多星等高法

多星等高法是同時測定時間（或天文經度）和天文緯度的方法。這種方法要求記錄一組恆星過某一固定等高圈（通常高度為60°或45°）的時刻，故稱為多星等高法。

基本介紹

• 中文名：多星等高法
• 外文名：multistar equal altitude method
• 記錄內容：一組恆星過某一固定等高圈的時刻
• 定義：同時測定天文經度和緯度的方法
• 等高圈：60°和45°兩種
• 儀器：稜鏡、光電等高儀和全能經緯儀等
• 別稱：等高方法

簡介

等高方法是測定地面一點的坐標位置和天體位置的方法。等高法是觀測在東、西兩方過同一等高圈的兩顆星，記錄它們過等高圈的時刻，即可求得測時或測緯結果。如果觀測記錄三顆以上恆星過等高圈的時刻，恆星在方位上的分布又合乎一定的條件，那就可以同時得到時間（經度）和緯度的結果，故也稱為多星等高法。直到20世紀初研製成功稜鏡等高儀，才在實用天文學中得到較好的套用。但在這種較簡單的等高儀中，每次觀測只能有一個記錄，偶然誤差很大，還有一些光學上的不足，使其套用受到很大限制。本世紀50年代，法國天文學家丹容在等高儀光路中引進了雙折射稜鏡和接觸測微器，突破了老式等高儀的局限，才受到極大重視。我國在70年代先後研製成功Ⅰ型和Ⅱ型光電等高儀；加大望遠鏡，提高了觀測星等；採用光電自動記錄：利用真空鏡筒，消除了大氣折射，取得很大成功。觀測精度高於國際上各種其它等高儀器。1991年，Ⅱ型光電等高儀套用了微機在線上工作和光子計數等更有效的記錄方法，實現了全自動化，觀測極限星等也提高到10等，繼續保持國際領先水平。

基本公式

多星等高法同時測定時間和緯度的基本公式是：，式中α，δ分別為被測星的赤經和赤緯，Z為等高圈的天頂距，T為星過等高圈的鐘面時，u和φ分別為鐘差和緯度。理論上只要求觀測3顆天頂距相等的星，就可解得三個未知量u，φ和Z。

實際工作中，為提高觀測精度，要求觀測一組均勻分布於四個象限內通過同一等高圈的星，記錄其過等高圈的時刻，用最小二乘法同時解出鐘差u、緯度φ和天頂距Z。多星等高法的等高圈有60°和45°兩種，多星等高法套用的等高圈是天頂距30°和45°。前者套用較廣泛。所用儀器有稜鏡等高儀、光電等高儀和全能經緯儀等。

為了取得最好的解算結果，一組恆星應儘可能均勻地分布在方位角0°～360°的範圍內。稜鏡等高儀是專門為多星等高法設計的儀器，有60°等高儀和45°等高儀兩種，前者的套用較為廣泛。稜鏡等高儀也可以由光學經緯儀加上稜鏡等附近構成。天文台採用的是超人差稜鏡等高儀。這種等高儀增加了對每顆恆星觀測的記錄次數，使觀測精度大為提高。近年來，中國把光電技術套用於多星等高觀測，製成了光電等高儀，使時間和緯度的觀測精度更加提高。

創始人

德國J.K.F.高斯於1808年，創立同時測定鐘差和地理緯度的多星等高法。只要觀測同一天頂距的一組赤緯、赤經已知的恆星，就可以用最小二乘法解出鐘差和緯度。此方法仍是天體測量學中測時測緯的重要方法。高斯所創用三次觀測確定小行星軌道的計算方法、太陽等高法、多星等高法、最小二乘法，以及在天體攝動理論、球面三角學和內插計算法方面的研究結果等，在天文學上獲得廣泛套用。定出了最早發現的2顆小行星的軌道。在天文光學和星曆表計算中也有重要貢獻。

多星等高法儀器簡介

稜鏡等高儀

稜鏡等高儀是記錄一組恆星相繼過45°或60°等高圈的時刻，以測定觀測點經緯度的現代天文儀器。由稜鏡、水銀盤和望遠鏡等組成。法國天文學家丹容（André Louis Danjon，1890—1967）改進後的超人差稜鏡等高儀人差小。

光電等高儀

光電等高儀是用光電方法自動記錄恆星（經度）、緯度和恆星位置的一種新型天文儀器。50年代中，巴黎天文台台長A.L.丹容（A.Danjon）發明了一種雙折射稜鏡測微器，套用它來改進經典稜鏡等高儀。這種新型儀器由法國精密光學儀器廠生產，被人稱為超人差稜鏡等高儀或丹容稜鏡等高儀。從此，一種結構較簡單、只有一個可繞垂線方向轉動的軸系、望遠鏡視線指向固定地平高度的儀器進入了精密天體測量儀器行列。世界上曾有許多天文台將它套用於地球自轉（包括垂線變化）的研究以及恆星天文參考架的改進等項工作。丹容稜鏡等高儀仍然存在不少缺點。如：觀測者勞動強度大，觀測精度和觀測極限星等的提高受到了很大的限制。1958年巴黎天文台的A.L.丹容和上海天文台的王綬琯等人分別提出將光電記錄方法用於稜鏡等高儀觀測的建議。然而俄國學者，中星儀的光電記錄方法的發明人H.H.巴甫洛夫（Н.Н，Павлов）卻認為那是一件非常困難的任務。

