[科普中国]-多星等高法

多星等高法是同时测定时间（或天文经度）和天文纬度的方法。这种方法要求记录一组恒星过某一固定等高圈（通常高度为60°或45°）的时刻，故称为多星等高法1。

简介等高方法是测定地面一点的坐标位置和天体位置的方法。等高法是观测在东、西两方过同一等高圈的两颗星，记录它们过等高圈的时刻，即可求得测时或测纬结果。如果观测记录三颗以上恒星过等高圈的时刻，恒星在方位上的分布又合乎一定的条件，那就可以同时得到时间（经度）和纬度的结果，故也称为多星等高法。直到20世纪初研制成功棱镜等高仪，才在实用天文学中得到较好的应用。但在这种较简单的等高仪中，每次观测只能有一个记录，偶然误差很大，还有一些光学上的不足，使其应用受到很大限制。本世纪50年代，法国天文学家丹容在等高仪光路中引进了双折射棱镜和接触测微器，突破了老式等高仪的局限，才受到极大重视。我国在70年代先后研制成功Ⅰ型和Ⅱ型光电等高仪；加大望远镜，提高了观测星等；采用光电自动记录：利用真空镜筒，消除了大气折射，取得很大成功。观测精度高于国际上各种其它等高仪器。1991年，Ⅱ型光电等高仪应用了微机联机工作和光子计数等更有效的记录方法，实现了全自动化，观测极限星等也提高到10等，继续保持国际领先水平。

基本公式多星等高法同时测定时间和纬度的基本公式是：，式中α，δ分别为被测星的赤经和赤纬，Z为等高圈的天顶距，T为星过等高圈的钟面时，u和φ分别为钟差和纬度。理论上只要求观测3颗天顶距相等的星，就可解得三个未知量u，φ和Z。

实际工作中，为提高观测精度，要求观测一组均匀分布于四个象限内通过同一等高圈的星，记录其过等高圈的时刻，用最小二乘法同时解出钟差u、纬度φ和天顶距Z。多星等高法的等高圈有60°和45°两种，多星等高法应用的等高圈是天顶距30°和45°。前者应用较广泛。所用仪器有棱镜等高仪、光电等高仪和全能经纬仪等1。

为了取得最好的解算结果，一组恒星应尽可能均匀地分布在方位角0°～360°的范围内。棱镜等高仪是专门为多星等高法设计的仪器，有60°等高仪和45°等高仪两种，前者的应用较为广泛。棱镜等高仪也可以由光学经纬仪加上棱镜等附近构成。天文台采用的是超人差棱镜等高仪。这种等高仪增加了对每颗恒星观测的记录次数，使观测精度大为提高。近年来，中国把光电技术应用于多星等高观测，制成了光电等高仪，使时间和纬度的观测精度更加提高。

创始人德国J.K.F.高斯于1808年，创立同时测定钟差和地理纬度的多星等高法。只要观测同一天顶距的一组赤纬、赤经已知的恒星，就可以用最小二乘法解出钟差和纬度。此方法仍是天体测量学中测时测纬的重要方法2。高斯所创用三次观测确定小行星轨道的计算方法、太阳等高法、多星等高法、最小二乘法，以及在天体摄动理论、球面三角学和内插计算法方面的研究结果等，在天文学上获得广泛应用。定出了最早发现的2颗小行星的轨道。在天文光学和星历表计算中也有重要贡献3。

多星等高法仪器简介棱镜等高仪棱镜等高仪是记录一组恒星相继过45°或60°等高圈的时刻，以测定观测点经纬度的现代天文仪器。由棱镜、水银盘和望远镜等组成。法国天文学家丹容（André Louis Danjon，1890—1967）改进后的超人差棱镜等高仪人差小4。

光电等高仪光电等高仪是用光电方法自动记录恒星（经度）、纬度和恒星位置的一种新型天文仪器。50年代中，巴黎天文台台长A.L.丹容（A.Danjon）发明了一种双折射棱镜测微器，应用它来改进经典棱镜等高仪。这种新型仪器由法国精密光学仪器厂生产，被人称为超人差棱镜等高仪或丹容棱镜等高仪。从此，一种结构较简单、只有一个可绕垂线方向转动的轴系、望远镜视线指向固定地平高度的仪器进入了精密天体测量仪器行列。世界上曾有许多天文台将它应用于地球自转（包括垂线变化）的研究以及恒星天文参考架的改进等项工作。丹容棱镜等高仪仍然存在不少缺点。如：观测者劳动强度大，观测精度和观测极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绶琯等人分别提出将光电记录方法用于棱镜等高仪观测的建议。然而俄国学者，中星仪的光电记录方法的发明人H.H.巴甫洛夫（Н.Н，Павлов）却认为那是一件非常困难的任务。

