一种基于地球形体特征和大气参数的太阳位置的校正方法技术

本发明专利技术提供的一种基于地球形体特征和大气参数的太阳位置校正方法，通过太阳位置算法获取基准太阳位置，在基准太阳位置的基础上对地心视差和蒙气差进行逆向校正，使用校正后的数据对进行校正；地心视差逆向校正的方法为：当阳光照射到遮挡物上产生阴影时，计算遮挡物低端到地心的距离，根据这个距离、太阳高度角实现对地心视差校正，对蒙气差逆向校正时，对计算蒙气差时的每一层产生的光的折射过程进行再次进行细化，计算太阳光进入每一层的蒙气差，将此蒙气差带入到正向校正中得出的总的蒙气差的积分公式中，得出经过逆向校正的蒙气差公式。本发明专利技术基于地球形体及大气参数的校正能有效减小SPA原始计算误差，提高太阳位置的计算精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳位置的计算，尤其涉及一种基于地球形体特征和大气参数的太阳位置校正方法。
技术介绍
日照分析的基础算法是太阳位置算法(SolarPositionAlgorithm，简称SPA)，它主要根据分析时间和地理位置计算出某一时刻的太阳位置。目前，在日照分析研究中主要存在以下几方面的问题：(1)日照分析的研究对象方面高低起伏的地形、具有一定高度和形体体征的植被、公用标志建筑、住宅周边的亭台楼阁，甚至被文化保护的古树、古塔等与居住建筑物同样对日照光线能产生遮挡效应。传统建筑日照分析研究中，仅以人居建筑为研究对象，忽略了真实条件下诸多复杂的地物要素，计算出的结果并不能逼真表达真实场景下的日照时数。我国山地(包括丘陵)面积约占国土面积的三分之二(孙汉群,2005)，山地城镇约占全国城镇总数50％，山地居住的人口占全国人口50％。因此，人居环境周边的丘陵、山地、植被、标志建筑等地物要素对日照产生的遮挡效应不容忽视。(2)日照分析所采用的太阳位置算法方面在复杂地理场景中进行日照分析时，SPA原始计算误差将表现出更为显著的“倍级”放大效应。主要体现在：①忽略了大地坐标与天文坐标二者的差异对太阳位置计算的误差影响；②忽略地理坐标参照的地球形体特征对SPA计算精度影响。由坐标系参照的旋转椭球定义可知：地面点至地心的距离与大地坐标经纬值及参照的旋转椭球参数紧密相关。且由视差的产生机理可知：地面点至地心的距离是SPA视差校正的关键参数。因此，忽略SPA视差校正和坐标系参照的地球形体特征对SPA计算精度影响，势必导致日照分析计算结果的偏差增大；③忽略了大气折射对SPA计算精度影响。由蒙气差产生机理可知，大气折射对日照光线方向上的影响效应与对应时刻下的太阳高度角紧密相关，且随高度角减小呈增大趋势。因此，忽略蒙气差校正将导致SPA计算误差进一步增加；④针对多种SPA(包括TEP-SPA和NFP-SPA)对日照时数的计算精度影响性能，尚未开展过多研究，迄今还未发现精度适合于地学研究的SPA算法基准；⑤视差和蒙气差的研究主要集中在天文和大气领域，且研究角度是从“观测位置”(即产生地物阴影的对应太阳位置，以下简称“有效太阳位置”)到“实际位置”(即SPA计算出的理想位置，以下简称“计算位置”)的正向校正，并未过多开展适用于日照分析的“逆向纠正”研究，即：“计算位置”到“有效位置”的校正研究。因此，为尽可能减少复杂地理场景中日照分析计算误差，逼真地表达真实场景下的日照时数，在顾及地球表面复杂多样的地形要素之前提下，势必开展针对地理坐标系统的最佳选择，以及坐标系参照椭球形体参数及大气折射对SPA的校正研究。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供一种对地心视差和蒙气差的逆向校正的方法，以达到更为精确的计算太阳位置的目的。