一种基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法技术

本发明专利技术公开了一种基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法，包括以下步骤：步骤一为建立集成对称聚光系统的物理模型；步骤二为根据集成对称聚光系统对日定向问题进行运动学分析，得出集成对称聚光系统定向参数与入射光跟踪角随时间的变化规律，并描绘关系曲线图；步骤三为根据在所述的步骤二中获得的关系曲线图，结合集成对称聚光系统自身的结构原理，制定集成对称聚光系统的姿态规划方案。本发明专利技术的有益效果：能够在充分考虑时变入射光条件下集成对称聚光系统随空间变换的追踪分析过程，揭示了祥尽的姿态轨迹规划机理，实现集成对称聚光系统的实时对太阳定向，实现了集成对称聚光系统的高效聚光。

A method of orientation attitude adjustment based on tracking incident light

The invention discloses a method for adjusting the orientation attitude of the sun based on tracking the incident light, which comprises the following steps: step one is to establish the physical model of the integrated symmetric concentrating system; step two is to carry out kinematic analysis on the orientation of the sun based on the integrated symmetric concentrating system, obtain the change rule of the orientation parameters of the integrated symmetric concentrating system and the tracking angle of the incident light with time, and describe the relationship between the orientation parameters of the integrated symmetric concentrating system and the tracking angle of the incident light The third step is to develop the attitude planning scheme of the integrated symmetric concentrating system according to the relation curve obtained in step 2 and the structure principle of the integrated symmetric concentrating system. The beneficial effect of the invention: it can fully consider the tracking and analysis process of the integrated symmetric concentrating system with spatial transformation under the condition of time-varying incident light, disclose the attitude trajectory planning mechanism of Xiangju, realize the real-time sun orientation of the integrated symmetric concentrating system, and realize the efficient concentrating of the integrated symmetric concentrating system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法
本专利技术涉及一种基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法。
技术介绍
集成对称聚光系统通过多关节旋转实现对太阳和对地定向，它采用了二次聚光型设计方案，系统的整体外形包括水平桁架、竖直桁架、两个蛤壳式抛物面天线聚光器、两个副镜和转换模块，水平桁架垂直于竖直桁架，并能绕竖直桁架作360°转动，两个蛤壳式抛物面天线聚光器，分别铰结于水平桁架两侧端点并相互对称，二者能在各自的驱动机构下绕水平桁架作360°同向转动，两个副镜固定在靠近于中心位置上的水平桁架并呈对称分布，底部的模块主要由电池板阵单元、电-磁转换单元、磁发射单元三部分组成，入射光被聚光器捕获后经聚焦反射至副镜表面，经副镜二次反射后汇集到底部太阳能光伏阵表面，反射光通过模块内部的“光能-电能-电磁波”转换后，从底层微波发射单元以电磁波方式传输到地球，不少学者进行了系统能流分布的研究，其考虑是基于集成对称聚光系统，采用射线追踪法探讨其在轨道的聚光效果和能量分布问题的研究，并给出了定向入射光下维持对日定向的基本条件，得出以下结论：结论一为分析了聚光器的转角对聚光效果的影响，求解了满足适当聚光情况下系统的参数取值，结论二为在假定入射光方向固定条件下，对该系统的姿态作了定性分析，同时对其聚光的效果也做了一定的仿真分析。