基于大氣偏振光的太陽空間位置獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太陽空間位置獲取技術(shù)，具體為一種基于大氣偏振光分布模式的太陽空間位置的獲取方法，是通過分析大氣偏振模式將太陽確定為空間特征點，在建立了大氣偏振模式三維空間坐標系的基礎(chǔ)上，利用偏振光檢測傳感器陣列獲取大氣偏振模式的有限點采樣信息，結(jié)合基于Rayleigh散射理論的大氣偏振模式理論模型建立包含太陽空間位置信息的方程組，利用最小二乘法結(jié)合高斯牛頓迭代方式求解方程得到太陽空間位置，太陽作為偏振模式中可靠的空間特征點，其空間位置的獲取在偏振光導航、太陽跟蹤等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】基于大氣偏振光的太陽空間位置獲取方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太陽空間位置獲取方法，具體為一種基于大氣偏振光分布模式的 太陽空間位置的求解方法，在太陽能利用、偏振光導航等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

【背景技術(shù)】
[0002] 面向太陽能利用領(lǐng)域的太陽跟蹤、偏振光導航領(lǐng)域的空間特征點測量等技術(shù)需 求，基于描述大氣偏振模式的瑞利模型，本發(fā)明提出了一種基于大氣偏振光的太陽空間位 置獲取方法，在太陽能利用和偏振光導航等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。
[0003] 在太陽能利用領(lǐng)域，由于太陽能具有分散性、不穩(wěn)定性等特點，因此提高光伏發(fā)電 效率成為了國內(nèi)外學者的研究熱點，其中一個重要途徑就是采用太陽實時跟蹤技術(shù)，目前 實現(xiàn)跟蹤太陽的方法主要包括光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤兩種，視日運動軌跡跟蹤為開 環(huán)控制過程，存在累積誤差且無法對其進行修正，另外對跟蹤裝置安裝精度要求高；光電跟 蹤采用閉環(huán)控制形式，其跟蹤靈敏度較高，且可W不受跟蹤裝置在初始安裝時產(chǎn)生的位置 誤差影響，但由于光敏元件容易受天氣狀況和環(huán)境雜散光線影響，引起跟蹤機構(gòu)的錯誤動 作，因而很難保證跟蹤的準確性和穩(wěn)定性。所W，如何降低天氣影響、更精確穩(wěn)定地實現(xiàn)對 太陽位置的檢測成為了當前太陽跟蹤技術(shù)的研究方向。
[0004] 在偏振光導航領(lǐng)域，現(xiàn)有的偏振光導航方法研究，都集中在載體的二維航向信息 獲取，都只能針對導航載體在水平面上運動的情況，而實際的載體導航信息獲取在絕大多 數(shù)情況下并不局限于二維航向信息，并且在抗干擾能力上，由于天空偏振模式的對稱性較 容易受到云層等遮擋影響被破壞，因此利用大氣偏振模式對稱性的導航方式仍然存在較大 缺陷。在偏振光H維空間姿態(tài)解算應(yīng)用方面已有相關(guān)研究，其核也是空間特征點位置的確 定，大氣偏振模式中可選特征點包括太陽、中性點和天頂點，其中中性點和天頂點均無法提 供有效的動態(tài)參考位置信息，所W利用大氣偏振分布模式確定太陽空間位置在偏振光導航 理論中是一個核也問題，而尚無利用大氣偏振模式同時確定太陽空間位置高度、方位信息 方法的相關(guān)研究。
[0005] 綜上所述，在太陽能利用領(lǐng)域和偏振光導航領(lǐng)域，現(xiàn)有技術(shù)均存在諸多限制與不 足，尤其是云層遮擋等環(huán)境因素變化對太陽空間位置穩(wěn)定準確的獲取影響很大，且該種影 響無法有效消除。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對偏振光導航理論和太陽能利用領(lǐng)域?qū)臻g特征點空間位置信息的需 求，目的在于提供一種新的利用大氣偏振模式獲取太陽空間位置信息的方法。本發(fā)明利用 大氣偏振模式的分布在整個空域內(nèi)具有高的穩(wěn)定性的特性，相對兩個領(lǐng)域中現(xiàn)有方法具有 更強的抗干擾能力和穩(wěn)健性，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0007] 本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0008] -種基于大氣偏振光的太陽空間位置獲取方法，包括如下步驟：
[0009] a、建立描述載體測量大氣偏振模式的H維空間坐標系OXYZ，坐標系W載體重也為 原點0,OX軸指向載體右側(cè)，OY軸沿載體體軸方向并指向前方，OZ軸垂直于載體豎直向上； 所有方向上的偏振信息均在W0為原點的一個半球面上描述。
[0010] 在上述半球面上按任意分布方式總共分布n個采樣點P，n> 2,每個采樣點P的 球面坐標位置已知，球面上第i個采樣點P的方向信息記做化1，a1)，hi為高度角，ai為 方位角，方位角WOX軸為0,OX軸向OY軸為正。
