中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

随着大口径光学望远镜技术的不断发展，望远镜指向精度问题逐渐受到广泛关注。作为现代天文观测系统的重要组成部分，望远镜的指向性能直接关系到目标捕获效率和观测数据质量。然而，随着望远镜口径不断增大以及结构复杂度的提升，望远镜系统中由结构安装误差、轴系不正交、编码器零点偏差、重力变形以及环境扰动等因素引起的指向误差呈现出更加复杂的非线性特征。目前，在复杂误差场条件下的高精度指向建模方面仍存在物理模型表达能力有限、复杂误差难以准确描述以及单一建模方法适应性不足等问题。因此，研究能够兼顾物理机理解释能力与复杂误差拟合能力的指向建模与校正方法，对提升大型望远镜观测性能具有重要意义。
本文以大口径地平式光学望远镜为研究对象，围绕望远镜指向误差建模与优化问题开展系统研究。首先，从望远镜结构组成和运动特性出发，分析地平坐标系、赤道坐标系及望远镜坐标系之间的关系，并对望远镜指向误差的主要来源进行系统分析，包括几何安装误差、结构变形误差、驱动与编码器误差以及大气折射等因素。在此基础上，建立基于地平坐标系的基本参数指向模型，用于描述望远镜系统中的主要几何误差和低阶系统误差。其次，引入球谐函数展开方法，对全天区范围内连续变化的误差场进行建模，以增强模型对空间分布误差特征的表达能力，并构建基本参数模型与球谐函数模型相结合的联合指向模型。最后，在物理模型校正的基础上，对模型残余误差进行统计分析，并采用多项式回归方法对残差进行进一步建模和补偿，从而形成“基本参数模型—球谐函数模型—多项式残差补偿”的分层融合指向建模框架。
为了验证所提出方法的有效性，本文基于国家天文台2.5米地平式望远镜的实测标星数据，对不同指向模型进行了对比实验。实验结果表明：所建立的综合指向模型在整体拟合精度和稳定性方面均优于单一模型。其中，望远镜原始指向误差的均方根约为17.8″，经综合模型校正后提升至约3.10″，误差降低约82%。实验结果还表明，物理模型能够有效描述望远镜系统中的主要误差成分，而数据驱动残差补偿方法能够进一步拟合物理模型未能完全解释的复杂非线性误差，两者之间具有明显的互补关系。
综上所述，本文提出的分层融合指向建模方法能够在保持物理可解释性的同时，提高模型对复杂误差场的拟合能力，实现对大口径望远镜指向误差的高精度校正。本研究为大口径地平式望远镜指向误差建模与优化提供了新的技术思路，对提升大型天文观测设备的指向性能与运行效率具有一定的理论意义和工程参考价值。