针对传统倾角补偿过程中存在的线性漂移问题, 采用Ⅰ-Ⅱ观测位置和Ⅱ-Ⅰ观测位置倾角修正的平均值进行倾角补偿; 为减小转台转位误差对天顶摄影仪旋转轴倾斜分量的影响, 推导了转位不对称性误差对倾斜补偿的影响; 分析了测站点天文坐标误差对倾角仪状态参数标定的影响.结果表明: 采用改进后的倾角补偿方式可将经纬度误差从0.337″、0.381″提高到0.265″、0.216″; 转台转位不对称性误差控制在1′以内, 可使转位不对称误差对摄影仪旋转轴倾角补偿的影响控制在0.002″以内; 当测站点的天文坐标误差与仪器自身定位精度相当时, 测站点天文坐标误差对旋转轴的倾角补偿的影响较小, 即对天文经度影响在0.007″内, 对天文纬度影响在0.008″内.本文研究对倾角仪参数标定与天顶摄影仪定位的同时测定具有一定帮助.

星点图像坐标的准确性与数字天顶仪的定位精度紧密相关。根据数字天顶仪成像原理, 严格推导出星点图像坐标表达式, 在此基础上推导了星点图像坐标在4个误差因素及综合误差下的误差方程, 分析结果表明各误差之间相互独立。通过仿真4个误差因素及综合误差情况下的星图数据进行分析, 仿真结果表明: 焦距误差与转位误差对各星点图像坐标的影响各不相同, 焦距引起的坐标变化值?驻x和?驻y相对其平均值的最大波动值分别为2.38、3.04 pixel; 转位误差引起的坐标变化值?驻x和?驻y相对其平均值的最大波动值为1.06、1.41 pixel; 光轴倾斜误差与主点偏移引起的星点图像坐标变化是整体性偏移。另外, 提出了一种误差参数求解的方法, 利用解算出来的误差参数对星点图像坐标进行补差, 数字天顶仪的定位经度精度提高了约1.98 m, 纬度精度提高了约1.65 m。

针对传统数字天顶仪定位方法中存在仪器需精确调平, 数据拟合模型参数求解不准确和定位迭代过程复杂的问题, 提出一种粗调平状态数字天顶仪定位方法。严格推导了水平状态下CCD图像坐标的计算式, 利用倾角仪输出值与粗调平状态下CCD图像坐标计算得到水平状态CCD图像坐标; 对粗调平状态下恒星切平面坐标进行分析, 分析结果表明粗调平状态下对应的切平面与水平状态下对应的切平面基本平行, 粗调平状态下的切平面坐标可直接用于数据拟合模型的建立; 通过抗差M估计计算数据拟合模型的参数, 抑制了粗大误差对参数解影响, 提高了数据拟合模型的准确性; 最后, 通过联立数据拟合模型方程组解算旋转轴的CCD图像坐标、剔除迭代过程中的数据拟合模型反变换以及取切平面坐标平均值的方式优化定位迭代过程, 提高定位解算效率的同时保证了数字天顶仪的定位精度。实验结果表明: 粗调平状态定位方法的定位精度与精调平状态的定位精度基本相同, 其中粗调平定位方法的定位经度精度为0.306″, 纬度精度为0.292″, 满足数字天顶仪定位精度的要求。

针对数字天顶仪在精确调平状态下进行天文定位时存在耗费时间长, 定位速度慢的缺点, 从数字天顶仪的定位原理出发, 采用方向余弦矩阵转换原理建立了倾斜角的修正模型, 分析和推导了经过倾斜角修正之后的定位方法, 改进了倾斜状态下数字天顶仪的切平面和球面三角形两种定位算法。实现定位时设备不经精调平, 加快定位速度的目的。通过实验比较了在倾斜状态下经过改进后两种类型定位算法的定位精度。实验表明: 球面三角形法的定位精度相对较高, 经纬度计算精度能够达到0.5″以内。

为了获得高精度的时间信息, 常采用GPS等授时系统进行授时, 但在野外等复杂环境下往往接收不到GPS等授时信息。数字天顶仪是一种高精度的天文定位仪器, 采用数字天顶仪进行时间标定的研究相对较少。考虑到数字天顶仪的定位结果受恒星视位置和时间的影响, 首先分别研究了时间误差及星表精度对恒星视位置的影响, 然后分析了恒星视位置对数字天顶仪定位精度的影响。基于数字天顶仪的定位原理提出了一种时间标定的新方法, 并得出时间标定的精度在0.025 s。实验数据的分析结果表明该时间标定的方法是可行的。

针对运用数字天顶仪进行天文定位时旋转轴与垂直轴之间存在的轴系偏差, 提出了高精度天顶仪倾角补偿方法。从数字天顶仪倾角补偿原理出发, 引入了倾角仪双轴尺度系数、双轴交角等参数对倾角仪的输出值进行修正, 然后提出了一种双轴倾角仪参数的标定方法。分析了旋转角度对于参数标定的影响, 运用实验数据对标定方法进行了论证。结果显示: 旋转角度会直接影响CCD图像传感器安装角度的标定值。另外, 倾角仪参数的引入提高了数字天顶仪的定位精度, 当旋转角度的误差值在2°以内时, 标定参数的误差对定位结果的影响非常小。

运用数字天顶仪进行定位是一种高精度的天文测量方法。在定位的过程中需要设定概略位置和进行局部星图识别。局部星图识别是在以概略位置为中心的一定范围内进行的。在进行局部星图识别时一般用数字天顶仪的视场角来确定局部星图识别的范围, 实际上这是不准确的。通过对数字天顶仪视场角的分析推导了局部星图识别时的经纬度范围, 并通过局部星图识别的范围对概略位置进行了研究。实验数据的分析结果表明, 在进行局部星图识别时选取的经纬度范围是要大于视场角的, 且随着概略位置的设定值逐渐接近测站点真实值, 识别的恒星数量也在逐渐增加。

针对数字天顶仪原有方法计算过程复杂和计算过程中存在误差的问题，通过改变时间补偿方式和优化迭代核心，提出了一种改进的数字天顶仪定位方法。该方法在切平面中进行均值过程，消除了原方法运算中引入的误差，也避免了切平面变换和反变换的反复计算，从而大幅简化了计算流程。通过实验比较了传统方法与改进方法的计算效率和精度，结果表明：改进方法的计算效率比原方法提高了至少6倍；改进方法赤纬的计算精度比原来的15米左右提高了约1.05 m。因此，改进方法能够在一定程度上提高定位的精度。

针对数字天顶仪在定位过程中存在的的轴系偏差, 研究了如何对光轴与旋转轴、旋转轴与垂直轴之间的角度偏差进行补偿的方法。为了高精度地解算出测站点位置垂直轴的天文坐标, 采用对称位置的两幅星图直接解算旋转轴的坐标, 从而避免了光轴与旋转轴之间的补偿。采用双轴倾角仪测量倾角, 并对旋转轴进行倾角补偿得出垂直轴的位置坐标。考虑进行轴系补偿时, 转台误差会对旋转轴坐标和倾角补偿造成影响, 分别研究了转台误差对于旋转轴以及倾角补偿的影响, 并得出了转台误差的范围。实验结果表明: 当测站点纬度的绝对值小于或等于88.3°时, 转台误差必须小于或等于35″; 当测站点纬度的绝对值大于88.3°时, 转台误差值要小于|1 166.8cos δ|″。在对称位置解算测站点位置坐标时, 必须提高转台的精度, 以减小转台误差对于定位精度的影响。