R功能为太阳位置带来意想不到的效果

时间：2016-09-08 14:24:01

标签： r geometry astronomy azimuth

我希望在给定时间，纬度和经度的情况下计算太阳的位置。我在这里找到了这个很棒的问题和答案：Position of the sun given time of day, latitude and longitude。但是，当我评估函数时，我得到的结果不正确。鉴于答案的质量，我几乎可以肯定我的问题有些不对劲，但我将此问题视为试图解决问题的记录。

以下为方便起见，下面重印的功能代码：

astronomersAlmanacTime <- function(x)
{
  # Astronomer's almanach time is the number of 
  # days since (noon, 1 January 2000)
  origin <- as.POSIXct("2000-01-01 12:00:00")
  as.numeric(difftime(x, origin, units = "days"))
}

hourOfDay <- function(x)
{
  x <- as.POSIXlt(x)
  with(x, hour + min / 60 + sec / 3600)
}

degreesToRadians <- function(degrees)
{
  degrees * pi / 180
}

radiansToDegrees <- function(radians)
{
  radians * 180 / pi
}

meanLongitudeDegrees <- function(time)
{
  (280.460 + 0.9856474 * time) %% 360
}

meanAnomalyRadians <- function(time)
{
  degreesToRadians((357.528 + 0.9856003 * time) %% 360)
}

eclipticLongitudeRadians <- function(mnlong, mnanom)
{
  degreesToRadians(
      (mnlong + 1.915 * sin(mnanom) + 0.020 * sin(2 * mnanom)) %% 360
  )
}

eclipticObliquityRadians <- function(time)
{
  degreesToRadians(23.439 - 0.0000004 * time)
}

rightAscensionRadians <- function(oblqec, eclong)
{
  num <- cos(oblqec) * sin(eclong)
  den <- cos(eclong)
  ra <- atan(num / den)
  ra[den < 0] <- ra[den < 0] + pi
  ra[den >= 0 & num < 0] <- ra[den >= 0 & num < 0] + 2 * pi 
  ra
}

rightDeclinationRadians <- function(oblqec, eclong)
{
  asin(sin(oblqec) * sin(eclong))
}

greenwichMeanSiderealTimeHours <- function(time, hour)
{
  (6.697375 + 0.0657098242 * time + hour) %% 24
}

localMeanSiderealTimeRadians <- function(gmst, long)
{
  degreesToRadians(15 * ((gmst + long / 15) %% 24))
}

hourAngleRadians <- function(lmst, ra)
{
  ((lmst - ra + pi) %% (2 * pi)) - pi
}

elevationRadians <- function(lat, dec, ha)
{
  asin(sin(dec) * sin(lat) + cos(dec) * cos(lat) * cos(ha))
}

solarAzimuthRadiansJosh <- function(lat, dec, ha, el)
{
  az <- asin(-cos(dec) * sin(ha) / cos(el))
  cosAzPos <- (0 <= sin(dec) - sin(el) * sin(lat))
  sinAzNeg <- (sin(az) < 0)
  az[cosAzPos & sinAzNeg] <- az[cosAzPos & sinAzNeg] + 2 * pi
  az[!cosAzPos] <- pi - az[!cosAzPos]
  az
}

solarAzimuthRadiansCharlie <- function(lat, dec, ha)
{
  zenithAngle <- acos(sin(lat) * sin(dec) + cos(lat) * cos(dec) * cos(ha))
  az <- acos((sin(lat) * cos(zenithAngle) - sin(dec)) / (cos(lat) * sin(zenithAngle)))
  ifelse(ha > 0, az + pi, 3 * pi - az) %% (2 * pi)
}

sunPosition <- function(when = Sys.time(), format, lat = 46.5, long = 6.5) 
{    
  if(is.character(when)) when <- strptime(when, format)
  time <- astronomersAlmanacTime(when)
  hour <- hourOfDay(when)

  # Ecliptic coordinates  
  mnlong <- meanLongitudeDegrees(time)   
  mnanom <- meanAnomalyRadians(time)  
  eclong <- eclipticLongitudeRadians(mnlong, mnanom)     
  oblqec <- eclipticObliquityRadians(time)

  # Celestial coordinates
  ra <- rightAscensionRadians(oblqec, eclong)
  dec <- rightDeclinationRadians(oblqec, eclong)

  # Local coordinates
  gmst <- greenwichMeanSiderealTimeHours(time, hour)  
  lmst <- localMeanSiderealTimeRadians(gmst, long)

  # Hour angle
  ha <- hourAngleRadians(lmst, ra)

  # Latitude to radians
  lat <- degreesToRadians(lat)

  # Azimuth and elevation
  el <- elevationRadians(lat, dec, ha)
  azJ <- solarAzimuthRadiansJosh(lat, dec, ha, el)
  azC <- solarAzimuthRadiansCharlie(lat, dec, ha)

  data.frame(
      elevation = radiansToDegrees(el), 
      azimuthJ  = radiansToDegrees(azJ),
      azimuthC  = radiansToDegrees(azC)
  )
}