现阶段，在实际的工程中，出于控制难度和可靠性要求，聚光器只能围绕水平桁架作一个自由度360°旋转，而不可能出现所得结论中理想的两个自由度工作情形；原有的姿态调整是假定太阳光的入射角度固定不变，而未考虑太阳光时变性和空间变换关系；原有研究只并给出了定向入射光下维持对日定向的基本条件，同时缺乏对整体系统姿态变换的深入研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法，能够在充分考虑时变入射光条件下集成对称聚光系统随空间变换的追踪分析过程，揭示了祥尽的姿态轨迹规划机理，实现集成对称聚光系统的实时对太阳定向，实现了集成对称聚光系统的高效聚光。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法，包括以下步骤：步骤一：建立集成对称聚光系统的物理模型；步骤二：根据集成对称聚光系统对日定向问题进行运动学分析，得出集成对称聚光系统定向参数与入射光跟踪角随时间的变化规律，并描绘关系曲线图；步骤三：根据在所述的步骤二中获得的关系曲线图，结合集成对称聚光系统自身的结构原理，制定集成对称聚光系统的姿态规划方案。进一步地，在所述的步骤一中，集成对称聚光系统设有相互垂直的水平桁架AB和竖直桁架OC，并且水平桁架AB能绕竖直桁架OC进行360°转动，水平桁架AB和竖直桁架OC之间设有中心焦点O，两个蛤壳式抛物面天线P1、P2分别铰接在水平桁架AB的两端上，并且对称分布于中心焦点O，两个蛤壳式抛物面天线聚光器P1、P2能绕着水平桁架AB进行360°同向转动，两个反射镜d1、d2固定在水平桁架AB上，并且对称分布于中心焦点O，竖直桁架OC的底部设有转换模块M，转换模块M由电池板阵单元、电-磁转换单元、磁发射单元组成。进一步地，设定水平桁架AB的方向矢量n0、入射光最大入射光投影面Ω和最大入射光投影面Ω的法向量最大入射光投影面Ω表示为入射光在蛤壳式抛物面天线聚光器P1、P2的开口处的最大采光面，且满足最大入射光投影面Ω平行于水平桁架AB，为使蛤壳式抛物面天线聚光器P1、P2能最大程度捕获到入射光当地球进入地球公转轨道TES上的任一位置点时，集成对称聚光系统在地球同步轨道GEO上的任意一点保持对日定向必须同时满足两个条件：一是在任意一点的任意时刻，水平桁架AB保持与入射光垂直，二是法向量时刻指向入射光进一步地，在所述的步骤二中，忽略地球非球形、太阳光压、大气阻力和日月引力的因素对集成对称聚光系统的影响，近似认为地球同步轨道GEO的偏心率e＝0，即地球同步轨道GEO为一个标准圆形轨道，模拟出地球绕太阳公转的物理模型，在地球公转轨道TES上建立八个等分点S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6和S7，S0、S2、S4和S6分别表示为夏至点、秋分点、冬至点和春分点，建立集成对称聚光系统在地球同步轨道GEO上的四种坐标系：全局坐标系OS-XSYSZS、地心坐标系oe-xeyeze、GEO轨道坐标系o-xoyozo和水平桁架AB本体坐标系o-xabyabzab，其中，XS和YS均位于黄道面H上，OS和oe分别表示为太阳中心和地球中心，设定oe、为地球中心oe在黄道面H上的投影，YS的正方向指向冬至点S4，YS的负方向指向夏至点S0，在等分点So的地球同步轨道GEO上建立四个同步点Ao、Bo、Co和Do，Ao为地球同步轨道GEO相对于黄道面H的最高点，且满足AoCo⊥BoDo，设定入射光的跟踪角为β。进一步地，在地球同步轨道GEO上设定一个任意点P，水平桁架AB在同步点Ao时的初始状态与黄道面H平行，经过时间t到达任意点P，定义OS和oe、的连线为OSoe、，OSoe、与YS负轴线的夹角为跟踪角δ，水平桁架AB绕竖直桁架OC的转角为ψ，蛤壳式抛物面天线聚光器P1或P2自身绕水平桁架AB的转角为φ2，根据上述的集成对称聚光系统定向参数，分析集成对称聚光系统定向参数与与入射光跟踪角随时间的变化规律，分析过程如下：1)转角ψ随时间t的变化，水平桁架AB与地球同步轨道GEO切线方向的回转角度ψ可分解为ψ1和ψ2，即ψ＝ψ1+ψ2，其中，ψ1表示为水平桁架AB的法向量V在地球同步轨道GEO的切线与黄道面H的夹角，ψ2表示为水平桁架AB与地球同步轨道GEO所在的平面Π2的夹角，在集成对称聚光系统绕地球同步轨道GEO速度既定的情况下，ψ1和ψ2随时间t的变化推导过程如下：ψ1随t的变化，设定任意点P沿着地球同步轨道GEO边缘的切矢量为v，v1和v2均为切矢量v的矢量分量，取v＝[cosωtsinωt0],v2＝[0sinε-cosε],ψ2随t的变化，对入射光的方向向量进行坐标转换，把在全局坐标系OS-XSYSZS上的转换到水平桁架AB本体坐标系o-xabyabzab上，入射光在全局坐标系OS-XSYSZS的方向向量取为从全局坐标系OS-XSYSZS到水平桁架AB本体坐标系o-xabyabzab的旋转矩阵为为全局坐标系OS-XSYSZS到地心坐标系oe-xeyeze的旋转矩阵，表示地心坐标系oe-xeyeze到GEO轨道坐标系o-xoyozo的旋转矩阵，为GEO轨道坐标系o-xoyozo到水平桁架AB本体坐标系o-xabyabzab的旋转矩阵，分别将代入到中，整理得到将入射光方向矢量通过坐标变换转移到水平桁架AB本体坐标系o-xabyabzab下，则入射光方向矢量在新坐标系下为：整理得到经过变换，入射光方向矢量在