天文选址的夜间云量处理方法

云量是影响天文台址质量最重要的因素之一,对夜间云量的检测和处理尤为重要.采用地面云量相机对全天云量进行监测,所拍摄的图像需要有效的方法进行处理以量化云量.夜间云量图像受月光的影响严重,因此将夜间的云量图像分为有月夜和无月夜两类进行处理.针对无月夜情况,给出了夜间云量的处理过程.对图像中的亮星进行定位和测光,确定星等差.以晴夜图像中亮星的星等差为参照,将星等差低于阈值条件的亮星概率作为晴夜的概率标准.选取了3类图像对该方法进行测试并确定云量,分析了阈值条件对结果的影响.最后,讨论了该方法的适用范围和不确定性.     

多星混合资料的定轨

在空间目标光学观测资料定轨中常常会遇到多个目标的观测被标记为同一个目标的情况,由于包含了多个目标的数据,定轨过程无法收敛或者完全错误.从极大似然估计角度,采用EM(Expectation Maximum)方法提出一种将轨道改进和识别过程相互融合的处理方法,并在具体实现过程中给出一种稳健估计方法.数值模拟表明方法简便、有效、可行.采用站间差历元差的手段,对当前电离层变化值进行求解与预测,可以将电离层延时误差的变化控制在一定范围,满足频率传递的要求.     

天文选址中的地理信息处理

地理信息是地面望远镜天文选址研究中的重要内容.尤其是对现有地理信息系统(Geographic Information System,GIS)的有效利用,已成为现代选址中远程分析阶段最重要的手段之一.天文址点的考虑在地理条件上应遵循以下原则:相对落差较大、交通可行、尽量远离人口集中的区域.从未来建站维护和人员长期驻站的角度考虑,天文址点以海拔处于3000～5000 m的范围、距离城镇大本营1 h左右车程为最佳.以云南省大姚县百草岭地区为选址研究对象,展示了GIS数据处理能够为全面了解一个候选区域3维地形地貌、江川河流、道路村落、电力分布以及预测该地区未来人口和城市化发展趋势等方面内容提供准确、直观、定量的参考数据.通过基于GIS数据的科学分析,发现海拔3 600多米的大百草岭山顶平坦而又干旱、周围人口稀少、道路便利、无工厂污染源,是地方政府重要自然保护区;它与直线距离10 km外的乡镇之间的相对落差超过了1 500 m,与50km外的县城的相对落差达到1 800 m,是滇中彝州坝区一座名副其实的孤峰.因此,GIS数据分析对于远程选址十分有益,GIS技术是现代天文选址不可或缺的重要手段.     

基于直接成像法的多星系统观测

系外行星直接成像探测能够获取系外行星更全面的物理信息,是未来搜寻系外生命的关键技术之一.针对近期地基望远镜高对比度成像观测数据,对新发现的多星候选体进行系统展示.前期,结合地基系外行星高对比度成像设备观测能力,从已发表文献整理的Gaia星表恒星数据中筛选,得到约1000个观测目标.这些目标分布于不同的年轻星团中.近期,使用Palomar天文台Hale望远镜对上述观测目标中的42个目标在K波段开展了高对比度成像观测.这些目标恒星在可见光波段为7.5-14.2019年经过两轮观测,发现了6个多星系统候选体,这些目标在Gaia Data Release 2星表和Gaia early Data Release 3星表中难以确认是单星还是多星系统.     

