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A题:太阳影子定位模型 队 员: 刘雪梅 陈 祥 伍思远 指导老师:张菊平 学 校:中北大学 目录 一、模型准备 二、模型建立与求解 (一)问题一 (二)问题二 (三)问题三 (四)问题四 三、模型的检验 四、优点与不足之处 1.相关概念介绍 ①太阳时 时间的计量以地球自转为依据,地球自转一周,计24太阳时,当太阳达到正南处为12:00。简称为平时。 ②真太阳时与平太阳时的时差 太阳视圆面中心连续两次上中天的时间间隔叫做真太阳日真太阳时=平太阳时+真平太阳时差。太阳时的计算公式如下: ③时角 时角是以正午12点为0度开始算,每一小时为15度,上午为负下午为正。时角的计算公式为 1.模型准备 ④太阳直射纬度 太阳直射纬度即赤纬角,赤纬角也称为太阳赤纬,其计算公式近似为 ⑤太阳高度角 太阳高度角是太阳相对于地平线的高度角,其计算公式近似为 1.模型准备 问题一: 1.1杆影长度变化的数学模型 由太阳光直射下杆影与杆长的几何关系,得 根据前面介绍的概念及公式,得到最终的影长变化的数学表达式如下: 2.模型建立与求解 1.2考虑空气折射率的杆影长度变化的数学模型 由于大气层中存在水蒸气、二氧化碳和尘埃,其密度与外太空的真空并不相同,因此当太阳光从外太空的真空传入大气层时,必将发生偏折即天太阳高度角必将变化。修正后的太阳高度角为 最终的影长变化关系为 2.模型建立与求解 1.3 以北纬39.9度,东经120度的10月1日杆长为3米为例研究影长变化规律 图1 影长与时间变化的关系 图2 影长与日期的变化关系 图3 影长与纬度的变化关系 图4 影长与经度的变化关系 2.模型建立与求解 1.4天安门广场的影子长度变化曲线图 图5 天安门广场杆长3米9点到15点的影长变化关系 从图5可以看出,在天安门广场杆长3米的影长从9点到15点先变短后变长,在12:22 时取到最低点,最低点即最短影长为3.8878米,图中不关于12:00对称是因为北京时间是以东经120度确定的,而天安门广场处于东经116度23分29秒,由于地球是自西向东转,还有空气折射率的考虑,所以当天安门广场的当地时间在正午时,显示的北京时间是在12时之后。 2.模型建立与求解 问题二: 2.1 问题提出 根据附件1中的某地的直杆影长数据求解出该地坐标。 2.2 分析思路 注意到问题二中有三个未知参数: 拍摄的经度、纬度以及杆的长度。可考虑继续使用问题一中的模型,根据样本点的数据求解出对应的三个参数值。由于模型是已经确定的,所以可以使用非线性最小二乘拟合。最后可以对求解结果进行检验。 2.模型建立与求解 2.3 最小二乘拟合表达式 根据第一问的模型,可以得出如下的最小二乘表达式 使用MATLAB中非线性最小二乘拟合算法可以得出最后的求解结果。 最终地点: (我国三亚附近地区) 2.模型建立与求解 求解的拟合效果如下: 2.4 对求解结果进行检验 由于实测数据可能被多种因素影响,所以对于整体的结果是否应该被接受还需要做检验。此处可进行方差检验与拟合优度检验 2.模型建立与求解 2.4.1 方差检验 若结果是可信的,则样本点数据与根据模型求解的 参数所确定的数据之间应不存在显著性差异。所以可以 使用方差检验。用MATLAB求解最终结果如下: 结论:F远小于P值0.05,所以可以认为模型所求解结果与实际观测值之间无显著性差异。 2.模型建立与求解 2.4.2 拟合优度检验 拟合优度可以表示回归曲线对观测值的拟合程度, 所以可以使用拟合优度检验来衡量拟合效果。 拟合优度检验公式: :回归平方和 :总偏差平方和 最终结果: 与1相差不大,说明拟合的曲线能够有效地解释实际观测值,说明拟合效果很好。验证了问题一中模型的合理性。 2.模型建立与求解 问题三: 3.1问题的分析 ◆未知参数继续增加,沿用问题二模型无法得到理想效果。 ◆根据同一地点太阳高度角相同和杆影几何关系,得出对于不同的杆在同一地点不同时刻影长变化的比值是一定的。 ◆将相同时间间隔直杆影长函数的变化与之相比,建立方差最小的目标规划模型,将问题三转化为最优化问题进行求解。 2.模型建立与
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