1963年，北京天文台李東明提出套用對稱視柵來記錄稜鏡等高儀中雙像的星過時刻，討論了相關的理論問題，取得了肯定結果。1968年在南京天文儀器廠成立了有北京天文台、上海天文台和天文儀器廠三方科技人員參加的光電稜鏡等高儀研製小組。該研製組於1971年研製成功一台樣機，稱之為Ⅰ型光電等高儀，隨後安裝於陝西天文台。以後又研製了三台Ⅱ型光電稜鏡等高儀，分別於1974年、1975年、1976年安裝於上海天文台、北京天文台和雲南天文台。光電等高儀的研製獲1978年全國科學大會重要成果獎。

在國外，法國光電等高儀和日本光電等高儀分別於1981年和1983年在各自的天文台投入工作。中國光電等高儀的儀器工作原理及結構和法國、日本的光電等高儀有明顯不同。中國的光電等高儀的主要特點是：①採用對稱視柵，由兩個光電倍增管同時記錄視場中的雙像。此方案可消除由於某種原因造成的儀器視線高度的不穩定性的影響；②觀測時，儀器在方位方向跟蹤恆星的周日運動，大大減少了天光背景的影響；③採用一組新穎的左右水平瞳孔的角鏡一水銀地平系統來獲得穩定的儀器工作天頂距；④採用真空鏡筒，減少鏡筒內反常折射，補償正常大氣折射和色散的影響。

胡寧生（天文儀器廠）對此儀器機構一光學結構方案的創造性設計，談志祥（上海天文台）對光電記錄方案出色設計，以及蔣德廣（北京天文台）在組織管理，包括部分關鍵工藝上的貢獻，使得這種儀器在投入工作以後，表現出了良好的品質和性能。上述四台儀器在70年代至80年代中為中國世界時的發展和成就，為國際上建立FK5參考架做出了重要貢獻。

中國光電等高儀原是半自動儀器：人工導星，光電觀測自動記錄。為了適應90年代天體測量事業發展的需要，80年代後期在紫金山天文台李東明領導下，開始對上述四台光電等高儀進行現代化改造。改造的總體思想是：①拆除龐大的目視導星系統和複雜的機械傳動跟蹤裝置，採用微機控制儀器的方位角和跟蹤恆星周日運動；②放棄原來光電記錄方法的模擬系統方案，採用光子計數技術。後者輸出與微機直接相連，最後利用數字處理技術進一步提高觀測量的信噪比。

陝西天文台王紅旗、徐家岩在Ⅰ型光電等高儀上首先完成了第1項工作，對順利地完成整個任務起了推動作用。北京天文台、上海天文台和雲南天文台的李頎、曾繁妙、王澤枝、趙剛等人出色地完成各天文台Ⅱ型光電等高儀的現代化改造。

90年代以來，改造後的各儀器實際運轉情況表明：只要是晴夜，這些儀器均能自動地通宵達旦地執行觀測任務。各儀器的觀測精度同以前一樣，但極限星等提高了4個星等。

中國光電等高儀為“中國世界時系統的建立和發展”（獲1982年國家自然科學獎二等獎）做出了貢獻。利用這種儀器的觀測資料產生的科研成果：“中國光電等高儀總星表的編制”獲1989年中國科學院自然科學一等獎。中國還有三台光電等高儀在堅持全晴夜的觀測工作。北京天文台的Ⅱ型光電等高儀於1992年應邀遷至阿根廷聖胡安天文台參加南天的國際合作觀測研究計畫，陝西天文台的Ⅰ型光電等高儀於1995年遷至俄國的伊爾庫次克市，開展兩國間的合作研究。雲南天文台的Ⅱ型光電等高儀在原址作時緯異常和地震關係以及恆星參考架的改進等項觀測研究。

全能經緯儀

經緯儀是測量工作中的主要測角儀器。由望遠鏡、水平度盤、豎直度盤、水準器、基座等組成。測量時，將經緯儀安置在三腳架上，用垂球或光學對點器將儀器中心對準地面測站點上，用水準器將儀器定平，用望遠鏡瞄準測量目標，用水平度盤和豎直度盤測定水平角和豎直角。按精度分為精密經緯儀和普通經緯儀；按讀數設備可分為光學經緯儀和游標經緯儀；按軸系構造分為複測經緯儀和方向經緯儀。此外，有可自動按編碼穿孔記錄度盤讀數的編碼度盤經緯儀；可連續自動瞄準空中目標的自動跟蹤經緯儀；利用陀螺定向原理迅速獨立測定地麵點方位的陀螺經緯儀和雷射經緯儀；具有經緯儀、子午儀和天頂儀三種作用的供天文觀測的全能經緯儀；將攝影機與經緯儀結合一起供地面攝影測量用的攝影經緯儀等。