Исследование методов обработки и программ наблюдений по способу равных высот тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.01 ВАК РФ

РГ8 ОД

■з М»Г( »лоо РОССИПСКЛЯ АКАДЕМИЯ НАУК О ГЛАВНАЯ АСТРОНОЛ1ИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи

ХАЛЯВИНА

Людмила Яковлевна

УДК 521.9-522.41522.98

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ И ПРОГРАМЛ1 НАБЛЮДЕНИЙ ПО СПОСОБУ РАВНЫХ ВЫСОТ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 01.03.01. - АСТРОМЕТРИЯ И НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

Работа выполнена в Полггвскон гравиметрической обсерватории Академии Наук Украины.

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент А. В. ГОЖИЙ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В. С. ГУБАНОВ, кандидат физико-математических наук В. А. НАУМОВ.

Ведущая организация: Восточно-Сибирский НИИ физико-технических и радиотехнических измерений.

Защита диссертации состоится « 1'Т » ^^Л 1993 г.

в час. мин. на заседании специализированного совета

(шифр К 002.92.01) в Главной астрономической обсерватории РАН по адресу: 196140, Санкт-Петербург, Пулково.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН. Автореферат разослан « » 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

Ю. А. НАГОВИЦЫН

- 3 -

Обчая характеристика работы.

актуальность теми.

Астрономические определения по способу равннх высот (СРВ) отличаются исключительной простотой геометрических принципов, на которых основаны этот способ и используекйе в нен инструменты. Актуальность исследований различиях аспектов наблвдений по СРВ определяется целесообразностью его применения при решении следующих научных задач астрометрии и геодинамики: переобрабстка на основе новых высокоточных каталогов, новый анализ и обобщение результатов длительных рядов регулярных наблвдений по СРВ; уточнение коордйиат и собственных двияений звезд; уточнение ориентации фундаментальной системы координат; установление связи нежду радиоиитерф-роиетрической я астроопткческой систеками определения ПВЗ; изучение временных изменений направления . силы тяжести, региональных и глобальных деформаций геоида; проверка геофизических гипотез о фигуре Земли и ее эволвцин.

Успех эффективного применения СРВ при решении большинства из

I

упомянутых задач зависит не только от совер«нств& и точности используемая в наблюдениях инструментов, от совершенства методов анализа рядов набюдений и их интерпретации, но и от полноты и объективности учета влияния различных погрешностей при выполнении первичной обработки наблюдений. С другой стоооны, качество выявления и корректность учета различных видов систематических погрешностей неразрывно связаны со структурой программ наблюдений, которая должна обеспечивать оптимальное'определение всех параметров модели, описывающей наблюдения на раинух высотах.

Исследования по этим двум направления« и составляют основное содержание нашей работы.

Основные цели работы: изучение нл моделях и на натсри&лах наблюдения по СРВ погрсяиосгей, пэрча<мчи< ум-'лаи, ¡прч^тра

высот наблюдаемых звезд (деформаций альмукантарата), и возмовнрх источников происхождения таких вогревностей; разработка методики выявления и учета отпеченных погрешностей в наблюдениях с приз-менной астролябией Данмона и последувцее ее применение для исследований ряда наблюдений, полученного с призиенной астролябией ОРЬ—21 в Полтаве в 1973-1984 гг.; исследование оптимальных условий наблюдений по СРВ и „ разработка оптимальных программ наблюдений.

Научная новизна работы заключается в следующем4

1. На моделях и на Фактическом материале наблюдений по СРВ изучена совокупность специфических погрешностей способа, объединенных под обвдм названием "деформации альмукантарата".

2. Получено вдактическое подтверждение необходимости систематического контроля за стабильностью альмукантарата на протяжении Бремени наблюдений группы звезд.

3. Предлсяен метод оценки и учета погрешностей процесса регистрации прохоидений звезд.

4. Выявлена основная причина аномального изменения средней иироты Полтава в 1980-81 гг.

5. Исследованы условия оптимальности наблюдений по СРВ. которые учитывают существование и необходимость исключения систематических погрешностей-типа деформаций альмукантарата.

6. Разработана структура оптимальных программ и составлены образцы оптимальных групп звезд для наблюдений на равных высотах..

Научная и практическая ценнпсть рдЬоти.