吉林天文观测基地光学观测环境及相关研究进展

地基光学天文望远镜是人类探索与研究宇宙的重要手段, 对已有地基光学台址的光学观测环境进行监测分析, 可以为后期设备针对性改造以及观测者调整观测策略提供参考依据, 对提升地基光学设备的观测效能具有重要的意义. 吉林天文观测基地(简称``基地'')隶属于中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站, 位于吉林省吉林市大绥河镇小绥河村南沟约5 km处(东经126.3^\circ, 北纬43.8^\circ, 海拔高度313m). 基地大气视宁度均值范围约为1.3$''$--1.4$''$、天顶附近V波段的天光背景亮度为20.64magcdotarcsec^-2、年晴夜数最高可达270余天, 具有良好的天文观测条件. 吉林天文观测基地于2016年投入运行, 现有1.2m光电望远镜、迷你光电阵列望远镜、大视场光电望远镜阵列、新型多功能阵列结构光电探测平台等多台(套)光电望远镜设备. 利用上述设备, 主要围绕空间目标探测与识别、精密轨道确定、光电探测新方法以及变源天体的多色测光等开展相关研究工作, 与多家国内高校及科研院所保持着良好的合作关系.     

基于SLR精密轨道的天文定位精度分析

利用全球卫星激光测距服务系统(ILRS,International Laser Ranging Service)标准点资料对Ajisai卫星进行精密定轨,残差均方根(RMS)优于3 cm,得到该星的精密轨道.进而对长春站40 cm空间碎片光电望远镜获得的Ajisai卫星的天文定位资料进行精度分析,外符合精度约3″左右.单独利用天文定位数据进行轨道改进,内符合精度优于3″.改进轨道的x、y、z坐标3分量在观测数据覆盖范围内的精度在100 m之内.同样地对Jason-1卫星作数据分析,结果和Ajisai卫星精度相当.分析各个弧段的精度变化,发现定标星个数减少,会导致天文定位精度下降.据此提出可以把最少定标星比例作为评定数据质量的参考指标之一.     

一种偏振定标单元方位角误差的约束非线性最小化优化定标方法

偏振定标单元(Polarization Calibration Unit, PCU)对于定标由偏振系统和天文望远镜产生的仪器偏振至关重要, 然而偏振定标单元 中偏振元件光轴的方位角误差是限制定标精度的主要因素之一. 为解决该问题, 提出了一种基于约束非线性最 小化优化的方位角误差定标方法, 该方法具有定标精度高、定标速度快的优点. 首先将偏振定标单元中的线性 偏振片和四分之一波片的光轴方位角误差设置为两个待优化的自由变量, 然后利用产生和测量的Stokes参数 以及偏振定标获得的响应矩阵定义优化目标函数, 最终使用约束非线性最小化优化方法来确定 两个偏振元件的方位角误差. 分别从理论模拟和实际测量两个方面对优化方法进行了验证, 实验结果表明, 该 优化方法能够成功获得上述两个方位角误差, 精度分别优于2.79$''$和2.72$''$. 此外, 从理论上 计算分析了不同方位角误差对各Stokes分量的影响情况. 该优化方法有望应用到我国太阳望远镜中偏振定标 装置的误差定标及研制之中.     

小倾角LEO多星天基平台光学跟踪GEO精密定轨

针对地基卫星测控系统(Tracking Telemetry and Command, TT&C)系统对地球静止轨道(Geostation-\lk ary Earth Orbit, GEO)卫星在空间和时间覆盖上的局限性, 提出小倾角低地球轨道(Low Earth Orbit, LEO)多星组网天基平台对GEO卫星进行跟踪定轨的方法. 根据空间环境和光学可视条件对仿真数据进行筛选以模拟真实的观测场景, 利用光学测角数据, 使用数值方法对GEO卫星的轨道进行确定. 结果与参考轨道进行重叠对比, 在平台轨道精度5 m、测量精度5rq\rq、 定轨弧长12 h的情况下, 两颗LEO卫星对GEO卫星进行跟踪定轨的精度可达到千米量级, 4颗LEO卫星对GEO目标进行跟踪定轨的精度可达到百米量级. 随着LEO组网卫星数量的增加, 定轨精度得到了较大的提高.     

