大气折射对某掩星光谱仪跟踪角度的影响及应对策略

王彩琴

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【摘 要】说明了掩星光谱仪的工作原理和组成，对掩星光谱仪的核心模块-太阳跟踪系统进行介绍。简要分析了大气折射对掩星光谱仪跟踪角度的影响，论证了准确计算每轨大气折射偏转角度的不可行性。最后，给出了应对策略，有效规避了大气折射导致的光谱仪跟踪角度的偏离，保证跟踪机构在日出第一时间对太阳的捕捉。

【关键词】太阳掩星；跟踪角度；大气折射

0 引言

全球的气候变化不仅是一个自然科学的问题，还对气候环境、社会经济和国家安全等方面产生了重大影响，而大气圈变化是全球气候变化中最活跃、影响最大的因素[1]。基于对大气问题的长期研究，大气科学界普遍认为必须对地球大气圈的成分进行精细测量，获取全时空全方位的科学数据，并对数据进行反演分析，理解和判断地球气候系统的变化趋势、气候系统演变的内在驱动力、气候系统的响应和反馈机制，为制定气候变化应对策略、规避和减小自然灾害服务。

为实现上述研究需要，某掩星光谱仪对地球大气进行高光谱分辨率、高信噪比和宽波段范围的精细光谱探测，获取南极上空不同高度的大气成分和浓度的切线分布，为气候变化研究和环境监测提供科学依据。

1 掩星光谱仪的工作原理和组成

1.1 工作原理

卫星对大气成分的探测模式包括天底角、临边和掩星观测模式等。掩星观测模式采用太阳辐射作为标定源，并通过大气的吸收来测量大气的特征谱，这种方式下的信号强，仪器的信噪比大，可适当减小光学系统的通光孔径，使系统更加简化；其次，每次测量时都以太阳辐射作为仪器的基准，基准统一，便于进行长周期的大气变化规律研究；此外，采用太阳掩星模式可以去掉复杂的星载黑体定标源，使得光谱仪的设计更趋简化。

光谱仪的工作原理见图1所示，光谱仪建立对日定向关系，首先获得没有大气吸收的太阳光谱辐射，如图1左侧的光线1，将此光线作为参考。当卫星运行到一定的位置，在日出时，如图1中的光线2-4所示，光谱仪探测到了经过大气吸收的太阳光谱数据，通过二者的差分比较，得出不同高度大气中的化学成分的吸收光谱。图1右还给出了不同高度的太阳吸收光谱曲线，结果显示随着高度的降低，大气中各种气体浓度增加，吸收路径延长，大气对太阳光谱吸收也更加强烈。由于不同气体分子吸收产生不同波长的吸收光谱，通过光谱探测就可以实现不同气体的成分和浓度探测。

1.2 组成

掩星光谱仪采用太阳跟踪机构加干涉摆臂机构形式，组成见图2所示。入射的太阳辐射先经分色器分光后，一路可见光到达跟踪相机，为跟踪控制器提供反馈图像；另一路红外辐射由输入光学系统进入干涉仪，通过动镜进行大光程差扫描，获取目标光谱的干涉叠加光信号[2]，输出光学系统将此信号汇聚到双波段红外探测器上，经过光电转换后得到干涉图，经处理后传输至卫星数传系统，最后到达地面经过反演得到不同高度的各种气体成分和浓度的空间分布。

1.3 太阳跟踪系统

太阳跟踪系统是光谱仪的核心模块，由太阳跟踪机构、分色器、跟踪相机和跟踪控制器组成，其主要功能是依靠跟踪控制器对太阳跟踪机构偏航、俯仰两轴旋转系统的驱动控制，实现光谱仪对太阳质心精确稳定的跟踪。太阳跟踪系统的工作模式分为粗跟踪和精跟踪两种，粗跟踪模式的工作流程为：在跟踪初期，光谱仪实时获取卫星提供的太阳方位矢量，通过解算获得跟踪指向镜偏航角和俯仰角的两轴转动角度，向太阳跟踪机构传达驱动信息，完成对太阳的捕获；精跟踪的工作流程为：跟踪相机提供精确的太阳图像，跟踪控制器根据接收的太阳图像数据，实时求取太阳质心，完成对太阳的精确跟踪。粗跟踪模式是精跟踪模式的基础，只有顺利捕捉到太阳，才能转入精跟踪模式；否则就会导致光谱仪在轨功能失效。所以光谱仪在跟踪模式初期，获得高准确度的太阳矢量信息是其在轨正常工作的基础。

