光学观测监测器可以测出望远镜到恒星路径上的整个大气湍流，它是研究观测的重要工具。
这些仪器一般由 15 到 30 厘米的望远镜和一个光电焦平面探测器组成，用于测量图像大小。
它们自行运作，大大减少了对人类的依赖。
【光学观察监视器】
北极星望远镜是安在混凝土桥墩上指向北天极的望远镜，20 世纪 60 年代被用于 4 米级望远镜的现场测试，它固定着，风震减小，跟踪误差没了。
另一方面，它们在南半球用不了（没有极星），在低纬度地区也用不了，因为观测角度太大，退化得太厉害了。
还有一种是「星迹」法，就是用装在传统架子上的望远镜，观测时停止跟踪，以此来消除跟踪误差。
恒星图像在焦平面上留下「轨迹」，焦平面的宽度是对其的测量，但是风会影响测量，而且视觉只能单向测量。
剪切干涉仪也可成功用于测量波前相干性，其优点是测量结果不受望远镜光学系统影响，但有跟踪误差，且很难在恶劣环境中操作。
这些问题促使差分图像运动监视器（DIMM）的出现，现在它已经成为现场测试的主要工具了。
这方法是通过量度穿过大气的两条不同路径看到的不同图像的运动，而这些图像的微分运动与 r0 直接相关，r0 是一种视觉的测量。
差分测量的优点是可以消除望远镜的跟踪误差和震动，通过小孔看到的恒星图像的瞬时位置是波前斜率的函数，不过这个图像的位置也会受到小孔自身运动的影响。
用同一掩模上的两个孔收集星光，两幅图像的差分运动，只是两个孔上方波前斜率差值的函数，与掩模的运动没关系。
根据大气湍流理论，这斜率差是 r0 和波长的函数，更确切地说，是纵向和横向图像运动的微分，即 σl 2 和 σt 2。
其中，D 是每个孔径的直径，D 是它们的分离度，λ 是波长。
明亮的恒星通过望远镜孔径掩模的两个孔收集，一束光被棱镜偏离，以分离焦平面上的两幅图像。
为了能更方便地让瞳孔特征和观察条件相匹配，有个更好的解决办法是重新给瞳孔成像，再用分束器把两束光分开。
一般来说，这个直径是 30 厘米的望远镜，会被建在露天，周围没有遮挡，而且距离地面至少 5 米高，这样就可以避免圆顶被看到，也能超过大部分表层。
面具上的孔直径约几厘米，相隔约 20 厘米，观测 V3 星时，操作距离天顶小于 30°，每 200 ms 测量一次图像中心，然后计算每分钟观测的统计估计。
测量精度受光子噪声限制，观测精度大于 0.2 的话，测量精度约为 10%，DIMMs 测量的结果跟直径约 2 米的望远镜观测结果相关。
这种情况是因为 r0 和观测到的观测值之间的联系假定了湍流的外部尺度 L 为无穷大（或与望远镜的尺寸相比非常大）。
实际上，L 在 10 到 100 米之间，平均是 25 米，这跟最大望远镜孔径差不多，所以得修正一下。
通常情况下，8-10 米级的望远镜在可见光中的效果，比用 dimm 确定的效果好约 10%，这对红外线的影响更大。
【太空轨道和月球】
大多数天文卫星都被放置在赤道附近的近地轨道上，这样可以获得完美的透明度和地球磁场对宇宙射线的屏蔽，不需要最小的发射能力。
这些轨道范围在数小时内可到达的地球同步轨道，到大约 3 个月后的第二个拉格朗日点，但同时还得考虑可用的发射系统、它们的成本和性能，这些都与轨道选择紧密相关。
尽管火箭技术已经有了半个多世纪的进步，但目前和可预见的运载火箭还是给天文台的设计带来了巨大的财政和物理方面的限制。
比如，想把有效载荷送上高轨道，就需要多得多的燃料、复杂的发动机和分段系统，有效载荷质量得达到要求的一百倍才行。
此外，新发射系统开发成本高、风险大，导致发射和轨道选择菜单有限。对于大型望远镜来说，整流罩尺寸也很关键，这实际上要求望远镜可以在轨道上展开。
【低倾角近地轨道】
低倾角低地轨道（LEO）的海拔高度在 300 至 1000 公里之间，倾斜度约为 30?，但在海拔 300 公里以下的地方则不是这样，这可能是因为大气中的阻力。
太高了不行，在范艾伦带里会被困住，那里有很多高能粒子；倾斜度小一点好，因为地球自转能增加发射速度。
轨道倾角通常为发射场的纬度（NASA 从肯尼迪角发射为 28°，从法属圭亚那的库鲁发射为 5°），因为这样能最大限度地提高有效载荷 的质量能力。根据开普勒第三定律，轨道周期等于：
根据公式，a 为轨道的半长轴，G 为引力常数（G=6.67×10?11 N·m2/kg2），M 为地球质量（M=5.98×102? kg）。对于在海拔 600 公里（如 HST）的圆形轨道上的天文台，其周期约为 96 分钟。
近地轨道的一个特殊之处在于，这个轨道的平面会随时间转动，这是因为地球是个扁球形，重心和质心不重合。
在远离地球的地方，差异可以忽略不计，但对于低地轨道来说，这种影响就很明显了，比如 HST，其轨道平面每天大约旋转 6.2832 度（56 天的周期）。
大多数科学卫星被放在近地轨道上，或者通过专用发射装置，或者通过美国太空运输系统（STS，一般叫「航天飞机」）。
对于地球观测仪器来说，这是个明显的选择，但对天文学而言并非如此。近地轨道的主要优点是，可以进入轨道的质量大得多。
