本文摘要：摘要:通过自动寻星进行天文测量前需要概略定向。基于地磁定向高效、可靠的测量特点，提出在天文观测前利用地磁测量快速获得概略方位的方法。研究了地磁定向的使用条件，介绍了利用TCM￣XB三轴罗盘定向的基本原理，测试了磁传感器的磁定向精度，进行了磁传感
摘要:通过自动寻星进行天文测量前需要概略定向。基于地磁定向高效、可靠的测量特点，提出在天文观测前利用地磁测量快速获得概略方位的方法。研究了地磁定向的使用条件，介绍了利用TCM￣XB三轴罗盘定向的基本原理，测试了磁传感器的磁定向精度，进行了磁传感器与天文测量仪器实验平台组合设计。基于地磁与经纬仪的组合实验测试表明，在不同方向磁传感器定向最大互差约为1°，其固定方向定向内符合优于0.1°，可以满足基于视频全站仪/经纬仪的天文测量系统概略寻星要求。
关键词:自动寻星;概略定向;地磁测量;传感器校正;平台设计
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定向通常是指确定空间两点组成的几何矢量在指定坐标系的方向[1￣2]，概略定向是天文测量自动寻星的前提。当前，在北半球进行天文观测时，通过观测北极星实现天文测量前概略定向[3]。中纬度地区观测高度角相对适中，且北极星的亮度相对较高，易于观测。然而，利用北极星概略定向有一定的局限。北半球高纬度地区北极星所在高度角较高，不利于天文定向观测;低纬度地区或南半球，北极星容易被障碍物遮挡或地平坐标较低无法观测[4￣6]。更重要的问题是，该方法依赖人眼照准，限制了系统整体自动化水平。
利用地磁测量可以实现快速定向，且不依赖于人眼观测。地磁定向是确定仪器指向与磁北夹角的过程。其基本原理是通过磁传感器获得地磁场在传感器轴上的感应量，当磁场方向与传感器夹角不相同时，其在传感器轴上的磁分量也不相同，由该特点便可以求得仪器任意姿态下的磁方位信息[7]。地磁场是地球的固有物理场，具有全天时、全天候和全地域的特点。利用地磁场确定方向有着悠久的历史[8￣9]，可被用于航天器或者舰船的定向。依靠传统罗盘进行定向的精度不高，无法满足高精度定向的测量精度需求。新型磁传感器与测量技术的出现，使得高精度地磁定向已经成为可能[10]。针对以上事实和需要，文中提出了基于地磁测量的无源自主定向方法。利用地磁测量简便、高效和性能可靠的特点[11￣12]，以TCM￣XB三轴罗盘和TM5100A经纬仪为实验平台，论述了磁定向在天文测量概略定向中应用方法;通过实验对磁定向测角的稳定性和精确性进行了测试，分析了该方法概略定向的可行性。
1基本原理
1.1三轴罗盘定向原理
TCM￣XB模块为倾角补偿数字罗盘，能够提供工业最高级别精度。在全范围标定下，倾斜小于65°时，方位角精度可以达到0.3°。目前，TCM是将三轴磁传感、三轴倾斜传感以及指南针结合的最小的模组。
1.2概略定向基本过程
将地磁定向应用于天文测量需要获得两仪器相对方位关系。将磁罗盘固连在TM5100A经纬仪上方，在某测站任意方向观测，可得两仪器的地平方位关系。
2地磁与天文组合实验
实验包括如下3个步骤。步骤1对磁方位角稳定性进行分析。实验装置包括TCM￣XB三轴罗盘、便携式计算机及数据传输线。将其静止安放在实验台上某测点，在无外部磁性物体干扰的情况下，将笔记本与磁罗盘连接并连续接收地磁数据。每10s测取1个磁方位角值，在测点连续接收24h地磁数据。根据磁方位角的变化特点，分析磁定向的稳定性。步骤2然后是磁罗盘轴受经纬仪轴影响进行测试。由于某位置的磁场在周围存在磁性物体时会发生变化。对仪器进行加装时，为尽量保证设备整体的小型化和稳定性，两者固连的距离不易过远，因此经纬仪的金属部件会对磁场产生干扰。
且经纬仪工作状态下会产生电流，进而形成磁场。根据三轴磁罗盘与经纬仪组合实现定向的相关原理，在进行磁方位测量时，必须考虑两者对测磁的影响。实验装置在第1部分的基础上加入TM5100A经纬仪。实验具体过程如下:1)无干扰磁方位测量:磁罗盘周围不放置经纬仪，打开地磁测量软件连续接收约30s的地磁数据并计算磁方位角，然后停止接收。2)有干扰磁方位测量:地磁数据接收过程同上，不同的是在接收数据的同时，将经纬仪开机，并分别在距离磁罗盘10、20、30、40、50以及60cm的周围移动。步骤3对仪器安装角度进行标定。