2 大气折射对太阳矢量的影响

地球大气是由包围地球的多种气体和悬浮其中的固体粒子或液体粒子组成的混合物[3]，由于受到地球引力作用，地面的大气密度最大；高度越高，大气密度越小，整个大气层呈现上疏下密的状态[4]。从太阳发出的光线穿经地球大气层到达光谱仪时，由于大气密度发生变化，会造成光线偏离先前传输方向，传播路径产生弯曲，这种现象称为大气折射。

由于大气折射因素，光谱仪看到的太阳方向和没有大气折射的情况下是不同的，即光谱仪跟踪机构观测太阳的视方向偏离真实位置，观测到的太阳视天顶角小于实际天顶角。如图3所示，S是不考虑大气折射的太阳矢量，定义OZS所在的平面为太阳主平面，则光谱仪、地球和太阳的质心都在主平面上。根据图3所示，太阳矢量S将在主平面内向远离Z轴的方向偏折角度Δ，此时新的太阳矢量方向为S方向。

Δ的大小是计算新太阳矢量的关键，然而精确计算Δ值是一个相当复杂、至今还没有完全解决的问题。人们对大气折射的研究已有400多年，现在采用的大气折射模型，都为了方便计算做了某些近似，不论是基里金的天文大气折射理论，还是普尔科沃大气折射表，都假设大气为理想的宁静条件，大气分布模型为球对称分布。而实际上大气折射除了随大气密度而变化以外，还与大气温度、大气湿度、气压、光波波长、观测的不同方位、地球纬度以及地球表面的地形有关，而这些参数都是瞬息万变的。不少天文台与天文学家进行了不懈的研究，一直没有得到根本上改善，无法准确计算随观测地点和方位而异的大气折射值[3]。其次，当太阳光垂直地面入射时，大气折射影响较小，随着天顶角的增大，越靠近地球边缘，折射角变化越大，而目前针对光谱仪靠近地球边缘入射的大气折射计算偏差最大；且对于掩星观测方式，会发生两次大气折射，计算更为复杂。再有，光谱仪观测的是地球南极上空的大气分布和浓度，目前大多数的大气模型温度、气压等参数都是针对中纬度或赤道地区的，极地大气的参数较少。最后，光谱仪在每一轨进行粗跟踪时的大气折射值会受当时的温度、气压等因素影响，是一个变化的值，无法在设计光谱仪时对太阳跟踪角度进行一次性偏差矫正。针对上述理由，精确的计算出每轨的大气折射值比较难于实现，因此需要采取措施排除大气折射对光谱仪跟踪角度带来的影响。

1.2.2 一般诉讼流程

英租时期威海卫的民事诉讼一般流程包括以下内容：

1）诉讼当事人（一般为原告）前往司法官官邸或法庭将诉状递交给司法官，或将诉状投入专门的诉状箱内。（租借地内曾试行了一段时间的特许状师制度，但后来由于操作性的原因状师行当被完全取缔）

2）诉状提交后，司法官择日开庭并传唤各当事人到庭接受询问。

3）法庭审判程序较为宽松，双方当事人由于没有律师的相助，往往在他们的亲属陪同下到庭并共同参与证据认定与法庭辩论等环节，司法官也并不如英国本土的法官“消极”等待陪审团认定事实，听取律师辩论。相反，时常要承担普及法律，充当双方法律顾问，纠问案件实情等职能。

1.2.3 民事纠纷调节

威海卫租借地另一类重要的民事纠纷解决机制是民事调解制度。殖民当局保留了在基层中国原有之村董制，并以此为基础建立总董制。日常民事纠纷由村董、总董及其他族内长老调解，且法庭通过专门下发“息诉凭单”赋予之法律效力，调解成功则据此为书面凭证而不得再兴诉讼，再诉法院不予受理。调解制是中国传统的纠纷解决机制，英国式司法体制借助村董、总董的力量与权威与之连结，进一步完善了英租威海卫的民事司法体制。

