【C语言】计算实时太阳角度（高度角、方位角），以及使用stm32单片机实时获取时间戳

news2024/11/17 19:38:47

整体计算方法

在编写该代码的过程中寻找了多篇博文和论文，综合所有文章且按网上的以0时的方位角的0°，且随时间累加累加至360度。我修改了博文和论文的一些角度的计算方法。得到一下代码与网站计算的方位角相互验证过，误差不超过1°
验证网站

太阳赤纬角

在这里插入图片描述
n为该天在当年的序号
另一种方法没尝试成功：
在这里插入图片描述
代码如下读者可以自行尝试，我没尝试成功

	int n, n0;
	double t, theta, delta;

	// 计算n和n0
	n = month * 30 + day;
	n0 = 79.6764 + 0.2422 * (year - 1985) - ((year - 1985) / 4);

	// 计算t
	t = n ;

	// 计算θ（日角）
	theta = 2 * M_PI * t / 365.2422;

	// 计算δ（太阳赤纬）
	delta = 0.3723 + 23.2567 * sin(theta) + 0.1149 * sin(2 * theta) - 0.1712 * sin(3 * theta)
	        - 0.758 * cos(theta) + 0.3656 * cos(2 * theta) + 0.0201 * cos(3 * theta);

太阳时角

在这里插入图片描述
时角这里的话中午时时角为0下午时角为负，可以简化为时角=15*(t-12)
不过这里计算的是时区的时间，不是当地时间所以存在误差，我怀疑代码计算的误差大部分都是出自这里
当地时角位于东7区的换算方法: (120度 – 当地经度) * 4，1个小时15度，平均下来，1度4分钟。
既时角=15*(t-12)+(120-经度)

太阳高度角

在这里插入图片描述
通过上述两个方程，即可求出高度角的各个参数。

太阳方位角

在这里插入图片描述
h为太阳高度角
Φ为纬度数据
σ为太阳的赤纬角

代码部分

C语言三角函数运算

因为角度计算涉及大量三角函数，所以C语言的三角函数计算不可避免需要使用。

C语言的三角函数计算函数

需要包含头文件#include <math.h>

  double __cdecl sin(double _X);
  double __cdecl cos(double _X);
  double __cdecl tan(double _X);
  double __cdecl asin(double _X);
  double __cdecl acos(double _X);
  double __cdecl atan(double _X);
  double __cdecl atan2(double _Y,double _X);

其中sin、cos、tan 函数的参数是一个用弧度表示的角度，分别返回这个角度的正弦、余弦、正切值。度和弧度都是衡量角的大小的单位。度用 ° 来表示，弧度用rad表示。

1度＝π/180 弧度 ( ≈0.017453弧度 )

asin()、acos、atan 函数分别返回它们的参数的反正弦、反余弦、反正切值。功能刚好和sin、cos、tan 函数相反。

赤纬角计算

通过公式：
在这里插入图片描述

/********************************************************************************************************************************************
*@*名称 ： Declination_Angle_Calculation
*@*功能 ： 计算太阳赤纬角
*@*形参 ： YearData年数据	DayData日数据
*@*返回值 ： DeclinationAngle太阳赤纬角 
*********************************************************************************************************************************************/
static double Declination_Angle_Calculation(double Daydata,short YearData)
{
	double DeclinationAngle;
	DeclinationAngle = 23.45 * sin((Daydata-80)/370.0 * 360*PI/180);		//赤纬角公式 
	
	return DeclinationAngle;												//返回赤纬角 
}

时角计算

通过公式：
时角=15*(t-12)

/********************************************************************************************************************************************
*@*名称 ： Hour_Angle_Calculation
*@*功能 ： 计算太阳时角
*@*形参 ： HourData小时数据 
*@*返回值 ： HourAngle太阳时角 
*********************************************************************************************************************************************/
static double Hour_Angle_Calculation(double HourData)
{
	double HourAngle;
	
	HourAngle = 15*(HourData-12);
	
	return HourAngle;
	
