CN114777730B

CN114777730B - 一种地基太阳高度角的计算方法和装置

Info

Publication number: CN114777730B
Application number: CN202210677387.9A
Authority: CN
Inventors: 王宇翔; 苏永恒; 邓巧; 李素菊; 佟雨; 姜文俊; 郭云肖; 吴功友; 胡凯龙
Original assignee: National Disaster Reduction Center Of Emergency Management Department; Aerospace Hongtu Information Technology Co Ltd
Current assignee: National Disaster Reduction Center Of Emergency Management Department; Aerospace Hongtu Information Technology Co Ltd
Priority date: 2022-06-16
Filing date: 2022-06-16
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2042-06-16
Also published as: CN114777730A

Abstract

本发明提供了一种地基太阳高度角的计算方法和装置，涉及数据处理的技术领域，包括：将地基设备站当前时刻的站址坐标转换为地固坐标系的第一坐标点，以及将太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标转换为地固坐标系的第二坐标点；基于第一坐标点、第二坐标点和星历计算，确定出目标时刻太阳在地固坐标系的第三坐标点，其中，目标时刻为当前时刻与太阳光传到地面所需时间的差值；基于地基设备站当前时刻的站址坐标，确定出测站坐标系的第一转换矩阵；基于第一坐标点、第三坐标点和转换矩阵，计算出当前时刻的地基太阳高度角，解决了现有的地基太阳高度角的计算方法的适用性较差的技术问题。

Description

一种地基太阳高度角的计算方法和装置

技术领域

本发明涉及数据处理的技术领域，尤其是涉及一种地基太阳高度角的计算方法和装置。

背景技术

随着科技的飞速发展，在航天测控领域工程中和生活中将越来越广泛的运用到太阳高度角计算功能。例如针对于地基光学设备，将需要使用太阳高度角来进行约束，使得地基设备站在阴影中；对于升旗仪式，也需要准确计算每时每刻的太阳高度角，以此更精确地得出太阳升起时刻。

由美国Analytical Graphics公司开发的一款航天领域商业分析软件STK中包含有关太阳高度角计算组件。该软件只能运行在windows系统上，无法实现跨平台应用。太阳高度角计算组件与系统间联系紧密无法脱离STK系统单独使用。在STK7.0版本以后该软件对我国实施禁运，太阳高度角计算组件核心无法到达自主可控的程度。

针对上述问题，还未提出有效的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种地基太阳高度角的计算方法和装置，以缓解了现有的地基太阳高度角的计算方法的适用性较差的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种地基太阳高度角的计算方法，包括：将地基设备站当前时刻的站址坐标转换为地固坐标系的第一坐标点，以及将太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标转换为地固坐标系的第二坐标点；基于所述第一坐标点、所述第二坐标点和星历计算，确定出目标时刻太阳在地固坐标系的第三坐标点，其中，所述目标时刻为所述当前时刻与太阳光传到地面所需时间的差值；基于所述地基设备站当前时刻的站址坐标，确定出所述测站坐标系的第一转换矩阵；基于所述第一坐标点、所述第三坐标点和所述转换矩阵，计算出所述当前时刻的地基太阳高度角。

进一步地，将太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标转换为地固坐标系的第二坐标点，包括：确定出所述J2000坐标系对应的第二转换矩阵，其中，所述第二转换矩阵包括:岁差矩阵、章动矩阵、地球自转矩阵和地球极移矩阵；基于所述太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标转换和所述转换矩阵，计算出所述第二坐标点。

进一步地，基于所述第一坐标点、所述第二坐标点和星历计算，确定出目标时刻太阳在地固坐标系的第三坐标点，包括：计算出所述第一坐标点和所述第二坐标点之间的距离；基于所述距离和光速，计算出所述太阳光传到地面所需时间；基于所述当前时刻和所述太阳光传到地面所需时间，计算出所述目标时刻；基于星历计算，计算出所述目标时刻太阳在J2000坐标系的第四坐标点；将所述第四坐标点转换为所述第三坐标点。

进一步地，所述第一转换矩阵为

，其中，

，

，

为所述站址坐标中的经度，

为所述站址坐标中的纬度。

进一步地，基于所述第一坐标点、所述第三坐标点和所述转换矩阵，计算出所述当前时刻的地基太阳高度角，包括：基于所述第一坐标点和所述第三坐标点，计算出所述地基设备站到所述太阳的地固坐标系矢量；计算出所述转换矩阵与所述地固坐标系矢量之间的乘积，得到所述地基设备站到所述太阳的测站坐标系矢量；基于预设公式和所述测站坐标系矢量，计算出所述当前时刻的地基太阳高度角。