1.2.4 诉讼费用

英租威海卫政府收取的诉讼费用较为低廉，甚至存在近十年间不收分文诉讼费的情形。殖民政府似乎在传达这样一个讯息：鼓励用法律手段解决日常纠纷。这对威海卫的稳定局面有极大的巩固作用，人们甚至出现了“健诉”的诉讼心理，以至于后来政府不得不以收取较高费用为手段减少不必要的诉讼。

1.2.5 民事判决文书

英租时期的判决文件可称是中西合璧的最好阐释，一方面既继受了英国法律判决形式不拘一格、散漫多变、好引经据典的内涵要式，另一方面则常常以道德经典、圣贤之帝的圣谕为所引之典，比较好地能让民众接受。

在一些宝贵的资料卷宗中，时常体现着当时的法官（常为行政长官）并不严格执行规定的具体诉讼环节，法庭中常常是双方当事人拖家携口各执一词，场面激烈，而法官为确定案件事实间或亲自策马去案发地了解情况，之后快速判决，判决书中也常常引用道德教化格言或圣谕。同时法院审理效率极高，诉讼拖延极其难见，诉讼费用低廉，适应了当时商业发展要求快捷高效结案的趋势。而最为关键的一点则在于威海卫地区社会变革“出人意料”地缓慢，立法与司法中存在的法律供求关系在三十年中始终处于相对均衡的状态，“直到1930年中国政府收回威海卫时，租界内的男人还梳着辫子，女人还裹着小脚。”用本土法制资源之形而行英方所欲之内核，顺民情，得民心，是英国殖民者在威海卫租借地治理得当的关键。

2 德国民诉制度在山东租借地的“本土化”进程

2.1 19世纪德国民事程序制度的传承与发展

1862年的德国几乎是集中当时举国法学界所有的精英人物，花费15年之久制定了在世界民事诉讼法发展史上也可以称为里程碑的近代民事诉讼法典——德国民事诉讼法。1877年，德意志帝国颁布《民事诉讼法》（简称CPO），而这部法典历经帝国时期、魏玛共和国时期、纳粹统治时期、二战后的联邦共和国时期，沿用至今。虽然经过多次（有时规模还很大）的修改，但仍是在原有的基础上进行修改，并未将整个法律废除，彻底更新。1877年《德国民事诉讼法》在德国民事诉讼法制史上具有继往开来、承前启后的作用。它主要蕴含着一下一些内涵：

2.1.1 司法机构法定统一

统一后的帝国用铁腕手段将日耳曼民族推上资本主义发展的狂飙时代的同时，这部1877年《帝国民事诉讼法》也让德国的大部分地区开始适用与其已经熟悉的民事诉讼法——有的已经适用了上百年——完全不同的民事诉讼法。通过国家集权的方式，德国民事诉讼制度不仅摆脱了传统诉讼法令的羁绊，更是开现代诉讼法制之先河。

2.1.2 自由主义思潮下科学完备的证据制度与诉讼原则

以直接审理主义、程序与辩论的公开主义为核心的言辞主义被1877年德国诉讼法接受，这部法典同时逐步废除了此前繁苛、易被操控的书面主义。此外，反专制制度在自由民主的呼声下被接受，国家采取秘密行动（秘密羁押、拷问等）的权力被剥夺，“外行”组成的陪审团也参与到案件事实认定中。案件审理的公开透明，也使司法直接受新闻与社会的监督，“上层人士”的特权被压缩至基本为零。更为重要的是这部法典确立的一系列如“作出判决的法官要据自己的体验了解案情与参与人，而非通过已经被他人主观化的转述”、“裁判者不关心微不足道的法律不利”、集中审理主义、“你给我事实，我给你审判”等审判、管辖原则至今仍然为主流观点所接受。

日后的胶澳地区在被德国租借期间各类纠纷接连不断，据《青岛开埠十七年—<胶澳发展备忘录>全译》一书的相关数据，胶澳德国皇家法院连续五年受理案件的数量都在一万件以上，每位法官年平均受理案件三四千件，每天要处理十几起案件。如此繁重的工作量，没有一套科学合理的诉讼程序自然是无法完成的。而上述核心内容正是这套高效运作的诉讼制度的灵魂。