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于地球形体特征和大气参数的太阳位置校正方法，通过太阳位置算法获取基准太阳位置，在基准太阳位置的基础上对地心视差和蒙气差进行逆向校正，使用校正后的数据对太阳位置进行校正；其中，地心视差逆向校正的方法为：当阳光照射到高度为H的遮挡物上产生阴影时，从地心和遮挡物顶端两个地方观测到的太阳的高度角分别为h和h’，计算出h和h’之间的参数方程，再结合大地测量理论，计算遮挡物低端到地心的距离，将这个距离、现有太阳位置算法计算出的太阳高度角带入到上述的h和h’之间的参数方程中，实现对地心视差h’的校正，地心视差h’的校正公式为：h′=arctan(tan(arcsin(cosψcosδcost+sinψsinδ))-OMOScos(arcsin(cosψcosδcost+sinψsinδ)))]]>；OM为遮挡物MM′上高度为H的顶点M与地心之距离，OS为某一时刻t日地距离，OS为某一时刻太阳质心至地球质心距离，Ψ为当地经度(度)，δ为太阳光线垂直照射的地点与地球赤道所夹的圆心角；蒙气差逆向校正的方法为：使用太阳实际位置对应的高度角计算蒙气差；具体来说，对蒙气差进行正向校正时，将蒙气差正向校正中对大气层分割成密度均匀的许多层后，对每一层中的光线线路进行分段线性处理，得到每一层的蒙气差，进而得到总的蒙气差的积分公式，而对蒙气差逆向校正时，则对每一层产生的光的折射过程进行再次进行细化，即根据折射原理，计算太阳光进入每一层的蒙气差，将此蒙气差带入到正向校正中得出的总的蒙气差的积分公式中，得出经过逆向校正的蒙气差公式：ζ=sinV∫1L(1μi2-sin2V+sμi2(μi2-sin2V)3+3s2μi28(μi2-sin2V)5+...)dμμi,]]>V为计算出的太阳天顶角，即V＝90°-h，L为地面折射率，S为观测到的太阳在天空中的位置，μi为第i大气层的折射率。所述获取基准太阳位置的太阳位置算法为基于天文算法的SPA算法，所述的太阳位置指的是方位角和高度角。所述地心视差逆向校正的公式中遮挡物顶端到地心的距离OM为遮挡物的高度H加上遮挡物底端到地心的距离OM′，其中遮挡物底端到地心的距离OM′满足：OM′=ROP=Ncos2B+(1-e2)2sin2B]]>遮挡物顶端到地心的距离OM满足：OM=Ncos2B+(1-e2)2sin2B+H,]]>H为遮挡物MM′高度，e为椭球曲率，N为P点卯酋圈曲率半径，B为大地纬度。所述某一时刻太阳质心到地球质心的距离OS为：OS≈15210万千米(远日点，4月16日-10月15日)，OS≈14710万千米(近日点，前一年10月16日至4月15日)。蒙气差正向校正时的蒙气差微分公式为:ζ=μ1sinv1∫1μ1(1μi2-μ12sin2v1-sμi2(μi2-μ12sin2v1)3+3s2μi48(μi2-μ12sin2v1)5+...)dμμi,]]>其中为观测太阳在天空中的位置，ri为第i层和第i-1层的球面边界的半径；ri-1为第i-1和i-2层的球面边界半径，v1为地面观测太阳天顶角，μi为积分项对应的第i层大气折射率，μ1为地面折射率。对蒙气差的逆向校正公式的简化公式为：其中，μ1为地面折射率，h为地心视差。在任何温度、气压条件下，地面太阳可见光的大气折射率为：其中，T为开氏温度，t为摄氏温度，T＝t+273.15，P为大气压强。本专利技术的有益效果：本专利技术基于地球形体及大气参数的SPA校正能有效减小SPA原始计算误差，提高太阳位置的计算精度。附图说明图1为天球模型示意图。图2为地心视差原理示意图。