太陽跟蹤定位技術(shù)及其應(yīng)用研究

單黎明

(北京控制工程研究所，北京100190)

太陽跟蹤定位技術(shù)及其應(yīng)用研究

單黎明

(北京控制工程研究所，北京100190)

太陽跟蹤定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于能源、氣象和航天等領(lǐng)域，系統(tǒng)全面地對相關(guān)方法進行分類和闡述，并對多孔復(fù)用、太陽光纖導(dǎo)入等較新應(yīng)用進行了分析，最后總結(jié)了該領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，展望了未來的研究方向.

太陽跟蹤定位;多孔復(fù)用;光纖導(dǎo)入

太陽是距離地球最近的恒星，相比于月球、地球和其他恒星等星體，光照強，光亮面積大.作為一個準(zhǔn)確、易知的參照體，它的應(yīng)用主要分為兩類:跟蹤和定位.跟蹤是指在相對長時間內(nèi)將太陽看作運動而觀測物相對靜止，主要保證觀測物不斷對準(zhǔn)太陽.而定位是指則在相對短時間內(nèi)將太陽看作靜止而觀測物相對運動，主要保證獲得觀測物在太陽坐標(biāo)系中的具體方位信息.

1 太陽跟蹤

太陽跟蹤技術(shù)應(yīng)用廣泛于地面民用:在太陽能發(fā)電領(lǐng)域，太陽能板通過跟蹤能及時對準(zhǔn)太陽，發(fā)電效率比固定板提高36.4%[1];在大氣監(jiān)測中，太陽跟蹤系統(tǒng)能將太陽光引入光譜儀，獲得高分辨率的FTIR光譜，再經(jīng)算法處理得到氣體成分[2].現(xiàn)有的太陽跟蹤技術(shù)主要分為兩大類:

1.1 太陽運行軌跡跟蹤方式

太陽運行軌跡跟蹤是一種主動跟蹤方式，根據(jù)太陽運動規(guī)律和當(dāng)?shù)氐乩砦恢眉皶r間，得到太陽角度信息，設(shè)定電機轉(zhuǎn)動時間，進行定時操作，使太陽能接收器基本跟隨太陽轉(zhuǎn)動.

太陽在天球坐標(biāo)系中的位置可以用高度角 α和方位角r來確定，計算公式如下[3]:

其中φ為當(dāng)?shù)鼐暥?，δ為太陽赤緯?春分秋分時δ=0°，夏至?xí)rδ=23.5°，冬至?xí)rδ=-23.5°. ω為時角，是用角度表示的時間，每15°為1h，且正午時，ω=0°，上午ω＞0°，下午ω＜0°.n為一年中的日期序號，如春分時，n=81.此跟蹤系統(tǒng)需要用到時角，且系統(tǒng)需要根據(jù)日出日落時間判斷啟動或停止太陽跟蹤，所以時鐘模塊是系統(tǒng)中不可少的部分.

1.2 傳感器跟蹤方式

傳感器跟蹤是一種被動跟蹤方式，該方法檢測太陽光和光伏器件之間的偏差并轉(zhuǎn)換為電信號，當(dāng)偏差達到某個設(shè)定數(shù)值的時候發(fā)給電動機一個動作指令帶動光伏器件轉(zhuǎn)動，當(dāng)偏差小到設(shè)定數(shù)值時，電動機停止轉(zhuǎn)動.

偏差檢測一般采用四象限方式[4]，如圖 1所示，A、B、C、D 4個區(qū)域分別是4個光伏探測器，中心部分為太陽光線照射形成的光斑.當(dāng)傳感器對準(zhǔn)太陽時，光斑位于平面中心形成均勻分布.當(dāng)太陽移動時，光斑將在平面上移動，從而造成光斑在平面上的分布不再均勻，從而使4個光伏探測器輸出發(fā)生變化，即可判斷光斑移動情況.