当用航天飞机时，这设施也能做「维护」，像是修理或升级。近地轨道的另一个好处是，在被粒子困的范艾伦带里，宇宙射线的程度很低。
另一方面，地球频繁地进行目标掩星，导致观测效率低，在一个典型的 96 分钟轨道周期内，差不多有一半的时间（约 40 分钟）都浪费了。
长时间曝光时，每次传球都要「重新找」目标星和引导星，对于红外望远镜来说，还有一个困难，就是地球会对望远镜光学部分产生热加热。
来自地球的热量输入很可观（240 瓦/平方米），这使得光学器件无法靠被动冷却到低温，望远镜必须遮光良好，以减少来自太阳和明亮地球的杂散光，光学器件需要主动冷却。
地球对太阳的周期性日食会引起温度大幅波动，可能导致光学失调、图像退化和指向误差，例如，HST 的遮光罩温度从暗面的约-80?C 到轨道太阳面的约+50?C。
所以，哪怕主反射镜是用低热膨胀材料做的，也得给它做隔热和温度控制，免得图形变了。
【太阳同步轨道】
正如前文所述，近地轨道进动的影响会随倾角的增大而减小。我们可以通过选择一个足够高的近极轨道，让进动率达到每年向东 1 天，以此确保轨道平面始终对准太阳的固定方向。
这种轨道被称为「太阳同步」，要是轨道平面选得垂直于太阳（即在地球的终结面上），那么太阳在飞船上看到的天空位置始终不变。
要是只观测太阳背面，来自地球和太阳的温暖辐射，能被简单的遮光片和杂散光挡住。
这样的话，大型散热器就能装在航天器的冷那边，让温度能比较低地达到相对稳定。
但是，太阳同步轨道对 IRAS 等全天时巡天望远镜而言是个好选择，极地轨道则需要特定的发射地点，得是无人居住的区域（美国加州范登堡空军基地的美国发射），且发射速度效率较低，因为它们无法利用地球的自转速度。
【地球静止轨道和地球同步轨道】
如果有颗卫星在圆形、赤道、向西的轨道上，其周期刚好等于恒星日（23 小时 56 分钟），那么从地球上看它是静止的。
这种「地球静止地球轨道」（GEO）对通信和气象卫星很有用，对天文卫星也有用，因为它能让卫星与单个地面站持续联系，实现类似地面观测器的实时操作。
这个轨道的优点是它离地球较远，只有 16?，所以被地球挡住的天空部分小，地球的热量输入也最小。
缺点是它处于范艾伦辐射带，这会增加探测器背景和电子设备永久损坏的概率，并且该轨道是「地球同步」轨道，与地球自转同步。
【高地球轨道】
为了躲开范艾伦带，人们得去更高的地方，这些远地轨道（HEO）可以是圆的，也可以是高度椭圆的。
这种轨道的缺点在于循环化耗能高，有效载荷质量相应降低，高度椭圆轨道（例如，1000×200000 公里）所需能量较少，允许对地球进行数周的观测，但卫星在每个近地点会穿过辐射带两次。
当卫星远离地球附近时，太阳的引力就不可忽略了，这时卫星的运动也不能用简单的方式来描述了。
这就是三体问题，其轨迹不是椭圆那样的封闭曲线，也不能用开普勒定律的简单方程来计算。
但是，有一种特殊情况，那就是第三个物体的质量相比另外两个物体的质量可以忽略不计，并且两个大质量物体中的一个处于圆形轨道上，另一个也是。
在这种情况下，轨道平面上有五个位置，小质量物体一旦嵌入该平面，就会在圆形轨道上运动，与其他两个物体「绑定」在一起。
这些点被叫做与两个大质量相关的「拉格朗日点」，分别是 L1 到 L5。在这些点上，来自两个主体的引力与轨道离心力相平衡。太阳系中每一对大质量点都有这样的拉格朗日点，比如地-月系统和太阳-地系统。
五个拉格朗日点中的两个，L4 和 L5 是稳定的，另外三个是亚稳定的，放在那里的物体受扰后不会回到原来位置。
当然，扰动是不可避免的，比如太阳压力和月球及其他行星的拉力。不过，航天器可以通过空间站的定期操作，保持在这两个亚稳态轨道上。实际上，航天器是在绕拉格朗日点运行，而不是天体，这种轨道就叫「晕轨道」。
L2 点是观测太阳地球系统的绝佳位置，因为那儿太阳、地球和月球会一直处于望远镜的同一侧，能最大限度地观测天空。
这也是个理想的轨道，可以被动地给望远镜降温，而不用完全脱离地球，也不需要长距离的通信链路。
【总结】
一个盾牌就能保护天文台，挡住太阳，限制最小，还能防地球和月亮。
除此之外，太阳的恒定距离（1 AU）确保了稳定的热环境和持续的太阳能照明，而且，地球到太阳的距离足够小，可以进行宽带无线电通信，无需使用非常大的地面天线。
比如 MAP、NGST 这类为 L2 发射或计划的任务，与近地轨道上的轨道碎片相比，其影响是相对较温和的。
【1】Sarazin，M.，未来地面望远镜项目的理想地点，国际天文学联合会可见和无线电范围内天文地点评估研讨会，2000.
【2】Morse， D. 和吉列特，水蒸汽监测工程报告，AURA工程报告73，KPNO，图森AZ，1982.
【3】 Singal，声学遥感，第五届大气和海洋声学遥感年度研讨会论文集，1990.
【4】福布斯，巴克，彼得曼，库达巴克，d博士和莫尔斯， D.高海拔声学探测，SPIE专业，第551卷，第60页，1985.