如果我跑：

sunPosition(when = Sys.time(),lat = 43, long = -89)

结果是：

  elevation azimuthJ azimuthC
1 -24.56604 55.26111 55.26111

Sys.time（）给出：

> Sys.time()
[1] "2016-09-08 09:09:05 CDT"

现在是早上9点，太阳升了。使用http://www.esrl.noaa.gov/gmd/grad/solcalc/我的方位角为124，高程为38，我认为这是正确的。

我想也许这是代码的问题，但我也从上面的答案中测试了Josh的原始sunPosition函数，并得到了相同的结果。我的下一个想法是我的时间或时区存在问题。

如上述问题所做的那样测试冬至仍然会得到他们发现的相同结果，看起来是正确的：

testPts <- data.frame(lat = c(-41,-3,3, 41), 
                      long = c(0, 0, 0, 0))

time <- as.POSIXct("2012-12-22 12:00:00")

sunPosition(when = time, lat = testPts$lat, long = testPts$long)

elevation azimuthJ azimuthC
1  72.43112 359.0787 359.0787
2  69.56493 180.7965 180.7965
3  63.56539 180.6247 180.6247
4  25.56642 180.3083 180.3083

当我进行相同的测试，但改变经度（-89）时，我在中午得到负升高。

testPts <- data.frame(lat = c(-41,-3,3, 41), 
                      long = c(-89, -89, -89, -89))

time <- as.POSIXct("2012-12-22 12:00:00 CDT")

sunPosition(when = time, lat = testPts$lat, long = testPts$long)

      elevation azimuthJ azimuthC
1  16.060136563 107.3420 107.3420
2   2.387033692 113.3522 113.3522
3   0.001378426 113.4671 113.4671
4 -14.190786786 108.8866 108.8866

2 个答案:

答案 0 :(得分：3)

链接帖子中的核心代码没有任何问题如果输入when以UTC格式提供。令人困惑的是，OP在Time Zone的{​​{1}}网站中输入了错误的Sys.time()：

  

使用http://www.esrl.noaa.gov/gmd/grad/solcalc/我的方位角为124，仰角为38，我认为这是正确的。

enter image description here

输入NOAA网站的正确2016-09-08 09:09:05 CDT为Time Zone -5 CDT，其中包含：{/ p>

see this website

调整sunPosition并将时间调整为UTC会产生类似的结果：

sunPosition(when = "2016-09-08 14:09:05", format="%Y-%m-%d %H:%M:%S",lat = 43, long = -89)
##  elevation azimuthJ azimuthC
##1  28.08683 110.4915 110.4915

现在，代码不会将此转换为UTC。一种方法是替换sunPosition中的第一行：

if(is.character(when)) when <- strptime(when, format)

与

if(is.character(when)) 
  when <- strptime(when, format, tz="UTC")
else
  when <- as.POSIXlt(when, tz="UTC")

我们现在可以通过以下方式致电sunPosition 

sunPosition(when = "2016-09-08 09:09:05-0500", format="%Y-%m-%d %H:%M:%S%z",lat = 43, long = -89)
##  elevation azimuthJ azimuthC
##1  28.08683 110.4915 110.4915

获得相同的结果。请注意，当以这种方式调用format时，我们需要指定字符串文字和%z（sunPosition）中与UTC的偏移量。

通过此sunPosition可以使用Sys.time()（我在东海岸）调用{<1}}：

Sys.time()
##[1] "2016-09-08 12:42:08 EDT"
sunPosition(Sys.time(),lat = 43, long = -89)
##  elevation azimuthJ azimuthC
##1  49.24068 152.1195 152.1195

与NOAA网站相匹配

enter image description here

对于Time Zone，-4 = EDT

。

答案 1 :(得分：0)

我认为这个问题是经度问题。如果我将经度设置为0并将纬度设置为我的纬度和时间到达我的时间，我会得到正确的高程和方位角值。

> time <- Sys.time()
> time

[1] "2016-09-08 12:07:35 CDT"

> sunPosition(when = time, lat = 43, long = 0)

 elevation azimuthJ azimuthC
1  52.36687 184.1056 184.1056

在我看来，经度是相对于你的位置的经度。我不是这方面的专家，但从某种意义上讲，经度是这样的，因为它对太阳位置没有太大影响。在给定的当地时间给定纬度的人将看到太阳位于天空中与其他经度相同的位置，但纬度和当地时间相同（忽略时区的复杂性是具有离散边界和地球的分区区域在太阳周围移动。）

也许我没有充分阅读这个问题或功能，但经度表现出来是出乎意料的。

编辑： 阅读@ aichao的答案显示了为什么将纬度设置为零并使当地时间大致工作的原因。但是，我认为这不会很准确。

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