根据不同距离处经纬仪对测磁影响情况，使用连接杆(非磁性)将磁传感器固连在经纬仪上方约61cm处，磁传感器外接笔记本用于接收地磁数据;再将经纬仪安装到三脚架上，完成测量设备的安装。观测方法如下:将仪器旋转至任一方向为起始，以经纬仪水平度盘读数10°为间隔，按照顺时针方向依次在0°~360°的范围内连续接收地磁数据。每次接收数据时间为2min，记录经纬仪水平度盘读数并计算磁方位角。
2.1静态磁方位角稳定性分析
分析磁罗盘测定磁方位角的稳定性是利用地磁快速定向的重要一步。考虑磁场随时间的轻微变化、传感器精度等问题，利用磁罗盘获取的磁方位角是随着时间变化的量。如果得到的结果随时间变化的幅度较大，说明其稳定性较差。相应地，需要花费相对更多时间获得更多的观测数据，以便求得更可靠的结果。连续测量地磁数据。实验测试的结果显示，连续观测数据的均值为318.99°，标准差为0.08°，最大互差为0.5°，其中方位角变化范围在318.8°~319.1°的观测量占99.15%。由此可以看出，该三轴罗盘方位角测量有相对较好的内符合精度。24h的观测结果，其方位角在均值上下波动，无明显随时间漂移情况;测角结果较为稳定，能够有效地保证连续定向结果的精确性。
2.2磁罗盘受经纬仪影响测试
为了使磁罗盘工作受经纬仪的影响达到最小，需要寻找两者固连的最佳相对位置。对比无经纬仪干扰和有经纬仪在不同距离且任意方位下干扰时，磁方位角的变化情况。一方面，将经纬仪在磁罗盘周围连续移动一周，距离不同时，对测磁的影响不同。磁罗盘不受经纬仪影响时，30s的磁方位观测结果即可使标准差达到0.09°;在两者相距10cm时，磁方位的互差最大可以达到5.5°，标准差达到1.09°。随着两者距离的增加，磁方位的标准差和最大互差都逐渐减小，当两者相距60cm时，标准差达到0.13°，最大互差达到0.6°。
另一方面，经纬仪在磁罗盘一周不同距离下的任意方向连续移动，在两者相距60cm时，磁方位角波动无显著凸起。这说明将三轴磁罗盘与经纬仪固连在一定距离，且无需限制两者相对方位关系，可以实现天文测2.3仪器安装角度标定在实际应用中，概略方位的获取可以在水平面任意方向由磁方位转换到真方位，所以需要测试在不同方向上磁方位的准确性。由于经纬仪TM5100A测角精度为角秒级，磁罗盘定向精度为角分级，在任意方向上磁方位读数和经纬仪方位角读数的差值变化主要来自于测磁的不准确。
该差值的变化使得磁罗盘轴与望远镜轴夹角的标定出现误差。如何有效地标定该差值，是提高概略定向准确度的重要内容值得一提的是，在实际地磁概略定向过程中，即使因地磁定向的不准确使任意磁方位处概略定向结果偏离准确值的差值约为0.5°，对于1.5°视场角的徕卡经纬仪/全站仪，仍可以保证天体出现在望远镜视场中，进而天文观测。
3结论
以TCM￣XB三轴罗盘和TM5100A经纬仪为实验平台，提出使用地磁实现快速定向代替传统北极星概略定向。根据TCM￣XB模块的工作环境要求，研究了两种测量仪器组合实现快速定向的可行性;并给出了实验验证方案和数据分析。实验结果表明以下4点结论。
1)TCM￣XB三轴罗盘进行磁方位测量具有较高的稳定性。静态测量实验显示，无磁性物体动态干扰罗盘周围磁场时，其24h方位角输出的标准差为0.08°。
2)TCM￣XB三轴罗盘与经纬仪/全站仪平台结合完成磁定向具有较高的可行性。在磁罗盘固定于试验台情况下，经纬仪距离其在约60cm时，磁方位测量基本不受经纬仪影响。
3)TCM￣XB三轴罗盘磁定向准确性可以满足天文测量概略寻星要求。磁模块定向在一周各方向上的定向结果最大互差约为1°，对于视场角为1.5°的经纬仪/全站仪，可以满足在地磁概略定向下，自动寻星使天体出现在视场中。
4)地磁快速定向应用于天文测量前概略定向可以进一步提高测量系统的自动化能力。其代替人眼照准北极星定向，可以减少测量过程中对作业员的依赖性。值得说明的是，基于视频全站仪实现的天文观测，无需人眼对待测恒星进行连续跟踪测量，极大提高了小型化天文测量的自动化水平。然而，利用视频测量技术自动跟星拍照的前提是人眼观测北极星概略定向，若将地磁定向技术应用到天文测量系统，其自动化水平将进一步提高。
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