專利名稱：：一種反射鏡面與旋轉中心偏離的定日鏡的方位-俯仰跟蹤方法
技術領域：
：本發明涉及定日鏡的跟蹤方法，特別涉及一種定日鏡的方位-俯仰雙軸跟蹤方法。
背景技術：
：定日鏡是太陽能塔式聚光系統中的聚光裝置，它通過雙軸跟蹤機構將太陽光反射并聚集到某一固定目標處。定日鏡包括反射鏡、支撐框架、立柱、雙軸傳動機構和跟蹤控制系統等五大部分。方位-俯仰跟蹤是最常見的定日鏡雙軸跟蹤方式，定日鏡的方位旋轉軸(豎軸)固定，且與定日鏡立柱的軸線重合；俯仰旋轉軸(橫軸)與方位旋轉軸垂直，與定日鏡支架結構連接，并固定在支架結構上，連同定日鏡的支架結構和反射鏡一起繞方位旋轉軸轉動。在定日鏡實際應用中，一般都要求從動的俯仰旋轉軸與鏡面中心處的切平面平行。定日鏡除了方位-俯仰跟蹤方式外，還有其他雙軸跟蹤方式，如固定旋轉軸指向目標位置的自旋_俯仰跟蹤方式，以及固定旋轉軸水平放置的俯仰_傾斜跟蹤方式。無論采用何種雙軸跟蹤方式，都要求經過鏡面中心的反射太陽光線投向固定的目標位置。鏡面中心也可以用鏡面所在曲面的中心來代替，此時的鏡面中心是虛擬的鏡面中心。多數情況下，定日鏡的兩個旋轉軸是相交的，其交點稱為定日鏡的旋轉中心。當定日鏡的鏡面中心與定日鏡的旋轉中心重合時，定日鏡的跟蹤比較簡單，根據鏡面反射定律，鏡面中心處的法向位于入射太陽光線與定日鏡旋轉中心到目標位置連線的角平分線上，即巧=&+r)/|p+r|，其中5、s和分別是鏡面中心的單位法向、單位太陽向量和單位目標向量。我們把定日鏡的鏡面中心與定日鏡的旋轉中心不重合的情況，即定日鏡的反射鏡面偏離定日鏡的旋轉中心，簡稱為定日鏡的鏡面偏心。在實際應用中，定日鏡的鏡面偏心普遍存在。對于具有鏡面偏心的定日鏡，由于定日鏡在雙軸跟蹤過程中，鏡面中心不是固定的，而是繞著旋轉中心轉動，其運動軌跡在以定日鏡的旋轉中心為心、以偏心距(旋轉中心到鏡面中心的距離)為半徑的球面上，這使得定日鏡的跟蹤變得復雜。“Trackingformulasandstrategiesforareceiverorienteddual-axistrackingtoroidalheliostat”(郭明煥、王志峰等.SolarEnergy84.2010年第6期.939-947)給出了針對鏡面偏心的自旋-俯仰跟蹤定日鏡的準確跟蹤公式，即只要太陽位置向量〒和目標位置向量F準確，計算出的自旋角和仰角就是準確的。該文獻中利用了自旋_俯仰跟蹤方式的特殊性，即定日鏡的鏡面偏心只對跟蹤的仰角有影響，而對跟蹤的自旋角沒有影響，因此只需考慮鏡片偏心對跟蹤仰角的影響。針對鏡面偏心，自旋-俯仰跟蹤定日鏡的準確跟蹤仰角表示為e=0.5arccos(s.t)(1)其中，θ是名義跟蹤仰角，即沒有鏡面偏心時的跟蹤仰角，Θ'是準確的跟蹤仰角，Hz是鏡面偏心距，L是旋轉中心與跟蹤目標位置之間的距離是單位太陽位置向量，從鏡面中心指向太陽；F是單位目標向量，從定日鏡旋轉中心指向跟蹤的目標位置。但是，文中并未給出有鏡面偏心定日鏡鏡面中心法向的準確表達式，也沒有指出鏡面中心的法向不依賴于自旋-俯仰雙軸跟蹤方式，它也適用于其他雙軸跟蹤方式。而且，文中也未能給出關于鏡面偏心的準確方位-俯仰跟蹤公式。對具有鏡面偏心的定日鏡，目前還沒有解析的方位-俯仰雙軸跟蹤公式(方位角公式和仰角公式)，因而所采用的跟蹤方式主要有三類，第一類是忽略鏡面偏心引起的跟蹤誤差，采用無鏡面偏心時的方位-俯仰跟蹤公式；第二類是在無鏡面偏心的方位-俯仰跟蹤公式的基礎上，根據鏡面偏心引起的跟蹤誤差，給出跟蹤方位角和跟蹤仰角的初等糾正值；第三類跟蹤方法是，建立定日鏡的跟蹤方程，引進多個跟蹤參數，并考慮一些幾何誤差，如定日鏡的立柱傾斜和定日鏡的兩個旋轉軸的非正交等，通過BCS(利用CCD相機自動獲取并分析定日鏡的反射太陽光斑的測試系統)系統的測試數據，估計出這些根跟蹤參數。由于第一類和第二類跟蹤方法的跟蹤精度都不夠高，在實際應用中定日鏡需要定期地反復作跟蹤糾偏。目前還沒有針對鏡面偏心的定日鏡跟蹤方法的專利。美國專利U.S.Patent4564275(Jan.14，1986)給出了方位-俯仰跟蹤的自動糾偏方法。