Выводы и рекомендации, сделанниь на основе проведенных исследоззний на моделях и при обработке. ряда наблюдений на пгиэменной ас 1рола0ии ь ¡¡олтавь. миг у г быть испильзиваны: для

улучшения результатов, определяемых из обработки и переобработки наблюдений по СРВ с различными целями; для контроля стабильности инструментальных систем, используотихся в наблюдениях по СРВ; при совершенствовании инструментов СРВ, в особенности иг систем регистрации; при организации наблюдений по СРВ для решения различных задач астрометрии и геодинамики и разработке программ для их реализации.

Автор виносит на защиту.

1. Результата исследований на моделях влияния иогреиносте.й. нарушавших условие равенства высот ■ наблюдаемых звезд, ня результаты, наблюдений по СРВ .

I. Результата исследований различиях видов деформаций альмукантарата на основе 0-летнего ряда наблюдений на астролябии в Полтаве.

3. Методику выявления и учета погрешностей процесса регистрации звездных прохоадений.

1. Объяснение причини аномального изменения средней иироты Полтавы, полученной,из наблюдений на астролябии в 1980-1901 гг.

0. Определение оптимальной структуры групп звезд для наблпдений но СРВ и оптимальные программа наблюдений по СРВ из составных Iрупп звезд, скомпонованные из четверок Каврайского, для Полтава н Благовещенска.

Апробация работ».

Основные результаты исследований докладывались на расширенном заседании по проблеме "Вращение Земли", посвященному подведению итогов участия советских обсерваторий в международном проекте MERIT (Кацивели, 1985); на П-й и II 1-й Орловских конференциях "Изучение Земли как планенты методами геофизики, геодезии и астрономии" (Полтава, 1986; Одесса, 1992); на II-м Всесоюзном

- б -

научно-техническим совещании "Проблемы разработки и использования астрокосмических средств ГСБЧ СССР" (Иенделеево, 1986); на 4? й научной конференции Латвийского госуниверситета (Рига, 1988); на Всесоюзном совещании по проблеме "Вращение Земли" (КигаЭ, 1990); на научной конференции "Вращение Земли и I еодинамика", посвященной 100-летию открытия чандлеровского колебания полюса (Пулково.1992).

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы (89 наименований). Объем работы - 158 страниц машинописного текста, включая 11 рисунков и 29 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложена ье цель и кратко описаны структура и содернанйе работы.

В первой главе диссертации: проведен обзор и выполнен <;щий анализ современных исследований погреиносгей наблюдений по СРВ. методов их выявления, изучения статистических свойств и учета влияния на результаты наблюдений; рассмотрены принципы математического моделирования влияния различных погрешностей на результаты наблюдений и принципы составления программ наблюдений. На основании этого анализа сделаны такие выводы: 1) к настоящему времени разработана теоретическая база для Создания более совер-венного алгоритма первичной обработки наблюдений по СРВ, нотЦ.М дает возмояность проводить оперативный анализ погрешностей наблюдений, выявлять факторы систематических влияний, моделировать влияние систематических погрешностей; 2) современные модели систематических погрешностей часто имеют формальный характер и не вскрывают физических причин, их появления; 3) для успешного

выявления систематических погрешностей необходимо максимально использовать получаемую в процессе наблюдений информацию, а такие получать дополнительную информация путем организации специальных наблюдений; 4) в современных групповых программах наблюдений по СРВ на призненной астролябии не учитывается внутренняя структура групп, хотя от нее существенно зависит качество наблюдений.

Во второй главе описаны результаты моделирования систематических погрешностей наблюдений, присущих СРВ, которые объедененн под названием "деформации альмукантарата", их влияния на определяемые параметры в зависимости от структуры наблюдаемой группы зрезд; описаны методы выделения этих погрёиностей, оценки их достоверности, интерпретации полученных результатов. Рассмотрены деформации двух типов: "статические", которые представляют систематические искаяения зенитных расстояний звезд, зависящие от азимута и сохраняющие свой вид на протяаении длительных периодов наблюдений, и "временные", которые характеризуют нестабильность альмукантарата наблюдений на протяяении двухчасового интервала наблюдений группы звезд.

