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《中国民航大学》 2016年
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基于机构学方法的地日运动建模及其应用研究

许晓峰  
【摘要】:太阳方向应用研究始终是一个重要的课题,它不仅在新能源开发领域被广泛重视,而且在天文导航领域也有非常重要的作用。作为一种古老的天文导航技术,利用太阳方向进行定位具有隐蔽性强、不受电磁干扰等优点。目前,太阳方向相关研究主要集中在提高装置精度等问题上,对算法原理性研究较少。而已有太阳方向算法的推导主要是基于球面三角学等复杂方法,不易被理解。本文从国内外太阳相关应用研究现状出发,分析了当前研究存在的问题,以此为基础展开对课题的研究。首先,将机构学原理应用到地日运动中,提出假想地日运动机构C1R2P2,以5个运动副可视化地耦合地球的对日运动。其次,根据串联机构C1R2P2建立运动学模型,分别采用D-H参数法和指数积(POE)公式进行正向运动学解析,在机构的运动空间中建立日心和地球位点的时间-空间方程。把此方程应用到太阳方向计算上,推导出由当地时间和经纬度表出的机构学太阳方向算法。再次,通过机构逆向运动学方法,对机构学太阳方向算法进一步探究,推导出由格林威治时间和太阳方向计算经纬度的方法,即机构学太阳定位方法。最后,分别对机构学太阳方向算法和定位算法进行应用性研究:通过MATLAB的GUI模块对提出的太阳方向算法和太阳定位算法进行了界面化设计,分别设计了太阳方向计算器和经纬度计算器,实现了单点计算的自动化;分析算法在智能手机应用中的可行性,进行方案和算法设计,开发出基于Android系统的太阳定角系统和基于IOS系统的摄像定位系统;针对目前太阳追踪系统轨迹追踪法中算法难于实现的问题,提出将机构学算法应用到追踪系统中,给出了概念化的设计方案。
【关键词】:地日运动机构 正向运动学 逆向运动学 太阳方向 太阳定位 太阳追踪
【学位授予单位】:中国民航大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P134;TH112
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-9
  • 第一章 绪论9-15
  • 1.1 课题背景及意义9-11
  • 1.2 国内外研究现状11-13
  • 1.2.1 太阳方向研究现状11-12
  • 1.2.2 天文导航研究现状12-13
  • 1.3 研究目标和论文内容13-15
  • 1.3.1 研究目标13-14
  • 1.3.2 研究具体内容14-15
  • 第二章 地日运动建模及其正向运动学分析15-24
  • 2.1 地日运动建模15-17
  • 2.1.1 地日运动与机械运动15-16
  • 2.1.2 地日运动解耦16-17
  • 2.2 机构正向运动学17-23
  • 2.2.1 D-H参数法17-19
  • 2.2.2 指数积(POE)公式19-23
  • 2.2.3 对比验证23
  • 2.3 本章小结23-24
  • 第三章 太阳方向的计算24-36
  • 3.1 机构学太阳方向算法24-28
  • 3.1.1 机构学太阳方向算法的推导24-26
  • 3.1.2 未知参数的计算26-28
  • 3.2 天文学太阳方向算法28-29
  • 3.3 实例验证与分析29-35
  • 3.3.1 计算实例-天津29-30
  • 3.3.2 计算实例-伦敦30-31
  • 3.3.3 计算实例-悉尼31-32
  • 3.3.4 计算实例-纽约、洛杉矶和香港32-33
  • 3.3.5 一天内太阳方向计算33-34
  • 3.3.6 结论分析34-35
  • 3.4 本章小结35-36
  • 第四章 太阳定位算法解析36-45
  • 4.1 太阳定位解析36-39
  • 4.1.1 纬度的计算37-38
  • 4.1.2 经度的计算38
  • 4.1.3 经纬度多解的分析和排除38-39
  • 4.2 实例验证39-43
  • 4.2.1 实例-天津39-40
  • 4.2.2 实例-伦敦40-41
  • 4.2.3 实例-悉尼、纽约、洛杉矶和香港41-43
  • 4.2.4 误差结果分析43
  • 4.3 本章小结43-45
  • 第五章 算法应用研究45-57
  • 5.1 GUI界面设计45-47
  • 5.1.1 太阳方向计算器45-46
  • 5.1.2 经纬度计算器46-47
  • 5.2 智能手机应用47-52
  • 5.2.1 基于Android系统的太阳定角系统47-48
  • 5.2.2 基于IOS系统的摄像定位系统48-52
  • 5.3 太阳追踪系统52-56
  • 5.3.1 太阳跟踪系统工作原理52-55
  • 5.3.2 双轴跟踪装置机构模型55-56
  • 5.4 本章小结56-57
  • 结论与展望57-59
  • 致谢59-60
  • 参考文献60-64
  • 作者简介64

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