2.2 德租时期胶澳地区的民事诉讼制度简介与比较分析

1898年，德国趁山东曹州“巨野教案”之机率先租借胶澳湾，至一战结束被日本侵占前，此地一直为德国管辖。德国为将胶澳建成“样板”殖民地供其他海外殖民地效仿，不仅向这个海滨城市投注了大量金钱与人力，更通过土地改革建立起一整套完善的法律体系与司法制度。据《中德胶澳租借条约》第三条规定，“德国所租之地，租期未完，中国不得治理，均归德国管辖，以免两国争端。”据此，德国获得了在青岛一系列的管辖权，司法管辖亦括在内。殖民者在胶澳租借地设置了一整套司法体制，针对德国等西方国家包括日本人设置了胶澳皇家法院，针对华人则设置了青岛区公所和李村区公所，行政兼理司法。1898年《中德胶澳租借条约》签署后，德意志帝国事实上获得了对胶澳租借地司法的控制权，并在财政支出中追加了非经常性的开支，用于胶澳地区的司法建设，包括派出法官、设立法院等司法机构所需费用。由于德国政府的大力支持，胶澳租借地的司法框架很快搭建起来。

2.2.1 民事司法组织与司法人员

德国人登陆之初，即在胶澳湾地区设立了区公所这一极富殖民色彩的司法体制。与该制度所配合的是，胶澳总督在1898年5月即宣布胶澳境内“中国法律照旧施行，以治华人”。一份落款为1898年4月15日的文件显示，租借区以内在青岛李村两处设立地方官署，专理华人词讼。区公所的行政长官由德国人担任，据1898年度的《胶澳发展备忘录》所载，三名德国见习翻译到达青岛，首先完成语言训练。他们同时审理华人的民事与刑事案件，职权近似于德国正式法庭和陪审法庭。行政长官在宣誓就职时，要发誓成为一名“妥善之地方官也”。此外，区公所在受理的案件上也有严格的限制，只能受理民事中诉讼标的额小的或者承担刑事责任较轻的案件，其余则要归胶澳皇家法院受理。民事诉讼中物产钱债则管至二百五十元，如果在二百五十元以上则要归胶澳皇家法院受理。值得注意的是似乎德国人对如何在具体程序操作中治理远东的这片土地基本达成了一项共识，“在许多事务上，法律要考虑当地的关系，因此只能在这里起草和征求意见，而不是在本国。”

2.2.2 一般诉讼流程

在德租胶澳湾地区的诉讼制度中非常明显地被打上了其本国的1877年《帝国诉讼法》核心内核的烙印，胶澳皇家法院自不用多叙，但即使是在为华民而设的区公所，所体现的言辞主义也比较明显。如除特殊情况下，当事人不得在诉讼过程中委托全权代表，须亲自出庭应诉；审判结果公开，区公所的行政长官对于处以监禁三个月、笞责、罚金至五百元或单罚或连罚并可驱逐出境外，所处判决须向被告人公开宣告，让被告人知悉判决。对于判决书要装订卷宗，并且把证人证词等书面法律文件录入卷宗；保障当事人不服判决时的上诉权，不过该项权利受行政长官的限制；民事诉讼中，对诬告者实行反坐，一般处以罚款或劳役。另外，所有涉及到可能罚款的案件都需要缴纳“堂费”，即所谓的诉讼费，对于涉及到金钱的案件，原告须预交诉讼费，诉讼费按照所控数额的百分之二收取，但是胶澳皇家法院至少以十元为限，区公所以一元为限。由败诉方承担诉讼费用，其赔还原告并且区公所的行政长官有权减免当事人所应当缴纳的诉讼费。