水平桁架AB本体坐标系o-xabyabzab下的关系转换到全局坐标系OS-XSYSZS下，利用空间矢量相互垂直条件可得出ψ2随t的变化关系公式，即其中为水平桁架AB在水平桁架AB本体坐标系o-xabyabzab中方向矢量，取从而可以求解出ψ2与时间t的关系，已知集成对称聚光系统绕地球同步轨道GEO一周的时间段为t：0～1440mins，取地球自转角速度ω＝π/720(rad/min)，地球在黄本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法，其特征是包括以下步骤：步骤一：建立集成对称聚光系统的物理模型；步骤二：根据集成对称聚光系统对日定向问题进行运动学分析，得出集成对称聚光系统定向参数与入射光跟踪角随时间的变化规律，并描绘关系曲线图；步骤三：根据在所述的步骤二中获得的关系曲线图，结合集成对称聚光系统自身的结构原理，制定集成对称聚光系统的姿态规划方案。

【技术特征摘要】
1.一种基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法，其特征是包括以下步骤：步骤一：建立集成对称聚光系统的物理模型；步骤二：根据集成对称聚光系统对日定向问题进行运动学分析，得出集成对称聚光系统定向参数与入射光跟踪角随时间的变化规律，并描绘关系曲线图；步骤三：根据在所述的步骤二中获得的关系曲线图，结合集成对称聚光系统自身的结构原理，制定集成对称聚光系统的姿态规划方案。2.根据权利要求1所述的基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法，其特征是在所述的步骤一中，集成对称聚光系统设有相互垂直的水平桁架AB和竖直桁架OC，并且水平桁架AB能绕竖直桁架OC进行360°转动，水平桁架AB和竖直桁架OC之间设有中心焦点O，两个蛤壳式抛物面天线P1、P2分别铰接在水平桁架AB的两端上，并且对称分布于中心焦点O，两个蛤壳式抛物面天线聚光器P1、P2能绕着水平桁架AB进行360°同向转动，两个反射镜d1、d2固定在水平桁架AB上，并且对称分布于中心焦点O，竖直桁架OC的底部设有转换模块M，转换模块M由电池板阵单元、电-磁转换单元、磁发射单元组成。3.根据权利要求2所述的基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法，其特征是设定水平桁架AB的方向矢量n0、入射光最大入射光投影面Ω和最大入射光投影面Ω的法向量最大入射光投影面Ω表示为入射光在蛤壳式抛物面天线聚光器P1、P2的开口处的最大采光面，且满足最大入射光投影面Ω平行于水平桁架AB，为使蛤壳式抛物面天线聚光器P1、P2能最大程度捕获到入射光当地球进入地球公转轨道TES上的任一位置点时，集成对称聚光系统在地球同步轨道GEO上的任意一点保持对日定向必须同时满足两个条件：一是在任意一点的任意时刻，水平桁架AB保持与入射光垂直，二是法向量时刻指向入射光4.根据权利要求3所述的基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法，其特征是在所述的步骤二中，忽略地球非球形、太阳光压、大气阻力和日月引力的因素对集成对称聚光系统的影响，近似认为地球同步轨道GEO的偏心率e＝0，即地球同步轨道GEO为一个标准圆形轨道，模拟出地球绕太阳公转的物理模型，在地球公转轨道TES上建立八个等分点S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6和S7，S0、S2、S4和S6分别表示为夏至点、秋分点、冬至点和春分点，建立集成对称聚光系统在地球同步轨道GEO上的四种坐标系：全局坐标系OS-XSYSZS、地心坐标系oe-xeyeze、GEO轨道坐标系o-xoyozo和水平桁架AB本体坐标系o-xabyabzab，其中，XS和YS均位于黄道面H上，OS和oe分别表示为太阳中心和地球中心，设定oe、为地球中心oe在黄道面H上的投影，YS的正方向指向冬至点S4，YS的负方向指向夏至点S0，在等分点So的地球同步轨道GEO上建立四个同步点Ao、Bo、Co和Do，Ao为地球同步轨道GEO相对于黄道面H的最高点，且满足AoCo⊥BoDo，设定入射光的跟踪角为β。5.根据权利要求4所述的基于追踪入射光的对日定向姿态调节方法，其特征是在地球同步轨道GEO上设定一个任意点P，水平桁架AB在同步点Ao时的初始状态与黄道面H平行，经过时间t到达任意点P，定义OS和oe、的连线为OSoe、，OSoe、与YS负轴线的夹角为跟踪角δ，水平桁架AB绕竖直桁架OC的转角为ψ，蛤壳式抛物面天线聚光器P1或P2自身绕水平桁架AB的转角为φ2，根据上述的集成对称聚光系统定向参数，分析集成对称聚光系统定向参数与与入射光跟踪角随时间的变化规律，分析过程如下：1)转角ψ随时间t的变化，水平桁架AB与地球同步轨道GEO切线方向的回转角度ψ可分解为ψ1和ψ2，即ψ＝ψ1+ψ2，其中，ψ1表示为水平桁架AB的法向量V在地球同步轨道GEO的切线与黄道面H的夹角，ψ2表示为水平桁架AB与地球同步轨道GEO所在的平面Π2的夹角，在集成对称聚光系统绕地球同步轨道GEO速度既定的情况下，ψ1和ψ2随时间t的变化推导过程如下：ψ1随t的变化，设定任意点P沿着地球同步轨道GEO边缘的切矢量为v，v1和v2均为切矢量v的...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳其宝，刘海涛，刘焕牢，庞洪臣，刘璨，张世亮，
申请(专利权)人：广东海洋大学，
类型：发明
国别省市：广东,44