斜轴式天文望远镜运动特性研究-紫金山天文台-中国科学院.PDF

第56卷第2期 天 文 学 报 Vol.56 No.2 2015年3月 ACTA ASTRONOMICA SINICA Mar., 2015 doi: 10.15940/j.cnki.0001-5245.2015.02.010 斜轴式天文望远镜运动特性研究 娄 铮1,2 程景全1,2 左营喜1,2 杨 戟1,2 (1 中国科学院紫金山天文台南京210008) (2 中国科学院射电天文重点实验室南京210008) 摘要 相对于传统地平式或赤道式望远镜, 斜轴式天文望远镜因其独特的机架结构形式 更加适应例如南极等的极端台址环境. 但由于这种望远镜形式的应用较少, 针对其运动特 性的研究还比较缺乏. 首先详细讨论了斜轴式望远镜的优缺点, 推导了斜轴坐标系与地平 和赤道坐标系之间的坐标变换关系, 在此基础上研究了斜轴式望远镜在进行恒星跟踪时 的运动特性, 并与地平式望远镜进行了比较. 另外, 还研究了斜轴式望远镜的像场旋转特 性, 并分析了像旋对望远镜天线全息测量的影响. 最后, 还针对斜轴式望远镜的特点, 推导 了一套包含7个误差项的指向误差改正模型. 关键词 望远镜, 机架, 斜轴, 像旋, 指向模型 中图分类号: P111; 文献标识码: A 引言 传统天文望远镜根据其机架系统的不同, 可以划分为赤道式望远镜和地平式望远 镜. 赤道式望远镜模拟了天体运动的规律, 利用极轴的匀速旋转来实现对天体的跟踪. 但是地平式机架具有更加优越的力学特性, 镜面的重量可以通过高度叉臂直接传递到 地面, 因而在大中口径天文望远镜中得到了广泛应用 . 赤道式和地平式机架所采用的 是正交坐标系. 在正交坐标系中, 坐标参数为常数的平面之间互相垂直, 因此各个坐标 参数相互独立. 除了上述具有正交坐标轴系的天文望远镜外, 还存在着几种具有非正交 轴系的天文望远镜, 包括斜轴式望远镜、六杆平台式望远镜和具有双连杆支撑的特殊 望远镜等 . 在非正交轴系望远镜中, 各个坐标参数平面之间不互相垂直, 各个坐标参 数会互相影响. 斜轴式望远镜的机架系统包含两个运动轴, 即位于望远镜下方的方位轴 系和它上方与之成45度夹角的倾斜轴, 而望远镜光轴又与倾斜轴成45度夹角(详见下节). 这种特殊的望远镜机架已经应用于位于南极海岸的O’Higgins 9米射电望远镜 , 中国南 极Dome A 5米太赫兹望远镜(DATE5)也采用了这种特殊的候选机架形式, 如图1所示. 事实上, 在近期的一些特大口径的望远镜设计中, 类似的非正交斜轴系统还应用于它们 的圆顶设计之中. 双连杆式望远镜已用于一些小口径射电望远镜中, 但总体而言, 六杆 2014-07-09收到原稿, 2014-11-05收到修改稿 ∗ 国家自然科学基金项目资助 †zhenglou@pmo.ac.cn 190 天 文 学 报 56 卷 平台式和双连杆式的支撑系统在天文望远镜中应用很少. 本文作为DATE5望远镜预先 研究课题之一, 仅仅讨论斜轴式望远镜机架系统运动特性. 相对于传统地平式或赤道式机架, 斜轴式机架更加适应极端台址环境(例如极低温, 强风速等特殊环境), 这是因为这种望远镜的整体机构可以全部处于一种封闭式外罩的 保护之下(见图1), 外罩层具有光滑的外表面, 没有任何明显的空隙、沟槽和孔洞, 避免 了在极低温条件下容易产生霜冻, 阻止望远镜运动的问题. 这种天文望远镜还可以充分 利用内部仪器自身发热作为热源, 并通过内部空气循环系统, 在整个望远镜内形成并维 持一个相对