圖1 四象限原理Fig.1 Four-quadrant principle

上述兩種方法各有其優(yōu)缺點.主動跟蹤方式對電機定時控制，可避免電機的頻繁動作，有效保護電機.雖然根據(jù)經(jīng)驗得到的軌跡從較長時間段來看是基本準(zhǔn)確的，但對于個別時間則誤差會很大且會不斷積累.此外，緯度的測量和太陽高度角、方位角的計算都為此法的應(yīng)用帶來不便.而被動跟蹤方式對太陽進行實時跟蹤，可保證對太陽的對準(zhǔn)時效，但會損害電機.此外，雖然在晴天時效果很好，但陰雨天則由于太陽輻射和環(huán)境光照差別不大，會造成電機的不動作，即無法正確跟蹤太陽;另外飛行物和建筑物的遮擋干擾也會使得電機動作頻繁.

綜上述，可權(quán)衡利弊采用兩種方法相互結(jié)合，相互驗證結(jié)果，取長補短.

2 太陽定位

太陽定位要獲得太陽在觀測物坐標(biāo)系的具體方位信息.通過定位，航天器可獲取航行中的姿態(tài)信息或者著陸時位于所在星球的經(jīng)緯信息.本文將其分為直接法和間接法.直接法以光電池為感光元件，根據(jù)太陽光線在光電池上的投影位置一步獲得太陽光線與光電池面的夾角，該方法簡單易行，但是精度低.間接法以CCD或CMOS等成像器件為感光元件，要先提取太陽影像，然后計算太陽中心坐標(biāo)(Xc，Yc)，該方法算法復(fù)雜，但是精度高.

2.1 直接法

直接法主要應(yīng)用于太陽敏感器，可劃分為模擬式和數(shù)字式.

模擬式太陽敏感器又稱為余弦檢測器，它的輸出信號強度與太陽入射角有關(guān)，其關(guān)系式[5]為

其中，I0為光電池的短路電流，θ為太陽光束與光電池法線方向的夾角.

模擬式太陽敏感器工作原理如圖2所示，它由兩個間距很小、特性接近的光電池、光學(xué)透鏡(或狹縫)和處理線路組成.當(dāng)太陽光照到兩個光電池上時，兩者所產(chǎn)生電流之差為敏感器輸出.太陽光垂直入射時，敏感器輸出為零.當(dāng)太陽光線與垂直軸不重合時，光電池輸出的兩個電流差值正比于入射角余弦，電流符號代表入射角方向，即太陽光線是從垂直軸左邊或者右邊射入[6].

圖2 模擬式太陽敏感器工作原理Fig.2 Analog sun sensor operting principle

數(shù)字式太陽敏感器的輸出信號與太陽入射角之間的關(guān)系表現(xiàn)為以編碼形式出現(xiàn)的離散函數(shù).如圖3左所示，它在結(jié)構(gòu)上主要由狹縫、碼盤和光敏元件陣列組成.碼盤上設(shè)有符號位和編碼位.符號位用于確定太陽位于敏感器基準(zhǔn)面(定義為狹縫所在平面的法線OC1與狹縫OC3組成的平面)的哪一邊，即入射角正負.編碼位用于確定太陽光線偏離基準(zhǔn)面的數(shù)字量，即太陽入射角大小.

如圖3中所示，光敏元件陣列是由一排相互平行且獨立的光電池條組成，其數(shù)量決定了太陽敏感器輸出編碼的位數(shù)，從而在一定程度上影響到敏感器的分辨率[6].

如圖3右所示，當(dāng)太陽光通過碼盤照到某一條光電池上產(chǎn)生電流并且超過給定的門限值時，輸出為1，反之輸出為0.因此整個光電池陣列可輸出一個二進制碼，確定太陽光線在光電池陣列上成像的位置，即對應(yīng)太陽方向與OC2的夾角[6].

圖3 數(shù)字式太陽敏感器工作原理Fig.3 Digital sun sensor operting princip le

2.2 間接法

直接法的實現(xiàn)原理顯然簡單，但是其精度卻難以滿足衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)日益提高的要求，并且容易受到地球反射光等其它光源的干擾從而產(chǎn)生誤差.因此，采用成像器件(CCD或CMOS)的敏感器得到了很大的發(fā)展，并且此類器件能夠滿足越來越高的質(zhì)量輕、功耗低、精度高、模塊化等要求.與直接法通過余弦函數(shù)或離散對應(yīng)關(guān)系一步得出結(jié)果不同，它是先通過提取太陽在傳感器面的影像以避免把任何可能的光誤認為太陽入射光，再計算其光心相對傳感器中心位置的偏差來求得太陽角度.