[0011] 在每個采樣點P位置安裝一個偏振光檢測傳感器，隨時確定該采樣點P的偏振度 d和偏振角度Y。
[0012] b、對大氣偏振模式中若干采樣點的偏振信息進行采樣，將采樣點位置序列記做數(shù) 組P，第i個采樣點Pi的空間方位坐標為化1，a1)，各采樣點的采樣信息組成大氣偏振模式 采樣數(shù)組，即偏振度或偏振化方向，
[0013] D=(中，dg,…，屯)..............................................（4)
[0014] Y= (Yi，Y2，…，Yn)................................................巧）
[00巧]其中iG[l，n]。
[001引WDOP和AOP分別表示太陽高度角心太陽方位角a,、采樣點高度角心采樣點方 位角Ui四個自變量同偏振度d和偏振角度Y之間的函數(shù)關(guān)系，太陽位置記做S=化,,?), 即得到如下求解太陽位置的方程組，

【權(quán)利要求】
1. 一種基于大氣偏振光的太陽空間位置獲取方法，其特征在于：包括如下步驟： a、 建立描述載體測量大氣偏振模式的三維空間坐標系OXYZ，坐標系以載體重心為原點 〇, OX軸指向載體右側(cè)，OY軸沿載體體軸方向并指向前方，OZ軸垂直于載體堅直向上；所有 方向上的偏振信息均在以〇為原點的一個半球面上描述； 在上述半球面上按任意分布方式總共分布n個米樣點P，n > 2,每個米樣點P的球面坐 標位置已知，球面上第i個采樣點P的方向信息記做Oii, a J，Iii為高度角，a i為方位角， 方位角以O(shè)X軸為0, OX軸向OY軸為正； 在每個采樣點P位置安裝一個偏振光檢測傳感器，隨時確定該采樣點P的偏振度d和 偏振角度Y ; b、 對大氣偏振模式中若干采樣點的偏振信息進行采樣，將采樣點位置序列記做數(shù)組P， 第i個采樣點Pi的空間方位坐標為（hi，a i)，各采樣點的采樣信息組成大氣偏振模式采樣 數(shù)組，即偏振度或偏振化方向， D = ((I1, d2,…，dn).............................................(4) Y = (Y1, Y2, Yn)................................................(5) 其中 i G [l，n]。 以DOP和AOP分別表示太陽高度角hs、太陽方位角as、被采樣點高度角hi、被采樣點方 位角Oi四個自變量同偏振度d和偏振角度Y之間的函數(shù)關(guān)系，太陽位置記做S= (hs，as)， 即得到如下求解太陽位置的方程組，
c、 方程組的求解 將方程組（6)改寫成如下形式： fi(S) = DOP (S, a ^-(Ii................................................... ..(8) fi (S)表示偏振度的殘量函數(shù)，將上述非線性方程組轉(zhuǎn)化為最小二乘問題，即求以下目 標函數(shù)的最小值
其中，F(xiàn)(S) = [fi (S)f2(S)... fn(S)]T，采用高斯牛頓法求解，其迭代公式為 (J (Sk) tJ (Sk)) A Sk = -J (Sk) F (Sk)..............................(10) Sk+1 = Sk+A Sk...................................................(11) 其中，J(Sk)為F(Sk)的雅克比矩陣，即
迭代的具體過程為： (1) 、令k = 0,選取初值Stl,終止誤差e >〇,且為一個很小的常數(shù)； (2) 、計算雅克比矩陣J(Sk),代入方程（10)解得ASk; ⑶、令gk = J (Sk) F (Sk)，若I I gk I I < e，則停止迭代，否則轉(zhuǎn)下一步； (4)、根據(jù)式（11)求解Sk+1，并返回第二步繼續(xù)迭代； 由此，即解算得到了太陽空間位置參數(shù)S= (hs，as); 同理，或者通過上述方法求解方程組（7)，獲得太陽空間位置參數(shù)S = (hs，as)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于大氣偏振光的太陽空間位置獲取方法，其特征在于：所 述步驟a中，在半球面上n個采樣點P的分布方式為均布于各個小圓上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于大氣偏振光的太陽空間位置獲取方法，其特征在于： 所述步驟a中，每個采樣點P的偏振信息可由Rayleigh大氣偏振模型來表征，即偏振度d 由下式計算，
【文檔編號】G01C1/00GK104359454SQ201410652332
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】唐軍, 王晨光, 劉俊, 王飛, 任建斌, 張楠 申請人:中北大學