В качестве источника статических деформаций рассмотрены отклонения постоянной скорости вращения мотора и погрешности установки в меридиане синусоидального механизма астролябии Даняона. Для этих случаев получены оценки исканений зенитных расстояний звезд в зависимости от азимута. Установлено, что нарувение скорости вращения мотора синусоидального механизма оказывает существенное влияние на определение времени, а наруиение его установки в меридиане - на широту. Отмечено, что возмоянссть частичного устранения погрешностей, возникающих из-за несовершенства синусоидального механизма астролябии, с помощью корректора скорости приводит к тому, что искаяения зенитных расстояний

авезд могут зависеть от яркости и цвета звезд, а также от индивидуальных особенностей зрения наблюдателя. Последнее означает, что.результаты определения как времени,, так и широты с помощью астролябии Данжона могут иметь личный характер.

Под "временными деформациями" понимаются прогрессивные асимметричные изменения зенитного радиуса альмукантарата, которые могут происходить на протяжении наблюдений группы звезд, вследствие чего наблюденный зенит будет перемечаться в окрестностях некоторого среднего положения, /¡ля выявления временных деформаций целесообразно использовать 6-параметрическую модель наблюдений, которая включает не только основные параметры - ли , ¿у, задающие положение среднего зенита в 1-м вертикале и меридиане, и лг зенитный радиус альмукантарата, но и параметры ¿и, лф, ¿г, характеризующие скорости изменений основных неизвестных.

Показало, что применение Б-параметрической модели лишь частично решает задачу учета нестабильности альмукантарата наблюдений. Для полного решения необходимо использовать дополнительную информацию, которую моано получить из наблюдений групп звезд, иие-вцнх особую структуру, или 8 результате анализа дайнах наблюдений с привлечением эталонных кривых изменений времени и широты.

Основные возможные причины временных деформаций - это неучитываемые изменения состояния инструмента и условий наблюдений на 2-часово* интервале наблюдений группы звезд. Основная причина, которая имитирует появление параметров а", д</ , ах - аномальное распределение по квадрантам и по горизонту > лучайних и систематических погрешностей наблюдений различного происхождения. К источникам, имитирующим систематическую часть величин ли и ¿У относятся статические деформации и погрешности координат звезд.

Кроме отмеченных, во второй главе сделаны и другие выводы: малые по величине и систематические по характеру скорости изменений основных параметров ¿и, лу.аг уверенно определяется из

наблюдений 2-часовых групп звезд на либом фоне чисто случайных, нормально распределенных па квадрантам и по горизонту погреинос-тей; при определении элементов 6-параыетрического альмукантарата существенное значение имеет пространственно-временное распределение звезд в группе, по наблюдениям которой проводятся эти определения, причем наиболее подходящими, устойчивыми к воздействию различных помех наблюдений являются группы с однородной внутренней структурой; при выполнении каталожных работ неучитываемые реальные изменения параметров альмукантарата систематического характера могут продуцировать фиктивные изменения погрешностей вида и л&л .

В третьей главе представлены результаты исследований шестилетнего ряда наблюдений (1979-1984 гг.) на призменной астролябии в Полтаве, цель которых - выявить в наблюдениях погревности типа деформаций альмукантарата. Сказанный ряд бил выбран не случайно, т.к. характеризовался аномальными особенностями, указывавшими на присутствие в нем погрешностей исследуемого типа. Такими особенностями били: значительные систематические разности определений широты для смежных групп, наблвдаемых в одну ночь (до 0.4"); значительная дисперсия некоторых участков широтного ряда, полученного в этот период ( в >0.15"), что свидетельствовало о наличии нестабильной систематической погрешности, время действия которой сопоставимо со времене5 наблюдений группы звезд; аномальное изменение средней широты (-0.25") в 1980-1981 гг.

Исследование статических деформаций позволило установичто в наблюдениях на астролябии 0Р1.-21 присутствует локальные деформации альмукантарата и степень этих деформаций для различных периодов исследуемого интервала существенно различна, Зто дало основание предполоаить, что изменения деформаций альмукантарата взаимосвязаны с изменениями инструментальной систем* по «кроте.

вызвавиими скачок средней широты в 1980-1981 гг. Удалось обнару-кить. что источником указанных изменений явились нарушения в работе синусоидального неханйзма й неконтролируемые изменения в системе регистрации.