}

太阳高度角计算

通过公式
在这里插入图片描述

/********************************************************************************************************************************************
*@*名称 ： Height_Angle_Calculation
*@*功能 ： 计算太阳高度角
*@*形参 ： LatitudeData纬度数据		HourData小时数据 	DeclinationAngle赤纬角数据 
*@*返回值 ： ElevatingAngle太阳高度角 
*********************************************************************************************************************************************/
static double Height_Angle_Calculation(double LatitudeData,double HourAngle,double DeclinationAngle)
{
	double ElevatingAngle;													//高度角
	double ElevatingAngle_sin;												//高度角正弦值
	
	double DeclinationAngle_sin = sin(DeclinationAngle * PI / 180);			//赤纬角的正弦值 
	double DeclinationAngle_cos = cos(DeclinationAngle * PI / 180);			//赤纬角余弦值 
	double LatitudeData_sin = sin(LatitudeData * PI / 180);					//纬度正弦值 
	double LatitudeData_cos = cos(LatitudeData * PI / 180);					//纬度余弦值 
	double HourAngle_cos = cos(HourAngle * PI/180);
		
	ElevatingAngle_sin = (DeclinationAngle_sin*LatitudeData_sin) + (DeclinationAngle_cos*LatitudeData_cos*HourAngle_cos);
	ElevatingAngle = asin(ElevatingAngle_sin)*180/PI;
	return ElevatingAngle;
}

太阳方位角计算

通过公式
在这里插入图片描述

/********************************************************************************************************************************************
*@*名称 ： Azimuth_Angle_Calculation
*@*功能 ： 计算太阳方位角
*@*形参 ： ElevatingAngle太阳高度角		HourAngle太阳时角	DeclinationAngle赤纬角数据	HourData小时数据	LatitudeData纬度数据
*@*返回值 ： 太阳方位角（0点开始360度） 
*********************************************************************************************************************************************/
static double  Azimuth_Angle_Calculation(double ElevatingAngle,double HourAngle,double DeclinationAngle,double HourData,double LatitudeData)
{
	double AzimuthAngle,AzimuthAngle_cos;
	
 	double ElevatingAngle_cos = cos(ElevatingAngle * PI / 180);				//高度角余弦值 
 	double ElevatingAngle_sin = sin(ElevatingAngle * PI / 180);				//高度角正弦值 
	double LatitudeData_sin = sin(LatitudeData * PI / 180);					//纬度正弦值 
	double LatitudeData_cos = cos(LatitudeData * PI / 180);					//纬度余弦值  	
 	double HourAngle_sin = sin(HourAngle * PI / 180); 						//时角正弦值 
 	double DeclinationAngle_cos = cos(DeclinationAngle * PI / 180);			//赤纬角余弦值 
 	double DeclinationAngle_sin = sin(DeclinationAngle * PI / 180);			//赤纬角正弦值
 	
 	AzimuthAngle_cos = (ElevatingAngle_sin*LatitudeData_sin-DeclinationAngle_sin)/(ElevatingAngle_cos*LatitudeData_cos);		//初步计算太阳方位角弧度值的cos值 
 	AzimuthAngle = acos(AzimuthAngle_cos)*180/PI;																				//计算方位角的角度 
 	
	if (HourData > 12) 														//不判断的话12点为180度最高，然后两边的角度都是180度递减，所以需要一个360度的角度反馈需要将方位角判断一下。 
	{
		return AzimuthAngle + 180;
	}
	else 
	{
		return -AzimuthAngle + 180;
	}
	
}

其中函数尾部的返回时180度加减计算得出的方位角，是为了对齐网页计算得出的方位角，以0时的方位角的0°，且随时间累加累加至360度。

角度计算到此就结束了

时间戳转换

下文内容多数引用自：博客

因为我打算用stm32f103mcu进行太阳方位角以及高度角的计算，所以需要用stm32单片机获取时间戳信息

我采用的方法是使用esp8266-01s模块来通过联网获取时间戳的方式得到时间。

配置 ESP8266 入网

AT+CWMODE=1                     // station模式，设置成3也行
AT+RST                          // 重启模块
AT+CWJAP="ssid","password"      // 连接AP