进一步地，所述预设公式为

，

为所述测站坐标系矢量在Y方向的标量，

为所述测站坐标系矢量在X方向的标量。

进一步地，在将地基设备站当前时刻的站址坐标转换为地固坐标系的第一坐标点，以及将太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标转换为地固坐标系的第二坐标点之前，所述方法还包括：获取所述站址坐标，并确定所述站址坐标中的经度是否处于第一预设范围且所述站址坐标中的维度是否处于第二预设范围；若所述站址坐标中的经度不处于第一预设范围和/或所述站址坐标中的维度不处于第二预设范围，则生成提示信息，其中，所述提示信息用于表征所述站址坐标存在错误；基于星历计算，确定出所述太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标。

第二方面，本发明实施例还提供了一种地基太阳高度角的计算装置，包括：转换单元，第一确定单元，第二确定单元和计算单元，其中，所述转换单元，用于将地基设备站当前时刻的站址坐标转换为地固坐标系的第一坐标点，以及将太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标转换为地固坐标系的第二坐标点；所述第一确定单元，用于基于所述第一坐标点、所述第二坐标点和星历计算，确定出目标时刻太阳在地固坐标系的第三坐标点，其中，所述目标时刻为所述当前时刻与太阳光传到地面所需时间的差值；所述第二确定单元，用于基于所述地基设备站当前时刻的站址坐标，确定出所述测站坐标系的第一转换矩阵；所述计算单元，用于基于所述第一坐标点、所述第三坐标点和所述转换矩阵，计算出所述当前时刻的地基太阳高度角。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储支持处理器执行上述第一方面中所述方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序。

在本发明实施例中，通过将地基设备站当前时刻的站址坐标转换为地固坐标系的第一坐标点，以及将太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标转换为地固坐标系的第二坐标点；基于所述第一坐标点、所述第二坐标点和星历计算，确定出目标时刻太阳在地固坐标系的第三坐标点，其中，所述目标时刻为所述当前时刻与太阳光传到地面所需时间的差值；基于所述地基设备站当前时刻的站址坐标，确定出所述测站坐标系的第一转换矩阵；基于所述第一坐标点、所述第三坐标点和所述转换矩阵，计算出所述当前时刻的地基太阳高度角。达到了可以在多个操作系统中运行本发明中的地基太阳高度角的计算方法的目的，进而解决了现有的地基太阳高度角的计算方法的适用性较差的技术问题，从而实现了提高地基太阳高度角的计算方法的适用性的技术效果。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种地基太阳高度角的计算方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种地基太阳高度角的计算装置的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电子设备的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

根据本发明实施例，提供了一种地基太阳高度角的计算方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的一种地基太阳高度角的计算方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，将地基设备站当前时刻的站址坐标转换为地固坐标系的第一坐标点，以及将太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标转换为地固坐标系的第二坐标点；

需要说明的是，地固坐标系是指原点O(0，0，0)为地球质心，Z轴与地轴平行指向北极点，X轴指向本初子午线与赤道的交点，Y轴垂直于XOZ平面(即东经90度与赤道的交点)构成右手直角坐标系。

J2000坐标系以历元J2000的平天极及平春分点建立的协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系，其与地球自转无关。Z轴指向北平天极，X轴指向平春分点，Y轴与Z、X成右手直角坐标系。

步骤S104，基于所述第一坐标点、所述第二坐标点和星历计算，确定出目标时刻太阳在地固坐标系的第三坐标点，其中，所述目标时刻为所述当前时刻与太阳光传到地面所需时间的差值；

需要说明的是，星历计算是指根据某个时刻计算出太阳在J2000坐标系下的位置。即输入格林尼治UTC观测时间，利用JPL-DE405月球/行星历表，得到观测瞬时日月和行星在太阳系质心坐标系下的位置和速度，再根据坐标转换得到日月和行星在J2000坐标系下的位置和速度。