图3为有效太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地球形体特征和大气参数的太阳位置校正方法，其特征在于：通过太阳位置算法获取基准太阳位置，在基准太阳位置的基础上对地心视差和蒙气差进行逆向校正，使用校正后的数据对太阳位置进行校正；其中，地心视差逆向校正的方法为：当阳光照射到高度为H的遮挡物上产生阴影时，从地心和遮挡物顶端两个地方观测到的太阳的高度角分别为h和h’，计算出h和h’之间的参数方程，再结合大地测量理论，计算遮挡物低端到地心的距离，将这个距离、现有太阳位置算法计算出的太阳高度角带入到上述的h和h’之间的参数方程中，实现对地心视差h’的校正，地心视差h’的校正公式为：h′=arctan(tan(arcsin(cosψcosδcost+sinψsinδ))-OMOScos(arcsin(cosψcosδcost+sinψsinδ)));]]>OM为遮挡物MM′上高度为H的顶点M与地心之距离，OS为某一时刻t日地距离，OS为某一时刻太阳质心至地球质心距离，Ψ为当地经度(度)，δ为太阳光线垂直照射的地点与地球赤道所夹的圆心角；蒙气差逆向校正的方法为：使用太阳实际位置对应的高度角计算蒙气差；具体来说，对蒙气差进行正向校正时，将蒙气差正向校正中对大气层分割成密度均匀的许多层后，对每一层中的光线线路进行分段线性处理，得到每一层的蒙气差，进而得到总的蒙气差的积分公式，而对蒙气差逆向校正时，则对每一层产生的光的折射过程进行再次进行细化，即根据折射原理，计算太阳光进入每一层的蒙气差，将此蒙气差带入到正向校正中得出的总的蒙气差的积分公式中，得出经过逆向校正的蒙气差公式：ζ=sinV∫1L(1μi2-sin2V+sμi2(μi2-sin2V)3+3s2μi48(μi2-sin2V)5+...)dμμi,]]>V为计算出的太阳天顶角，即V＝90°‑h，L为地面折射率，S为观测到的太阳在天空中的位置，μi为第i大气层的折射率。...

【技术特征摘要】
1.一种基于地球形体特征和大气参数的太阳位置校正方法，其特征在于：通过
太阳位置算法获取基准太阳位置，在基准太阳位置的基础上对地心视差和蒙气差
进行逆向校正，使用校正后的数据对太阳位置进行校正；
其中，
地心视差逆向校正的方法为：当阳光照射到高度为H的遮挡物上产生阴影时，
从地心和遮挡物顶端两个地方观测到的太阳的高度角分别为h和h’，计算出h
和h’之间的参数方程，再结合大地测量理论，计算遮挡物低端到地心的距离，将
这个距离、现有太阳位置算法计算出的太阳高度角带入到上述的h和h’之间的参
数方程中，实现对地心视差h’的校正，地心视差h’的校正公式为：
h′=arctan(tan(arcsin(cosψcosδcost+sinψsinδ))-OMOScos(arcsin(cosψcosδcost+sinψsinδ)));]]>OM为遮挡物MM′上高度为H的顶点M与地心之距离，OS为某一时刻t日地
距离，OS为某一时刻太阳质心至地球质心距离，Ψ为当地经度(度)，δ为太阳
光线垂直照射的地点与地球赤道所夹的圆心角；
蒙气差逆向校正的方法为：使用太阳实际位置对应的高度角计算蒙气差；具
体来说，对蒙气差进行正向校正时，将蒙气差正向校正中对大气层分割成密度均
匀的许多层后，对每一层中的光线线路进行分段线性处理，得到每一层的蒙气差，
进而得到总的蒙气差的积分公式，而对蒙气差逆向校正时，则对每一层产生的光
的折射过程进行再次进行细化，即根据折射原理，计算太阳光进入每一层的蒙气
差，将此蒙气差带入到正向校正中得出的总的蒙气差的积分公式中，得出经过逆
向校正的蒙气差公式：
ζ=sinV∫1L(1μi2-sin2V+sμi2(μi2-sin2V)3+3s2μi48(μi2-sin2V)5+...)dμμi,]]>V为计算出的
太阳天顶角，即V＝90°-h，L为地面折射率，S为观测到的太阳在天空中的位置，
μi为第i大气层的折射率。
2.根据权利要求1所述的基于地球形体特征和大气参数的太阳位置校正方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张富，毛大鹏，张丽娟，邱本志，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南;41