1963年，北京天文台李东明提出应用对称视栅来记录棱镜等高仪中双像的星过时刻，讨论了相关的理论问题，取得了肯定结果。1968年在南京天文仪器厂成立了有北京天文台、上海天文台和天文仪器厂三方科技人员参加的光电棱镜等高仪研制小组。该研制组于1971年研制成功一台样机，称之为Ⅰ型光电等高仪，随后安装于陕西天文台。以后又研制了三台Ⅱ型光电棱镜等高仪，分别于1974年、1975年、1976年安装于上海天文台、北京天文台和云南天文台。光电等高仪的研制获1978年全国科学大会重要成果奖。

在国外，法国光电等高仪和日本光电等高仪分别于1981年和1983年在各自的天文台投入工作。中国光电等高仪的仪器工作原理及结构和法国、日本的光电等高仪有明显不同。中国的光电等高仪的主要特点是：①采用对称视栅，由两个光电倍增管同时记录视场中的双像。此方案可消除由于某种原因造成的仪器视线高度的不稳定性的影响；②观测时，仪器在方位方向跟踪恒星的周日运动，大大减少了天光背景的影响；③采用一组新颖的左右水平瞳孔的角镜一水银地平系统来获得稳定的仪器工作天顶距；④采用真空镜筒，减少镜筒内反常折射，补偿正常大气折射和色散的影响。

胡宁生（天文仪器厂）对此仪器机构一光学结构方案的创造性设计，谈志祥（上海天文台）对光电记录方案出色设计，以及蒋德广（北京天文台）在组织管理，包括部分关键工艺上的贡献，使得这种仪器在投入工作以后，表现出了良好的品质和性能。上述四台仪器在70年代至80年代中为中国世界时的发展和成就，为国际上建立FK5参考架做出了重要贡献。

中国光电等高仪原是半自动仪器：人工导星，光电观测自动记录。为了适应90年代天体测量事业发展的需要，80年代后期在紫金山天文台李东明领导下，开始对上述四台光电等高仪进行现代化改造。改造的总体思想是：①拆除庞大的目视导星系统和复杂的机械传动跟踪装置，采用微机控制仪器的方位角和跟踪恒星周日运动；②放弃原来光电记录方法的模拟系统方案，采用光子计数技术。后者输出与微机直接相连，最后利用数字处理技术进一步提高观测量的信噪比。

陕西天文台王红旗、徐家岩在Ⅰ型光电等高仪上首先完成了第1项工作，对顺利地完成整个任务起了推动作用。北京天文台、上海天文台和云南天文台的李颀、曾繁妙、王泽枝、赵刚等人出色地完成各天文台Ⅱ型光电等高仪的现代化改造。

90年代以来，改造后的各仪器实际运转情况表明：只要是晴夜，这些仪器均能自动地通宵达旦地执行观测任务。各仪器的观测精度同以前一样，但极限星等提高了4个星等5。

中国光电等高仪为“中国世界时系统的建立和发展”（获1982年国家自然科学奖二等奖）做出了贡献。利用这种仪器的观测资料产生的科研成果：“中国光电等高仪总星表的编制”获1989年中国科学院自然科学一等奖。中国还有三台光电等高仪在坚持全晴夜的观测工作。北京天文台的Ⅱ型光电等高仪于1992年应邀迁至阿根廷圣胡安天文台参加南天的国际合作观测研究计划，陕西天文台的Ⅰ型光电等高仪于1995年迁至俄国的伊尔库次克市，开展两国间的合作研究。云南天文台的Ⅱ型光电等高仪在原址作时纬异常和地震关系以及恒星参考架的改进等项观测研究5。

全能经纬仪经纬仪是测量工作中的主要测角仪器。由望远镜、水平度盘、竖直度盘、水准器、基座等组成。测量时，将经纬仪安置在三脚架上，用垂球或光学对点器将仪器中心对准地面测站点上，用水准器将仪器定平，用望远镜瞄准测量目标，用水平度盘和竖直度盘测定水平角和竖直角。按精度分为精密经纬仪和普通经纬仪；按读数设备可分为光学经纬仪和游标经纬仪；按轴系构造分为复测经纬仪和方向经纬仪。此外，有可自动按编码穿孔记录度盘读数的编码度盘经纬仪；可连续自动瞄准空中目标的自动跟踪经纬仪；利用陀螺定向原理迅速独立测定地面点方位的陀螺经纬仪和激光经纬仪；具有经纬仪、子午仪和天顶仪三种作用的供天文观测的全能经纬仪；将摄影机与经纬仪结合一起供地面摄影测量用的摄影经纬仪等6。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所