德意志帝国在胶澳湾地区成功地建立起了一套成功的“现代化”民事诉讼法制模式，反向而言即是使胶澳地区较为成功地接受了德意志本土民事诉讼制度，日耳曼人借鉴了他们自身继受罗马法的经验，不急于清除当地的原有的法律制度与社会规范的同时，积极主动地探寻一种能顺应当地商品经济发展、适应同化华民的新的法律秩序，也通过社会政策抵消民众对殖民行径的反感，更主要的是由于德国对胶澳湾的高投入极大地刺激了当地经济的发展，迫不及待地投身工商业发展的人们对诉讼程序高效的渴求甚至超过了公正本身，在商品经济的大潮中传统社会土崩瓦解，一套全新的法律体系需要与社会磨合的时间较少。纵然如此，德国殖民当局还是因其较为严厉的统治手腕，残酷的殖民掠夺，对华人的歧视态度在历史上留下了毁誉参半的名声。殖民色彩浓厚的法律制度，势必与历史大潮相悖，纵然再“进步科学”，终究不能获得真正的认可。

3 启示与借鉴

英、德殖民当局清醒地意识到强行将外来的民事诉讼法律制度嫁接至传统乡土社会的结局必然是民众作为或不作为的抵制，祖祖辈辈接受“礼治”思想的传统中国国民并不在乎甚至不会察觉所谓“程序正义”，一个合理的、符合皇帝圣谕与道德伦常的判决对于他们而言即是满意的结果。费孝通先生如此描绘道：生于斯、长于斯、死于斯的社会所信赖的是公认合式的行为规范，而维持“礼”这一行为规范的是社会所积累的经验——传统。德国与英国发觉这一关键后做出了不同的对策，雄心勃勃的德国人向胶澳湾投注了大量资金与人力后掀起当地资本主义经济发展的狂潮，在商品经济与雇佣劳动将传统乡土社会连同传统行为规范冲击得体无完肤后，推出一整套合理高效的诉讼体制，并将“西人”与华民分而治之，从而巧妙地用一次剧烈且全面的社会变革化解了当地居民对新的法律制度的抵触。而资金、人力投入都相对较少的英租威海卫，治理殖民地经验丰富英国人选择了顺应乡土社会及其行为规范的方式，拾起中国的惊堂木与杀威棒，以村董制借助氏族长老的权威治理地方，在诉讼过程中重视调解，在判决中加入道德教化，在东西方之间保持着微妙的平衡，奠定了威海卫三十余年平稳安定的社会基调。从法律移植的宏观维度层面观察，二者殊途同归。

本国（本土）的法律传统与面临的现代性转向以双向思维，即平等协商的方式达至一种微妙的平衡。概括而言，是用本国国民能够接受的传统方式表现现代的法治精神，当这种精神被完全领悟后再对之做出以现代形态的表达。这种循序渐进的方式成本低廉，产生的社会阵痛感相对较轻。一个有远见并不断发展的民族不会害怕社会变革。转型期，新的经济、政治、社会因素的涌现时常挑战相对滞后的法律，若法律不因时而变，社会中机会型违法将与日俱增，传统的道德因素也将受到质疑，这对一个民族的精神内核来说无疑是一种不可逆的破坏。然而若其他国家或地区也曾经受过类似的考验，那么充分借鉴相关经验则显得尤为重要。但单纯地制度移植不能解决根本问题，最初受到变革挑战的国家并无先例可循，人类先辈的探索势必是以其所处时空维度的社会土壤、文化元素为参考，借鉴并接受的仅仅是一种创造性思路。当然东西方法律传统内均有的“为善”、“良知”、“人性”等概念则是构筑社会变革模型中的基础共通性参数，但法律制度如何移植方才能不产生排异反应，关键就在于对本土法律资源的合理使用与激活。

【参考文献】

[1]程汉大.英国法制史[M].齐鲁书社，2001.

[2]张志超.英租威海卫时期的民事诉讼制度[J].司法，2009（4）.

[3]威海市档案馆馆藏.关于土地纠纷的调查处理.档号229-1-500.

[4][德]余凯思，国家清史编纂委员会，编译.在“模范殖民地”胶州湾的统治与抵抗[M].山东大学出版社，2005.

[5]青岛市档案馆编.青岛开埠十七年—《胶澳发展备忘录》全译.中国档案出版社，2007.

[6]谋乐.青岛全书（上卷）[M].青岛印书局，1914.

注释：

①张志超.徘徊于东西方之间：英租威海卫时期的法治[J].开放时代，2009（2）：40.

[责任编辑：王伟平]