基于空间向量的太阳影子全球时空定位方法技术

基于空间向量的太阳影子全球时空定位方法，本发明专利技术涉及全球时空定位方法。本发明专利技术是为了解决在突发状态下无法借助电力、卫星等设备实现定位的问题。本发明专利技术将地球等效成单位球建立球坐标系，求得一元非线性方程，根据一元非线性方程，若已知照片或视频中影长的数据，可求得参考物所在的地球的经纬度位置，若已知参考物所在的地球的经纬度位置，可求得太阳直射点的经纬度位置。本发明专利技术不仅具有省时省力、节约成本等优点，尤其是在突发状态下，不需要借助卫星等设备即可实现定位，在全球定位领域、军事侦察等方面都有重大意义。本发明专利技术应用于全球时空定位领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及全球时空定位领域。
技术介绍
影子的长度变化，与物体所在地球的位置以及太阳直射点的位置有关。太阳光线 所在直线，物体的垂直高度所在直线和影子之间是一个封闭的三角形，根据上述各因素之 间的关系以及理论基础，定量的找到物体所在的时空与影子长度变化的关系。目前在全球定位领域，主要是借助卫星等设备实现定位，需要投入大量的人力、物 力及财力。而利用太阳影子长度变化进行全球时空定位的技术还处于萌芽时期，相关研究 较少。 太阳直射点是地球表面太阳光入射角度（即太阳高度角）为90度的地点，它是地 心与日心连线和地球球面的交点，太阳直射点所在的经线的地方时为正午12时。活动规律 为：春分（3月21日前后），太阳直射点在赤道（0° )，此后北移。夏至（6月22日前后）， 太阳直射点在北回归线（23° 26'N)上，此后南移。秋分（9月23日前后），太阳直射点在 赤道（0° )，此后继续南移。冬至（12月22日前后），太阳直射点在南回归线（23° 26'S) 上，在此之后向北移动。 直射点经度即太阳高度最大（太阳上中天）的经线，地方时12 :00的经线；直射点 炜度即正午太阳高度为90°的炜线，直射点的炜度大小与极昼或极夜出现的最低炜大小互 余；直射点炜度大小等于极昼的极点的太阳高度（或正午太阳高度）大小。 若知道照片或视频的拍摄的北京时间，根据地球时区的划分可找到太阳直射点经 度。 某日（R)太阳直射点的地理炜度位置的计算公式为：某日（R)太阳直射点的地理 炜度位置=23° 26'N-R-6月22日*(23° 26' *4/365)，此公式只能大致计算一年当中 某日太阳直射点的炜度位置，计算结果若是正值，则为北炜；若为负值，则为南炜；R为某日 日期，R-6月22日为该日与6月22日相差的天数，（23° 26' *4/365)为太阳直点一日内 移动的炜度距离（假设其移动是匀速的）。如图1所示，球坐标(r,沒，沪），re，Θe与直角坐 标（X，y，z)转换关系为：j.=r·'相《泛..sw穸,.z =r·cosΘ。
技术实现思路
本专利技术是为了解决在突发状态下无法借助电力、卫星等设备实现定位，而提出的 。 按以下步骤实现： 步骤一：将地球等效成单位球建立球坐标系； 将北京时间作为时间的参考基准，以地轴为z轴，太阳直射点经度所在经线和赤 道的交点与地心连线的所在直线为y轴，太阳直射点向西90°的经度所在经线和赤道的交 点与地心连线的所在直线为X轴，所述y轴时间恒为中午12:00,X轴时间恒为早上6:00 ; 步骤二：太阳光线照射方向的反方向直角坐标单位向量^ = (0,cos/?,sin的获 得，其中所述β为太阳直射点的炜度； 步骤三：参考物垂直于地球表面向外直角坐标单位向量的获得，其中所述α参考物所在的地 球的炜度，所述ω为参考物的经度和地轴所在的平面与X，ζ轴所在平面的二面角，队为第i张照片与第1张照片的相隔时间，i的取值为1，2, 3……n，每相邻两张照片的时间间隔 大于等于3分钟，小于等于30分钟； 步骤四：一元非线性方程的获得； 根据向量的夹角关系及参考物长度和影长的几何关系得到：⑴ 对公式（1)进行整理得到： (2) ' _ '2 其中所述L为参考物的长度，匕为参考物影子的长度，W为参考物所在的地球的经 度，Φ为太阳直射点的经度； 可得到W为因变量，α为自变量的一元非线性方程： 步骤五：在步骤四的基础上，根据一元非线性方程，求得参考物所在的地球的经炜 度位置； 通过m张照片和视频中影长的数据，可联立求得参考物所在的地球的经炜度位 置，m> 10 ; 若W彡180°，W的东西经判断与Φ-致，得参考物所在的地球的经炜度（W，α);若W>180°，W的东西经判断与Φ相反，并且根据地球经炜度的划分规则，得参考 物所在的地球的经炜度（2π-W，α)。 专利技术效果： 本专利技术利用太阳影子进行全球时空定位技术不仅具有省时省力、节约成本等优 点，尤其是在突发状态下，不需要借助卫星等设备即可实现定位，在全球定位领域、军事侦 察，警方侦破案件等方面都有很大意义。