2.2.1 提取太陽影像[7]

可以通過以下幾種或者全部來確定待識別影像是否為太陽投影:

1)形狀特征提取.根據(jù)先驗知識，太陽光斑在圖像中的最大長與寬比近似等于1，利用高亮度區(qū)域不同的長寬比值不超過一定范圍進行區(qū)分.

2)面積特征提取.在敏感器鏡頭參數(shù)和曝光時間已定條件下，太陽光斑區(qū)域所占面積大小基本不變，可利用其面積值不超過一定范圍進行判別.

3)動態(tài)偏移輔助特征提取.依據(jù)太陽移動規(guī)律和航天器運行規(guī)律，其位置變化量應(yīng)在一定范圍內(nèi).因此可驗證根據(jù)當(dāng)前高亮度區(qū)域中心坐標(biāo)(mi，ni)與前一時刻中心坐標(biāo)(mi-1，ni-1)的偏移量:

是否在一定范圍之內(nèi).

2.2.2 計算太陽中心

一般來說，太陽在傳感器面上的投影總有一定的尺度，會覆蓋幾十個至幾百個像素，并且不一定為規(guī)則圓形，因而如何精確求得投影中心位置便成為精度關(guān)鍵.目前比較常用的求取算法有最大值法、二值化方法和“質(zhì)心”法[8].最大值法就是取輸出電壓值最大的像素為中心，其優(yōu)點是算法簡單，缺點是受噪聲影響大，電壓值最大像素一般不唯一，幾乎不采用.二值化求中心法是先取一個固定閾值或是浮動閾值，然后求得投影區(qū)域的四個邊緣，最后求中心，其優(yōu)點也是算法簡單，精度比最大值法高，但它的精度依賴于輸出信號的對稱性和均勻性，當(dāng)信號不滿足對稱條件時，二值化信號的中點并不代表光心位置，其精度有限;當(dāng)信號不均勻時，可能在一個軸上不只是得到兩個前后沿，因而得不到準(zhǔn)確的中心位置.“質(zhì)心”法實際上是基于平面幾何中求實體重心的原理來實現(xiàn)的，將投影區(qū)域看作一個實體，像素則為最小的計量單位，其像素電壓值為它的權(quán)重，可假設(shè)投影區(qū)域有 m行 n列，便得如下的中心計算公式:

其中:Xcent和 Ycent表示最后求得的中心坐標(biāo)，(Xr，Yr)表示r行c列上像素的坐標(biāo);I(r，c)表示第r行c列上像素的電壓值.這種方法的優(yōu)點是精度高，可達到亞像元分辨率，但算法卻比較復(fù)雜.對于某些計算能力較低的平臺可能不適應(yīng)，可在允許降低一定精度的情況下采用如下簡化算法.

取固定閾值，像素值大于此值可認為是太陽光線投影點，記為1，反之記為0，用d(r，c)表示.計算公式如下:

3 實際應(yīng)用

上文闡述太陽跟蹤和定位的基本分類和原理，但在實際應(yīng)用中為了提高精度、擴大視場或提高抗輻照可能采用以下改進措施.

3.1 多孔復(fù)用平均[8]

如圖4左所示為入射面的俯視圖:在此面上開設(shè)多個入射小孔.此方法的基本思想就是通過多個小孔來復(fù)用整個敏感器面陣列，每個小孔負責(zé)一定的視場，求出太陽經(jīng)每個孔成像的“質(zhì)心”坐標(biāo)，用平均算法得到太陽的最后實際坐標(biāo).