Количественная.оценка искавений зенитных расстояний звезд, обусловленных влйяийем погрешностей процесса регистрации, была сделана по разработанной нами методике, основанной иа использовании информации о продолжительности регистрации звездных про-ховдений. Наибольших значений искакения достигали е близиериди-айнкх зонах (До 0.5").

Эстановлено, что именно погрешности процесса регистрации обуювили возникновение бо'льшей части аномального изменения средней широты в 1980*1381 гг., что подтвердилось при сравнительном анализе миротных рядов, полученных стандартным способом и с учетом погрешностей процесса регистрации.

Изучение вреяениах деформаций альмукантарата показало, что в наблвдениях иа астролябии в ПолГаве в 1979-1984 гг. они обна-руниваются довольно часто. Это проявилось в том, что в 70-807. вечерм хотя бн один из параметров ли, д<р, Д2, описывающих изкенения основных неизвестных, превышает уровень фона случайных погревностей.

Ряды параметров, характеризувдх нестабильность альмукантарата наблюдений, фактически представляют собой квазипериодические кривые со сравнительно устойчивой формой сезонного характера, что в наибольшей степени проявилось для кривой ду И).

Больвинству групп звезд присущи некоторые . преимущественные виды временных деформаций, что проявляется в существовании систематических компонент величин дй , и д* , которые сохраняют стабильность на протяжении 6-ти лет. Анализ различных возможных источников систематической части величин да и не выявил среди них доминирующего.

Статистический анализ взаимосвязи смещения зенита в меридиане Sip и параметра ду показал, что для значительного количества вечеров выполняется гипотеза "подвииного альмукантарата", что подтверидает необходимость систематического контроля за стабильностью полонения альмукантарата на протявении наблюдений группы звезд и учета изменения его параметров, если они значительны.

В конце третьей главы проведен сравнительный анализ виротных рядов, полученных стандартным способом и с учетом обнаруяенных погрешностей, который подтвердил улучвение результатов определения широты в систематическом отновении.

Четвертая глава посвящена: изучении зависимости качества определения параметров альмукантарата от внутренней структуры наблюдаемых групп звезд; разработке такой структуры групп звезд, которая обеспечивает оптимальное определение всех неизвестных 6-паранетрической модели; разработке рекомендаций пп составлении оптимальных программ наблюдений по СРВ и обосновании их применения при решении некоторых астрометрических задач.

Для исследования оптимальности программ мн использовали критерий D-опгиыальности, известный и широко применяемый в теории планирования регрессионных зкперйкентов.

На основании исследований, представленных в четвертой главе сделаны такие выводы.

В групповых программах наблюдений :ю СРВ, выполняемых на пунктах с широтой if>45°, попытка повысить точность определения поправок часов путем увеличения веса часовых звезд приводит к существенному и неравноценному сни*ению точности определения широты по сравнению с аналогичными величинами, полученными из наблюдёний оптимальных групп, составленных на основе классического принципа равенства вессвлии Aif, Чтобы обеспечить Оолее надежный контороль стабильности пара-

метров альмукантарата на протяжении наблюдений группы звезд и иметь возможность при необходимости исклвчить влияние временных деформаций альмукантарата по данным наблюдений отдельных групп звезд, программы наблюдений должны состоять из однородных групп, скомпонованных из элементарннх, независимых и оптимальных по составу сочетаний звезд, позволявших определить параметры альмукантарата за короткие промежутки времени. Наиболее подходящими элементарными сочетаниями звезд являютяся четверки Каврайского, состояние из двух пар звезд, наблюдаемых в двух взаимноперпенди-кулярнмх вертикалах.

Групповые программы наблюдений, состоящие из четверок Каврай-ског , наряду с оптимальностью для моделей нестационарного альмукантарата, обладают целик рядом положительных качеств й преимуществ по сравнению с" группами, не имеющими упорядоченной структуры: возможностью максимального использования наблюдательного материала; посийбнной информативностью, благодаря возноино-сти избирательно использовать информации о положении альмукантарата, полученную из обработки отдельных четверок; возможностью специальных исследований индивидуальных особенностей компонентов четверок и их'влияние на определяемые значения параметров ли и ¿у, что очень удобно использовав при проведении каталожных работ. ■ Для практического составления программ наблюдений, состоящих из четверок Каврайского, были определены условия, выполнение которых обеспечивает незначительность отклонений групп звезд от оптимальных. Опыт составления программ наблюдений из четверок показал, что при ограничении выбора звезд величиной 5.7п составление оптимальных программ является практически выполнимой задачей. Есть все основания полагать, что когда наблюдения ведутся на инструментах, для которых доступны наблюдения звезд," слабее 6,0'"', то оптимальность составных групп из четверок Каврайского ыо1но приблизить к идеальной.

