基于大气偏振光的太阳空间位置获取方法
【专利摘要】本发明涉及一种太阳空间位置获取技术，具体为一种基于大气偏振光分布模式的太阳空间位置的获取方法，是通过分析大气偏振模式将太阳确定为空间特征点，在建立了大气偏振模式三维空间坐标系的基础上，利用偏振光检测传感器阵列获取大气偏振模式的有限点采样信息，结合基于Rayleigh散射理论的大气偏振模式理论模型建立包含太阳空间位置信息的方程组，利用最小二乘法结合高斯牛顿迭代方式求解方程得到太阳空间位置，太阳作为偏振模式中可靠的空间特征点，其空间位置的获取在偏振光导航、太阳跟踪等领域有广泛的应用前景。
【专利说明】基于大气偏振光的太阳空间位置获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太阳空间位置获取方法，具体为一种基于大气偏振光分布模式的 太阳空间位置的求解方法，在太阳能利用、偏振光导航等领域具有广泛的应用前景。
【背景技术】
[0002] 面向太阳能利用领域的太阳跟踪、偏振光导航领域的空间特征点测量等技术需 求，基于描述大气偏振模式的瑞利模型，本发明提出了一种基于大气偏振光的太阳空间位 置获取方法，在太阳能利用和偏振光导航等领域具有重要的应用价值。
[0003] 在太阳能利用领域，由于太阳能具有分散性、不稳定性等特点，因此提高光伏发电 效率成为了国内外学者的研究热点，其中一个重要途径就是采用太阳实时跟踪技术，目前 实现跟踪太阳的方法主要包括光电跟踪和视日运动轨迹跟踪两种，视日运动轨迹跟踪为开 环控制过程，存在累积误差且无法对其进行修正，另外对跟踪装置安装精度要求高；光电跟 踪采用闭环控制形式，其跟踪灵敏度较高，且可W不受跟踪装置在初始安装时产生的位置 误差影响，但由于光敏元件容易受天气状况和环境杂散光线影响，引起跟踪机构的错误动 作，因而很难保证跟踪的准确性和稳定性。所W，如何降低天气影响、更精确稳定地实现对 太阳位置的检测成为了当前太阳跟踪技术的研究方向。
[0004] 在偏振光导航领域，现有的偏振光导航方法研究，都集中在载体的二维航向信息 获取，都只能针对导航载体在水平面上运动的情况，而实际的载体导航信息获取在绝大多 数情况下并不局限于二维航向信息，并且在抗干扰能力上，由于天空偏振模式的对称性较 容易受到云层等遮挡影响被破坏，因此利用大气偏振模式对称性的导航方式仍然存在较大 缺陷。在偏振光H维空间姿态解算应用方面已有相关研究，其核也是空间特征点位置的确 定，大气偏振模式中可选特征点包括太阳、中性点和天顶点，其中中性点和天顶点均无法提 供有效的动态参考位置信息，所W利用大气偏振分布模式确定太阳空间位置在偏振光导航 理论中是一个核也问题，而尚无利用大气偏振模式同时确定太阳空间位置高度、方位信息 方法的相关研究。
[0005] 综上所述，在太阳能利用领域和偏振光导航领域，现有技术均存在诸多限制与不 足，尤其是云层遮挡等环境因素变化对太阳空间位置稳定准确的获取影响很大，且该种影 响无法有效消除。
【发明内容】
[0006] 本发明针对偏振光导航理论和太阳能利用领域对空间特征点空间位置信息的需 求，目的在于提供一种新的利用大气偏振模式获取太阳空间位置信息的方法。本发明利用 大气偏振模式的分布在整个空域内具有高的稳定性的特性，相对两个领域中现有方法具有 更强的抗干扰能力和稳健性，具有广泛的应用前景。
[0007] 本发明是采用如下技术方案实现的：
[0008] -种基于大气偏振光的太阳空间位置获取方法，包括如下步骤：
[0009] a、建立描述载体测量大气偏振模式的H维空间坐标系OXYZ，坐标系W载体重也为 原点0,OX轴指向载体右侧，OY轴沿载体体轴方向并指向前方，OZ轴垂直于载体竖直向上； 所有方向上的偏振信息均在W0为原点的一个半球面上描述。
[0010] 在上述半球面上按任意分布方式总共分布n个采样点P，n> 2,每个采样点P的 球面坐标位置已知，球面上第i个采样点P的方向信息记做化1，a1)，hi为高度角，ai为 方位角，方位角WOX轴为0,OX轴向OY轴为正。