【附图说明】 图1为球坐标与直角坐标转换关系示意图； 图2为地球等效成单位球建立球坐标系示意图； 图3为2014年10月22日某地9:00-15:00之间直杆的太阳影子长度的变化曲线 图，横坐标为时间，纵坐标为影长； 图4为北京时间9:00-15:00之间天安门广场直杆的太阳影子长度的变化曲线图， 横坐标为时间，纵坐标为影长；【具体实施方式】【具体实施方式】 一：包括以下步骤： 可以通过照片或视频中参考物太阳影子的变化，来确定拍摄的地点或日期。由于 太阳光是平行光，直射点的太阳光线即可以代表所有的平行光。参考物始终随着地球旋转， 所以引入单位向量分别代表太阳光线的方向以及垂直于地球表面向外的参考物指向。利用 太阳光线的反方向向量代入进行计算，求得二者夹角后，利用三角函数和参考物的长度即 可求得影子的长度。以上述方法为基础，已知影子的变化长度，便可以得到参考物所处的经 炜度或者摄像当天的日期。 步骤一：如图2所示，将地球等效成单位球建立球坐标系； 将北京时间作为时间的参考基准，以地轴为z轴，太阳直射点经度所在经线和赤 道的交点与地心连线的所在直线为y轴，太阳直射点向西90°的经度所在经线和赤道的交 点与地心连线的所在直线为X轴，所述y轴时间恒为中午12:00,X轴时间恒为早上6:00 ; 步骤二：太阳光线照射方向的反方向直角坐标单位向量3 = (0,ct):s爲sin應的获 得，其中所述β为太阳直射点的炜度（北炜为正，南炜为负）； 步骤三：参考物垂直于地球表面向外直角坐标单位向量勺获得，其中所述α参考物所在的地 球的炜度，所述ω为参考物的经度和地轴所在的平面与X，ζ轴所在平面的二面角，队为第i张照片与第1张照片的相隔时间，i的取值为1，2, 3……n，每相邻两张照片的时间间隔 大于等于3分钟，小于等于30分钟； 步骤四：一元非线性方程的获得； 根据向量的夹角关系及参考物长度和影长的几何关系得到：IΖΛ) 对公式（1)进行整理得到： 其中所述L为参考物的长度，匕为参考物影子的长度，W为参考物所在的地球的经 度，Φ为太阳直射点的经度；可得到W为因变量，α为自变量的一元非线性方程： 步骤五：在步骤四的基础上，根据一元非线性方程，求得参考物所在的地球的经炜 度位置； 通过m张照片和视频中影长的数据，可联立求得参考物所在的地球的经炜度位 置，m> 10;所述照片为拍摄的参考物位于地球上的照片，视频为录制的参考物位于地球上 的视频，每个视频的时间大于30分钟，视频即为连续的照片； 若W彡180°，W的东西经判断与Φ-致，得参考物所在的地球的经炜度当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于空间向量的太阳影子全球时空定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：步骤一：将地球等效成单位球建立球坐标系；将北京时间作为时间的参考基准，以地轴为z轴，太阳直射点经度所在经线和赤道的交点与地心连线的所在直线为y轴，太阳直射点向西90°的经度所在经线和赤道的交点与地心连线的所在直线为x轴，所述y轴时间恒为中午12:00，x轴时间恒为早上6:00；步骤二：太阳光线照射方向的反方向直角坐标单位向量的获得，其中所述β为太阳直射点的纬度；步骤三：参考物垂直于地球表面向外直角坐标单位向量B→=(cosα·cos(ω+π·Ni720),cosα·sin(ω+π·Ni720),sinα)]]>的获得，其中所述α为参考物所在地球的纬度，所述ω为参考物的经度和地轴所在的平面与x，z轴所在平面的二面角，Ni为第i张照片与第1张照片的相隔时间，i的取值为1,2,3.....n，每相邻两张照片的时间间隔大于等于3分钟，小于等于30分钟；步骤四：一元非线性方程的获得；根据向量的夹角关系及参考物长度和影长的几何关系得到：Ls=L·tan[arccos(cosβ·cosα·sin(ω+π·Nr720)+sinβ·sinα)]---(1)]]>对公式(1)进行整理得到：ω=arcsin{[cos(arctan(Ls/L))-sinβ·sinα]/(cosβ·cosα)}-π·Ni720---(2)]]>W=ω+φ-π2---(3)]]>其中所述L为参考物的长度，Ls为参考物影子的长度，W为参考物所在的地球的经度，φ为太阳直射点的经度；可得到W为因变量，α为自变量的一元非线性方程：W=arcsin{[cos(arctan(Ls/L))-sinβ·sinα]/(cosβ·cosα)}+φ-(360+Ni)·π720---(4)]]>步骤五：在步骤四的基础上，根据一元非线性方程，求得参考物所在的地球的经纬度位置；通过m张照片和视频中影长的数据，可联立求得参考物所在的地球的经纬度位置，m﹥10；若W≤180°，W的东西经判断与φ一致，得参考物所在的地球的经纬度(W,α)；若W>180°，W的东西经判断与φ相反，并且根据地球经纬度的划分规则，得参考物所在的地球的经纬度(2π‑W,α)。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，李晟嘉，岳冰，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23