В пятой главе описаны малоизвестный в кругу астрометристов алгоритм Чабымева-Немчинпва для решения системы уравнений по уетоду наименьших квадратов с переменным числом неизвестных, а гакяе метод медианной фильтрации для обнарумения и отбраковки грубых отскоков в наблюдениях по СРВ. Эти методы были применены нами при моделировании, обработке и анализе результатов наблюдений по СРВ. £дя удобства алгоритм Чебнаева-Немчинова представлен нами в матричной форме.

Практическое использование указанных методов позволило сделать такие выводы: при ренении по способу наименьших квадратов тех асуромётрических задач. в которых возникает погребность изменять число определяемых неизвестных по ходу ревения, целесообразно применение алгоритма '1ебк«ева-Немчинов&; метод медианной фильтрации'является одним из самых аффективных способов выявление и отбраковки грубых отскоков в рядах иаблвдений случайных величин и монет быть легко модифицирован при нарушении исходных условий, необходимых для использования стандартной процедуры медианной фильтраций.

В заклвчении обобщены основные выводи, полученныо в результате проведении х исследований.

Публикации,

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах автора.

1. Халявина Л,Я., Гоияй'М; Об использовали» полиномов Чебв-иева при обработке наблюдений звезд на равных высотах /У Твэисм докладов 11 Всесоюзного науч.-техн. совеванна "Проблемы разработки и использования астрокосмических средств государственной слунба ьремени я частоты СССР'.- М.. 1386.- С. 42-43.

2. Халявина Л.9. Некоторый результаты исследований изненявно-сти поправок вреиени, виротя и зенитного расстояния, определяемых из наблюдений на призйенной астролябии// Изучение Земли как планеты методами геофизики, геодезии и астронсмкй: Тр. II Орлов. коиф.- Киев: Наук. Дуика, 1998.- С. 211-213.

3. Халявина Л.Я., Гоашй Й.В, 0 внгоднейиих условиях наблюдений звезд на равных высотах // Йстрон. цирк. Н!51?.- 1997.- С. 6-6.

4. Халявине Л.9., Гокий О. Об одной способе обработки наблюдений звезд ка равных высотах // Кинематика и физика небес, тел. - 1380,- 4, N2.- С. 67-72.

5. Халявина Л.Я., Гогий й.Б. Моделирование влияния некоторых видов погрешностей на результаты наблюдений по способу ргчных высот // Там ее,- 1389.-^5, Н4. - С. 8-15.

6. Халявина П. Я., Гомй А.В., Кислица Е. Оптимальный выбор звезд для наблюдений по способу равных высот // Там «е.- N5.-С. 28-31.

7. Халявина Л.Я., КИслица Е.Н. Опыт составления оптимальных программ для наблюдений по способу равных высот //В сб. Вращение и деформаций Земли.- К.: Наук, думка, 1992,- С. 34-39.

8. Халязийа Л.Я. О возможных причинах аномальных изменений средней вир о ты по данным наблюдений на призиенно!: астролябии в Полтаве в 1980-1981 гг.- Киев, 1992.- Руч. деп. ВМИТИ.- N1358-ВЭ2.- 13 с.

В работах, выполненных в соаторстве с Гович (1.В., ему принадлежит постановка задачи и обцее научное руководство. При вкпоне-ния работ Кислица Е.К, принимала участие в практическом

составлении программ' наблюдений, состоящих из четверок Наврайс-когс, для Полтавы и Благовещенска,

Подггисено к пвчртр 1£.(Е.?3 г, ?зкез По. Т'лгрг г.

Фсрг.'РТ бугаг* Г0хР4 7АС. СгЧ-1г 0,75 печ.л. Б^г.^гтгс.

ТП"сгге'чя }'ШО УВД. ПС;:;гт-е, .гл.