获取每张像片的拍摄时刻，不再依赖于GNSS接收机提供的UTC时间，在特殊时刻只需要在已知测站坐标的站点上架设仪器进行天文观测，即可快速获取UT1，设备结构简单，流动观测，通过观测可得到实时的测量结果。测量结果。测量结果。