修正的极大似然法拟合幂律频数分布

针对包含饱和样本数据的频数幂律分布拟合,提出一个新的幂律分布指数的极大似然估计方法的修正公式.对比研究显示,修正公式适用于剔除异常饱和值的幂律频数拟合.如果不剔除饱和值,幂律指数的估计只能使用修正前的公式,其误差随幂律指数变化,指数较小时误差较大.由此建议,对于包含饱和样本的频数分布拟合,首先剔除异常的饱和值,然后对剩余不含饱和值的子集使用修正公式进行参数估计.     

多任务Lasso回归法在恒星光谱物理参量估计中的应用

多任务学习方法在机器学习、计算机视觉、人工智能领域已得到广泛关注,利用任务间的相关性,将多个任务同时学习的效果优于每个任务单独学习的情况.采用多任务Lasso回归法(Multi-task Lasso Regression)用于恒星光谱物理参量的估计,不仅可以获取不同物理参量间的共同的特征信息,而且也可以很好地保留不同物理参量的特有的补充信息.使用恒星大气模拟模型合成光谱库ELODIE中的光谱数据和美国大型巡天项目Sloan发布的SDSS实测光谱数据进行实验,模型估算精度优于相关文献中的方法,特别是对重力加速度(lg g)和化学丰度([Fe/H])的估计.实验中通过改变光谱的分辨率,施加不同信噪比(SNR)的噪声,来说明模型的稳定性强.结果表明,模型精度受光谱分辨率和噪声的影响,但噪声对其影响更大,可见,多任务Lasso回归法不仅操作简便,稳定性强,而且也提高了模型的整体预测精度.     

利用统计方法判断中天观测数据的参考星表

中天观测数据在建立太阳系高精度行星历表时具有重要作用.在处理由JPL(Jet Propulsion Laboratory)以及IMCCE(Institut De Mecanique Celeste Et De Calcul Des Ephemerides)提供的中天数据时发现,有若干组数据的参考星表没有被明确指出。对于这些信息不完整的数据,无从改正数据由参考星表而引起的系统差。课题研究的主要目的是利用DE421历表确定存在缺陷的这类观测数据的参考星表。通过DE421给出行星在GCRS(Geocentric Celestial Reference System)中的相应位置,并把此位置转换到参考假定的参考星表时行星的理论视位置。通过引入的两个统计量分析原始数据与理论位置的差异显著性,检验假定的数据参考星表是否恰当.结果显示,此方法能够有效区分数据的参考星表,能够确定信息不完整的数据组缺少的参考星表。最后,所有中天数据被转换到GCRS坐标系,以便在历表研制中使用。     

一种初轨计算的稳健方法

光学测角资料的初轨计算在空间目标搜索发现中具有重要作用,当观测资料存在野值时,基于最小二乘的经典初轨计算方法不够稳健.采用最小一乘方法建立了一种初轨计算的稳健方法,方法将初轨计算问题转换为线性规划问题求解,并通过bootstrap方法给出估计精度.数值计算结果表明方法稳健有效,并具有较高的崩溃点.     

Preliminary Exploration of Orbit Determination Method by Means of Space-based Angle Measurement Data

The determination of the orbit of a target satellite by means of observed angle measurement data has a very important applicative value. In order to solve this problem, an optimization mathematic model labelled STSM is first constructed. Next is given the necessary numerical procedure of finding the initial values by polynomial fitting of the angle measurement data. Thirdly, the properties of STSM are analyzed in detail, from which the basic method for solving the optimization problem is found. Finally, the above-mentioned method is applied to a large number of simulation calculations and a preliminary analysis of the results is made. The calculated results show that for a given accuracy and density of data, it is feasible to determine the orbital elements of the target satellite by using space-based angle measurement data according to the procedure given.     

A Robust Method of Preliminary Orbit Determination

The preliminary orbit determination with optical angular measure- ments plays an important role in the survey of space objects. The classical method of orbit computation based on the least square error estimation is not robust while outliers occur in the observation. A robust method is proposed by employing the least absolute deviation estimation. The method reduces the problem of orbit determination to a linear programming problem, and gives the variance of the estimation with the bootstrap method. Numerical check shows that the method is effective and robust, and has a high breakdown point.