在一定視場的前提下，通過多個小孔來分擔(dān)總視場，即每個入射小孔負責(zé)的實際視場變小，從而能夠在已定探測器和總視場的情況下提高系統(tǒng)分辨率，最終實現(xiàn)精度提高.如圖4中所示，對應(yīng)太陽光束經(jīng)過三個孔在敏感面上的投影真實位置分別為3.2，8，12.8(以像素為單位)，而計算時采用像素中心位置，即3.5，7.5，12.5處，求平均(3.5+7.5+ 12.5)/3=7.83，比只有中間一孔時的值7.5更接近于真實值8.同時，采用多孔也能避免單孔時因溫度等客觀偶然因素而影響最終結(jié)果，降低隨機誤差，提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性.

但是這會增加電路部分?jǐn)?shù)據(jù)處理的復(fù)雜度:當(dāng)太陽光在敏感器面上同時通過多個小孔時.就必須確定敏感器面上的像分別是由哪個入射小孔造成.據(jù)實驗統(tǒng)計(噴氣推進實驗室曾做過該實驗)，多孔太陽敏感器的精度正比于開孔總數(shù)的平方根.然而每多開一個孔，需要處理的數(shù)據(jù)量就要增加一倍，算法也會更復(fù)雜.

另外可將邊孔開取降低增加視場.如圖4右所示的 開取三層孔的光學(xué)球面罩，其中1、2、3、4為第一層，5、6、7、8為第二層，9、10、11、12為第三層.

在實際應(yīng)用中，由于漸暈區(qū)[9]的存在(如圖5)，特別是在大視場角的情況下太陽光線經(jīng)各孔的投影圖像相互交疊形成明暗條紋，造成方法失效.為減小漸暈區(qū)，可在小孔處加微透鏡[10].

3.2 太敏光纖導(dǎo)入技術(shù)[11]

圖4 多孔復(fù)用及精度分析Fig.4 Porousmultiplexing and accuracy analysis

圖5 漸暈Fig.5 Vignetting effects

由于需要接受光照，太陽敏感器必須安裝于航天器外表面.太空中的惡劣溫度環(huán)境和宇宙高能粒子的轟擊危險可能造成傳感器的永久損壞.如果提高傳感器的溫控和抗高能粒子破壞的等級，勢必增加成本.

如圖6采用光纖導(dǎo)入.使得原先暴露在太空中的脆弱光敏器件得以安置在衛(wèi)星內(nèi)部，從而完全避免了受太空中高能粒子轟擊而永久損壞的可能.其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，將會在今后的航天器上或日常生活中得以應(yīng)用.

該方法由于引入光纖，加之使用余弦檢測器會引入大量誤差.因此要實現(xiàn)上述應(yīng)用，還需對其測量精度做進一步的研究與探討.

圖6 光纖導(dǎo)入Fig.6 Optical fiber introduced

4 結(jié)束語

本文所提到的分類總結(jié)如表1所示.

表1 太陽跟蹤定位分類Tab.1 Classfication of sun tracking and positioning

目前來說，精度、計算復(fù)雜度、壽命和視場是衡量太陽跟蹤定位技術(shù)優(yōu)劣的主要評價因素，其中精度、計算復(fù)雜度是最值得關(guān)注的兩點.太陽跟蹤和基于光電池的太陽定位技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而隨著圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展，辨識太陽計算其中心的間接法還有很大發(fā)展空間，將來會成為研究主流.

其中辨識太陽和求取中心的算法并不是難點，關(guān)鍵在于敏感器硬件的設(shè)計和生產(chǎn).中國關(guān)于敏感器的技術(shù)研究已經(jīng)十分豐富但敏感元件的制作工藝落后成為限制敏感器技術(shù)發(fā)展的瓶頸.研究人員要時刻關(guān)注國外的發(fā)展動態(tài)和最新產(chǎn)品信息，因此將如何進一步改善敏感元件的制作工藝作為研究重點并將微處理技術(shù)更好地應(yīng)用于敏感器的研制，提高敏感器性能，使其更好地為中國的各項事業(yè)服務(wù)[12].