其中，太阳系质心坐标系：是以太阳系质心为原点,坐标轴指向某几颗遥远的恒星，是由国际天文学联合会规定的太阳系质心参考系的其中一个坐标系。

步骤S106，基于所述地基设备站当前时刻的站址坐标，确定出所述测站坐标系的第一转换矩阵；

步骤S108，基于所述第一坐标点、所述第三坐标点和所述转换矩阵，计算出所述当前时刻的地基太阳高度角。

需要说明的是，在执行步骤S102之前，所述方法还包括如下步骤：

获取所述站址坐标，并确定所述站址坐标中的经度是否处于第一预设范围且所述站址坐标中的维度是否处于第二预设范围；

若所述站址坐标中的经度不处于第一预设范围和/或所述站址坐标中的维度不处于第二预设范围，则生成提示信息，其中，所述提示信息用于表征所述站址坐标存在错误；

基于星历计算，确定出所述太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标。

在本发明实施例中，首先，需要校验站址坐标的合法性，即，在获取站址坐标之后，由于地基设备站址坐标经度变化范围-180到180度（即，第一预设范围），纬度变化范围-90到90度（第二预设范围）。

因此，当站址坐标中的经度不处于第一预设范围和/或站址坐标中的维度不处于第二预设范围，则生成提示信息并且记录至系统问题日志中，其中，提示信息用于表征所述站址坐标存在错误。

在本发明实施例中，步骤S102包括如下步骤：

步骤S11，确定出所述J2000坐标系对应的第二转换矩阵，其中，所述第二转换矩阵包括：岁差矩阵、章动矩阵、地球自转矩阵和地球极移矩阵；

步骤S12，基于所述太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标转换和所述转换矩阵，计算出所述第二坐标点。

在本发明实施例中，J2000坐标系到地固坐标系的转换，需要先计算出转换矩阵:岁差矩阵(PR)、章动矩阵(NR)、地球自转矩阵(ER)和地球极移矩阵(EP)。转换矩阵一般由3种旋转矩阵组成：它们分别是绕X，Y，Z轴旋转角度

后的结果。3个旋转矩阵

的计算公式为：

；

；

。

4个转换矩阵的计算公式如下：

；

；

；

。

其中，

是极移分量，

是格林尼治恒星时，

是交角章动，

是赤经章动，

是赤纬章动，

和

为岁差常数。则J2000坐标系到地固坐标系的位置转换公式为：

，即可得到J2000坐标系下的坐标点。

岁差：是指某一天体的自转轴指向在其他天体的引力的作用下，相对于空间中的惯性坐标系所发生的缓慢且连续的变化。地球的岁差主要由太阳、月球及其他行星作用在地球赤道隆起部分的引力矩引起。

章动：当陀螺的自转角速度不够大时，除了自转和进动外，陀螺的对称轴还会在铅垂面内上下摆动，称为章动。章动数值通常可以分为平行和垂直于黄道的两个分量，在黄道上的分量称为黄经章动，垂直黄道的分量称为斜章动。

地球自转：地球绕自转轴自西向东的转动，从北极点上空看呈逆时针旋转，从南极点上空看呈顺时针旋转。地球自转轴与黄道面成66.34度夹角，与赤道面垂直。地球自转是地球的一种重要运动形式，自转的平均角速度为 4.167×10-3度/秒，在地球赤道上的自转线速度为465米/秒。地球自转一周耗时23小时56分，约每隔10年自转周期会增加或者减少千分之三至千分之四秒。

地球极移：指地球自转轴相对于地球本体的位置变化，这种运动称地极移动，简称极移。

在本发明实施例中，步骤S104包括如下步骤：

步骤S21，计算出所述第一坐标点和所述第二坐标点之间的距离；

步骤S22，基于所述距离和光速，计算出所述太阳光传到地面所需时间；

步骤S23，基于所述当前时刻和所述太阳光传到地面所需时间，计算出所述目标时刻；

步骤S24，基于星历计算，计算出所述目标时刻太阳在J2000坐标系的第四坐标点；

步骤S25，将所述第四坐标点转换为所述第三坐标点。

在本发明实施例中，首先，计算出第一坐标点和第二坐标点之间的距离，接着，利用该距离除以光速，得到太阳光传到地面所需时间。

然后，用于当前时刻减去太阳光传到地面所需时间，得到所述目标时刻。

接着，根据星历计算出目标时刻太阳在J2000坐标系下的第四坐标点，再利用坐标转换使用当前时刻的4个转换矩阵（岁差矩阵(PR)、章动矩阵(NR)、地球自转矩阵(ER)和地球极移矩阵(EP)），将目标时刻太阳在J2000坐标系下的第四坐标点转为目标时刻太阳在地固系下的第三坐标点。

