CCD被广泛应用之前,天文底片是天文观测最主要的接收记录设备。长期积累的大量天文底片记录了天体一百多年间的变化信息。每一张天文底片都是当时所在天区不可再现的原始观测资料,将天文底片长期积累的观测资料与现代CCD观测资料相结合对天文学的研究工作有显著的作用。天文底片使用药膜成像,随着时间的推移和环境的变化药膜会变质,天文底片的观测信息会被破坏。为了保存这些宝贵的历史资料必须尽快的开展天文底片的数字化工作。因此,研究快速有效的天文底片数字化方法尤为重要。目前国内外天文底片数字化主要是利用专业扫描仪或常规扫描仪来进行的。专业扫描仪的成本昂贵、数目很少且只能固定的安装在特定的底片库中,使用具有局限性。常规扫描仪的优点是成本低、便于移动,缺点是扫描精度不如专业扫描仪。在天文底片数字化和数据处理过程中如果可以研究相应的方法提高数据处理的精度,使用常规扫描仪对天文底片进行数字化可能是一种简单而有效的方法。同时,由于历史条件的限制,天文底片的历史归算精度并不高。结合当代的计算机技术和更高精度的星表,研究天文底片数字化图像的数据处理方法对天文底片数据进行重新归算可以有效地解决这个问题。本论文对常规扫描仪的性能进行了系统性评估,在此基础上,围绕天文底片的数字化和数据处理方法在国内首次开展了相关的研究工作,并将研究成果应用到了天然卫星的高精度定位和GEO卫星光学观测系统的精度评估工作中。本文主要的研究内容和创新点包括以下4部分:1.常规扫描仪的天文底片数字化方法的研究首先对常规扫描仪的性能进行全面的分析,结果表明常规扫描仪在CCD列方向的精度较好。但由于常规扫描仪在扫描方向上的机械运动存在不稳定性,导致天文底片数字化图像在扫描方向(Y方向)上的精度较差。本文提出了对天文底片进行0°和90°两次扫描综合确定底片上星象量度坐标的方法来解决扫描方向精度较差的问题。数据处理结果显示,该方法可以有效地提高常规扫描仪的天文底片数字化图像在扫描方向的精度。本文利用常规扫描仪研究的天文底片数字化方法由以下三部分组成:(1)天文底片信息的归档;(2)天文底片的数字化:首先,以较低分辨率的JPG格式对天文底片进行快速的数字化,保存底片非药膜面上的标记;然后,清理天文底片非药膜面上的标记和杂质,以避免对底片数字化图像的数据处理产生干扰;最后,使用高分辨率的TIFF格式分别对底片进行0°和90°的扫描;(3)天文底片数字化图像的标准化:包括图像格式的转换和图像头文件信息的完善。2.天体测量底片数字化图像归算软件的研制通过天文底片数字化图像和CCD观测图像的特征比较可知,常用的天体测量软件对天文底片数字化图像并不适用。所以,本文研制了相应的天体测量底片数字化图像归算软件。本软件主要由三个方面的功能模块组成:(1)天文底片数字化图像的预处理。将常规扫描仪得到的TIFF图像转换为天文领域常用的FITS图像,并完善FITS图像的头文件信息。(2)数字化图像中星象量度坐标的获取。首先对图像进行分块,然后提取星象并确定星象中心,最后利用0°和90°图像中的星象中心综合确定星象的量度坐标。(3)天体测量归算。从对应天区中提取星表信息,进行参考星匹配后,选取最佳的底片常数模型对目标星的位置进行归算。本文研究的该软件不仅适用于常规扫描仪的天文底片数字化图像,对于专业扫描仪的天文底片数字化图像及CCD观测图像的数据处理同样适用。3.天然卫星的底片数字化及其应用研究利用国家授时中心(原陕西天文台)拍摄的天文底片,本文在国内首次系统的完成了天然卫星的底片数字化和数据处理的研究工作。研究结果表明天文底片数字化及数据的重新处理不仅有利于天文底片信息的永久保存,还可以有效地提高历史数据的精度,甚至找到天文底片在历史数据处理时遗漏的目标信息或改正历史归算错误的信息获得第一手观测资料。长时间高精度的天然卫星观测资料对天然卫星的主星的质量和动力学形状参数的求解等工作非常有利。所以,本文将土星卫星底片数字化后归算的位置应用到了土星质量和动力学形状参数的求解中。4.在GEO卫星光学观测系统精度评估中的应用使用本文研究的天体测量底片数字化图像归算软件对中国科学院国家授时中心新建的50cm GEO卫星光学观测系统的天体测量精度进行了评估,结果显示本观测系统具有较好的天体测量精度,完全可以满足对地球同步轨道卫星和天然卫星进行观测的需求。同时,本光学系统的天体测量结果也说明了本文研究的天体测量底片数字化图像归算软件同样可以用于对CCD图像进行数据处理。