[0011] 在每个采样点P位置安装一个偏振光检测传感器，随时确定该采样点P的偏振度 d和偏振角度Y。
[0012] b、对大气偏振模式中若干采样点的偏振信息进行采样，将采样点位置序列记做数 组P，第i个采样点Pi的空间方位坐标为化1，a1)，各采样点的采样信息组成大气偏振模式 采样数组，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分别表示太阳高度角心太阳方位角a,、采样点高度角心采样点方 位角Ui四个自变量同偏振度d和偏振角度Y之间的函数关系，太阳位置记做S=化,,?), 即得到如下求解太阳位置的方程组，
【权利要求】
1. 一种基于大气偏振光的太阳空间位置获取方法，其特征在于：包括如下步骤： a、 建立描述载体测量大气偏振模式的三维空间坐标系OXYZ，坐标系以载体重心为原点 〇, OX轴指向载体右侧，OY轴沿载体体轴方向并指向前方，OZ轴垂直于载体坚直向上；所有 方向上的偏振信息均在以〇为原点的一个半球面上描述； 在上述半球面上按任意分布方式总共分布n个米样点P，n > 2,每个米样点P的球面坐 标位置已知，球面上第i个采样点P的方向信息记做Oii, a J，Iii为高度角，a i为方位角， 方位角以OX轴为0, OX轴向OY轴为正； 在每个采样点P位置安装一个偏振光检测传感器，随时确定该采样点P的偏振度d和 偏振角度Y ; b、 对大气偏振模式中若干采样点的偏振信息进行采样，将采样点位置序列记做数组P， 第i个采样点Pi的空间方位坐标为（hi，a i)，各采样点的采样信息组成大气偏振模式采样 数组，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分别表示太阳高度角hs、太阳方位角as、被采样点高度角hi、被采样点方 位角Oi四个自变量同偏振度d和偏振角度Y之间的函数关系，太阳位置记做S= (hs，as)， 即得到如下求解太阳位置的方程组，
c、 方程组的求解 将方程组（6)改写成如下形式： fi(S) = DOP (S, a ^-(Ii................................................... ..(8) fi (S)表示偏振度的残量函数，将上述非线性方程组转化为最小二乘问题，即求以下目 标函数的最小值
其中，F(S) = [fi (S)f2(S)... fn(S)]T，采用高斯牛顿法求解，其迭代公式为 (J (Sk) tJ (Sk)) A Sk = -J (Sk) F (Sk)..............................(10) Sk+1 = Sk+A Sk...................................................(11) 其中，J(Sk)为F(Sk)的雅克比矩阵，即
迭代的具体过程为： (1) 、令k = 0,选取初值Stl,终止误差e >〇,且为一个很小的常数； (2) 、计算雅克比矩阵J(Sk),代入方程（10)解得ASk; ⑶、令gk = J (Sk) F (Sk)，若I I gk I I < e，则停止迭代，否则转下一步； (4)、根据式（11)求解Sk+1，并返回第二步继续迭代； 由此，即解算得到了太阳空间位置参数S= (hs，as); 同理，或者通过上述方法求解方程组（7)，获得太阳空间位置参数S = (hs，as)。
2. 根据权利要求1所述的基于大气偏振光的太阳空间位置获取方法，其特征在于：所 述步骤a中，在半球面上n个采样点P的分布方式为均布于各个小圆上。
3. 根据权利要求1或2所述的基于大气偏振光的太阳空间位置获取方法，其特征在于： 所述步骤a中，每个采样点P的偏振信息可由Rayleigh大气偏振模型来表征，即偏振度d 由下式计算，
【文档编号】G01C1/00GK104359454SQ201410652332
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】唐军, 王晨光, 刘俊, 王飞, 任建斌, 张楠 申请人:中北大学