在本发明实施例中，步骤S106中，所述测站坐标系的第一转换矩阵由旋转矩阵（

，

）组成，旋转矩阵计算公式为：

，

，测站坐标系的第一转换矩阵

，

为所述站址坐标中的经度，

为所述站址坐标中的纬度。

需要说明的是，通过第一转换矩阵可以计算出太阳在测站坐标系目标时刻下的坐标点。

在本发明实施例中，步骤S108包括如下步骤：

步骤S31，基于所述第一坐标点和所述第三坐标点，计算出所述地基设备站到所述太阳的地固坐标系矢量；

步骤S32，计算出所述转换矩阵与所述地固坐标系矢量之间的乘积，得到所述地基设备站到所述太阳的测站坐标系矢量；

步骤S33，基于预设公式和所述测站坐标系矢量，计算出所述当前时刻的地基太阳高度角。

在本发明实施例中，首先，利用第一坐标点和第三坐标点，计算出地基设备站到太阳的地固坐标系矢量

，然后，计算出转换矩阵与地固坐标系矢量之间的乘积，得到地基设备站到所述太阳的测站坐标系矢量

，即

。

最后，利用预设公式

，计算出当前时刻的地基太阳高度角

，

为所述测站坐标系矢量在Y方向的标量，

为所述测站坐标系矢量在X方向的标量。

本发明实施例中提出的地基太阳高度角的计算方法，核心思想是通过光行时找到太阳的真位置，从而使用太阳的真位置来计算太阳高度角，因此算法正确性得到良好改进。并且使用不同的地基设备站址来计算太阳高度角结果与STK对比，计算结果与STK一致。

在本发明实施例中，首先确保在计算太阳高度角时能够使用正确的参数计算出正确的数据。然后计算地基设备站和太阳位置在地固坐标系下的坐标点是为将其转换到同一坐标系，从而保证两者距离的正确计算。接下来地基设备站和太阳两者间的距离计算出光行时，通过光行时计算出太阳在目标时刻的位置。最后通过地基设备站位置和太阳在目标时刻的位置，正确计算出地基设备站太阳高度角。

本发明实施例中提出的地基太阳高度角的计算方法，核心技术自主可控，可单独使用和集成，并且支持多平台使用，如：windows系统、Ubuntu系列系统、CentOS系列系统、麒麟Linux操作系统等，另外，本发明实施例中提出的地基太阳高度角的计算方法、计算的精确性更高。

实施例二：

本发明实施例还提供了一种地基太阳高度角的计算装置，该地基太阳高度角的计算装置用于执行本发明实施例上述内容所提供的地基太阳高度角的计算方法，以下是本发明实施例提供的装置的具体介绍。

如图2所示，图2为上述地基太阳高度角的计算装置的示意图，该地基太阳高度角的计算装置包括：转换单元10，第一确定单元20，第二确定单元30和计算单元40。

所述转换单元10，用于将地基设备站当前时刻的站址坐标转换为地固坐标系的第一坐标点，以及将太阳在J2000坐标系中当前时刻的坐标转换为地固坐标系的第二坐标点；

所述第一确定单元20，用于基于所述第一坐标点、所述第二坐标点和星历计算，确定出目标时刻太阳在地固坐标系的第三坐标点，其中，所述目标时刻为所述当前时刻与太阳光传到地面所需时间的差值；

所述第二确定单元30，用于基于所述地基设备站当前时刻的站址坐标，确定出所述测站坐标系的第一转换矩阵；

所述计算单元40，用于基于所述第一坐标点、所述第三坐标点和所述转换矩阵，计算出所述当前时刻的地基太阳高度角。

实施例三：

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储支持处理器执行上述实施例一中所述方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

参见图3，本发明实施例还提供一种电子设备100，包括：处理器50，存储器51，总线52和通信接口53，所述处理器50、通信接口53和存储器51通过总线52连接；处理器50用于执行存储器51中存储的可执行模块，例如计算机程序。

其中，存储器51可能包含高速随机存取存储器（RAM，Random Access Memory），也可能还包括非不稳定的存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口53（可以是有线或者无线）实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。

总线52可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图3中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器51用于存储程序，所述处理器50在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器50中，或者由处理器50实现。

处理器50可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器50中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器50可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器51，处理器50读取存储器51中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

实施例四：

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例一中所述方法的步骤。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。