连接授时服务器

AT+CIPMUX=0                                // 设置WiFi模块为单路链接
AT+CIPSTART="UDP","1.cn.pool.ntp.org",123  
// 链接到 NTP 服务器，时间服务器默认的端口号是 123，协议为UDP.AT+CIPSEND=48                              
// 发送48byte的数据若ESP8266返回'>'则继续注意，严格遵照以下数据且使用16进制发送
//切勿发送新行E3 0 6 EC 0 0 0 0 0 0 0 0 31 4E 31 34 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
//用16进制接收数据
E3 0 6 EC 0 0 0 0 0 0 0 0 31 4E 31 34 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

不知道为什么我好像需要发送两遍下边的16进制数据，然后接收两帧数据

接收数据

  • 执行完上面两步，此时如果顺利的话会受到一大堆16进制数据
  • 诸如：41 54 2B 43 49 50 53 45 4E 44 3D 34 38 0D 0D 0A 0D 0A 4F 4B 0D 0A 3E 20 0D 0A 52 65 63 76 20 34 38 20 62 79 74 65 73 0D 0A 0D 0A 53 45 4E 44 20 4F 4B 0D 0A 0D 0A 2B 49 50 44 2C 34 38 3A 24 02 06 E9 00 00 00 52 00 00 08 F2 0A 45 02 22 E0 4F 57 31 79 AF 20 82 00 00 00 00 00 00 00 00 E0 4F 59 9C 2F 4A 40 07 E0 4F 59 9C 2F 4C 22 B9
  • 此时需要找到数据中的关键帧，也就是服务器返回的48位时间数据，它们通常具有以下格式：（如果找不到的话请重试2中的3、4步）
    • ① 它前面的数据为"2B 49 50 44 2C 34 38 3A"(+IPD,48:）,他后面没有东西;
    • ② 它通常以 24 开头.3.对数据提取后编号，其中[40][41][42][43]为我们需要的时间数据，在本例中为"E0 4F 5C 00".

处理数据

①将”E04F5C00“转为十进制为3763297280，此即为1900距今的秒数。
②把这个时间减去2208988800（70年），得到标准的Unix时间戳。[3763297280-2208988800=1554308480]
③[1554308480/31556736+1970=2019]，得到当下年份。
④计算月份和日期需要考虑平年闰年和每月天数，太麻烦我也没搞懂。
⑤[(1554308480/3600)%24+8=24]，得到北京时间-时(别忘了满24归零)
⑥[(1554308480/60)%60=21]，得到北京时间-分
⑦[1554308480%60=20]，得到北京时间-秒，既当下时间是 24：21：20
⑧将时间戳(1554308480)输入 时间戳生成网页 与计算结果进行比较

时间戳解码并加入代码

因为我们计算太阳角度的代码，只需要获取年份，当天在一年中的序号，以及小时分钟信息。
所以有以下计算

/********************************************************************************************************************************************
*@*名称 ： Timestamp_Calculation
*@*功能 ： 计算时间戳
*@*形参 ： Timestamp时间戳数据 	Year_data年数据存放的地址	DayData日数据存放的地址		 Hour_data小时数据存放的地址 
*@*返回值 ： 无
*********************************************************************************************************************************************/
static void  Timestamp_Calculation(unsigned int Timestamp,short *Year_data,short *DayData,double *Hour_data)
{
	Timestamp  = Timestamp-0x83AA7E80;						//将网络获取的时间戳减去70年得到标准时间戳 
	*Year_data = Timestamp/31556736+1970;					//用时间戳获取年份 
	*DayData = (short)((Timestamp%31556736)/86400)+1;		//获取日期 
	*Hour_data = (Timestamp/3600)%24+8;						//获取小时数 
	if(*Hour_data==24)
	{
		*Hour_data = 0;										//当时间为24点时归零 
	} 
	*Hour_data += ((Timestamp/60)%60)/60.0;					//获取分钟信息并且转为小数形式加入小时数中 
}

步骤：

  1. 将网络获取的时间戳减70年得到标准时间戳
  2. 然后用标准时间戳除一年的秒数，就得到距离时间戳开始运行的1970年过去了多少年
  3. 标准时间戳除于一天的秒数，为今年过去了多少天，还要加上没过完的今天，即加1。
  4. 小时数为将时间戳除一小时的秒数，得到至今运行了多少小时，再进行24小时取余，余今天过了多少小时
  5. 小时数在加上分钟数，得到带小数点的精确时间。（方法类似步骤5）

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