[1] 竇偉，許洪華，李晶.跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[J].太陽能學(xué)報，2007，28(2):169-173 Dou W，Xu H H，Li J.Analysis of solar PV tracking system[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2007，28(2): 169-173

[2] 汪芳，劉建國，高閩光，等.用于FTIR大氣成分監(jiān)測的太陽跟蹤系統(tǒng)設(shè)計[J].應(yīng)用光學(xué)，2009，30(5): 792-796 Wang F，Liu JG，Gao M G，et a1.Design of sun tracking system for FTIR monitoring of atmospheric composition [J].Journal of Applied Optics，2009，30(5):792-796

[3] 朱志紅，陳為，毛行奎.自動太陽跟蹤器綜述[C].中國電源學(xué)會第18屆全國電源技術(shù)年會，廈門，2009 Zhu Z H，Chen W，Mao X K.Automatic solar tracker overview[C].Power Institute of China 18thNational Power Tech Annual Meeting Proceedings，XiaMen，2009

[4] 呂文華，賀曉雷，于賀軍等.全自動太陽跟蹤器的研制和應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程，2008，16(12):2545-2550 Lv W H，He X L，Yu H J，et a1.Development of fullautomatic solar tracker and its applications[J].Optics and Precision Engineering，2008，16(12):2545-2550

[5] 李輝.基于CMOS相機的微衛(wèi)星數(shù)字式太陽敏感器研究[D].浙江大學(xué)，2010 Li H.M icro research of digital sun sensor on micro satellite based on CMOS camera[D].Zhejiang University，2010

[6] 周軍.航天器控制原理[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001 Zhou J.Spacecraft control principle[M].Xi'an: Northwestern Polytechnical University Press，2001

[7] 徐曉冰，王建平，張崇巍等.聚光系統(tǒng)中太陽位置的魚眼圖像識別[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，200 8，20(3):356-360 Xu X B，Wang J P，Zhang CW，et a1.A fish-eye image based approach for solar orientation recognition in ray-condensing system[J].Journal of Computer-aided Design&C Computer Graphics，2008，20(3):356-360

[8] 陳凡勝，朱鴻泰.基于DSP的APS太陽敏感器[C]. 2004年全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會，廈門，2004 Chen F S，Zhu H T.DSP-based APS sun sensor[C]. National Optoelectronics Tech Symposium 2004，Xia-Men，2004

[9] Mobasser S，Liebe C C，Howard A.Fuzzy image processing in sun sensor[C].2001 IEEE International Fuzzy Systems Conference，Piscataway，2001

[10] 江潔，溫志明，張廣軍，等.一種高性能太陽敏感器復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].光學(xué)學(xué)報，2008，28(2):343-348 Jiang J，Wen ZM，Zhang G J，et a1.High performance complex optical system design for sun sensor[J].Acta Optica Sinica，2008，28(4):343-348

[11] 李丹，周望，李燁.基于光纖導(dǎo)入技術(shù)的太陽敏感器設(shè)計與研究[J].光電工程，2011，38(4):66-71 LID，ZHOU W，LI Y.Design and research of the sun sensor based on the technology of the optical fiber[J]. Opio-electronic Engineering，2011，38(4):66-71

[12] 何麗，胡以華.太陽敏感器的原理與技術(shù)發(fā)展趨勢[J].電子元件與材料，2006，25(9):5-7 HE L，HU Y H.Principium and technology development tendency of sun sensors[J].Electronic Domponents&Materials，2006，25(9):5-7

Sun Tracking and Positioning Technique and Its App lications

SHAN Lim ing
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China)

Sun tracking and positioning technique iswidely used in areas such as energy，meteorology and space.Related methods is classified systematically and presented comprehensively in this paper.Some newer app lications such as porousmultip lexing and optical fiber introduced etc，in this field are also analyzed.Finally the“bottleneck”problem in this domain is concluded，and the future trend is looked to.

sun tracking and positioning;porousmultiplexing;optical fiber introduced

TP391.41

A

1674-1579(2012)03-0058-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.03.012

單黎明(1986—)，男，碩士研究生，研究方向為空間目標(biāo)識別與圖像處理技術(shù).

2012-02-13