該專利方法針對具體的定日鏡，綜合考慮立柱偏斜、兩旋轉軸的非正交偏角、兩旋轉軸的錯位距離以及鏡面與俯仰旋轉軸之間的偏離距離，建立跟蹤的誤差模型；利用BCS系統測量定日鏡反射在聚光靶面上太陽光斑的質心位置與靶心位置的偏差，并將跟蹤偏差通過一系列的幾何坐標變換轉化成一些跟蹤參數的修正值，反饋給跟蹤控制器。該方法通過BCS系統自動調整跟蹤參數，從而達到自動糾正跟蹤偏差的目的。上述專利提出的方法實現起來非常復雜，原因是不僅鏡面到俯仰旋轉軸有偏離距離，而且方位旋轉軸與俯仰旋轉軸不相交，即兩個旋轉軸之間有固定的錯位距離，必須借助BCS系統來實現方位-俯仰跟蹤的自動糾偏。
發明內容本發明的目的是克服上述現有技術的不足，針對方位旋轉軸與俯仰旋轉軸兩個旋轉軸相交且帶有鏡面偏心的定日鏡，提供一種簡單、準確的定日鏡的方位-俯仰雙軸跟蹤方法。本發明利用“即使在鏡面偏心情況下，定日鏡鏡面中心的準確法向仍然與具體的雙軸跟蹤方式無關”的特性，首先在自旋_俯仰跟蹤方式中跟蹤仰角的表達式(1)_(2)的基礎上，由如下公式(3)-(4)求得定日鏡鏡面中心的準確法向6>=0.5arccos(i·Γ)(1)θ'=O-^xcsm---.(2)\2L-HZcosθθ*=2θ-θ‘(3)H:(sin0'+sin6>*F)/sin(29)⑷上述式中，e*是太陽光線在鏡面中心的入射角，e是太陽光線在鏡面中心的名義入射角，即沒有鏡面偏心時太陽光線在鏡面中心的入射角，是自旋-俯仰跟蹤方式中準確的跟蹤仰角，Hz是鏡面偏心距，L是旋轉中心與跟蹤目標位置之間的距離，^是單位太陽位置向量，從鏡面中心指向太陽；F是單位目標向量，從定日鏡旋轉中心指向跟蹤的目標位置泊是鏡面中心的單位法向。然后，在鏡面中心的準確法向的基礎上，在俯仰旋轉軸與鏡面中心處的切平面平行的條件下，按照定日鏡的方位-俯仰跟蹤公式(5)_(12)計算定日鏡的跟蹤方位角和跟蹤仰角。由于在定日鏡的實際安裝過程中，很難保證定日鏡的方位旋轉軸嚴格處于豎直位置，以及方位旋轉軸與俯仰旋轉軸嚴格正交，因而所述的定日鏡的方位_俯仰跟蹤公式(5)-(12)中還包含了方位旋轉軸的傾斜角度以及兩個旋轉軸非正交偏角這兩個需要考慮的因素。cos^/a0MrM2=(5)(6)(7)y=arg((c1d1+c2d2)+i*(c2d1-c1d2))上述，(Ot表示向量或矩陣的轉置運算；^和分別是方位旋轉軸的傾斜角度和傾斜方位角諷^2和禮是對應于定日鏡方位旋轉軸的傾斜角度^和Va的坐標變換矩陣，依次作用于鏡面中心的單位法向5后，鏡面中心的單位法向在局部坐標是(Cl，C2，C3)；^是兩旋轉軸的非正交偏角，Y是跟蹤方位角，a‘是跟蹤仰角汍和d2，是中間變量。本發明把方位-俯仰跟蹤公式(1)_(12)用于具體的鏡面偏心定日鏡，實現定日鏡的準確跟蹤，還需要計算當地白天任何時刻的單位太陽位置向量？，測量出單位目標向量f，測量出定日鏡方位旋轉軸的傾斜角度Vt和Va，測量出兩旋轉軸的非正交偏角^，還需要確定定日鏡繞軸旋轉的起始參考位對應的跟蹤方位角和跟蹤仰角。本發明定日鏡的跟蹤方法的步驟如下1.設立一個獨立于定日鏡的聚光靶面，用來獲得定日鏡的反射太陽光斑。2.用直角尺測出定日鏡鏡面中心與旋轉中心之間的偏心距。3.用全站儀測得定日鏡旋轉中心，即定日鏡兩個旋轉軸的交點的北-東-高三維空間坐標，以及聚光靶面的中心的北-東-高三維空間坐標。4.測量出定日鏡立柱傾斜角度，即方位旋轉軸的傾斜角度。在地面上架設全站儀，建立北-東-高空間坐標系。再把全站儀的360°旋轉棱鏡固定在定日鏡的支架結構上，且360°旋轉棱鏡要在全站儀的觀測范圍內。在手動或自動模式下，讓定日鏡只繞著方位軸轉動多個位置。在定日鏡旋轉經停的位置上測量出棱鏡中心點的北-東_高三維坐標。讓定日鏡繞方位旋轉軸轉動的角度范圍大于90°，且測量的點位數不小于10，以便減少測量中的隨機抖動對測量結果的影響。在理想情況下，所有的測量點在同一個圓上，即棱鏡的中心繞定日鏡的方位旋轉軸畫圓弧。用線性回歸的方法，可以得到圓面的法向，即認為是定日鏡方位旋轉軸的方向，如此得到定日鏡方位旋轉軸的傾斜方位和傾斜的角度。5.測量定日鏡兩個旋轉軸的非正交偏角。如果定日鏡兩個傳動的旋轉軸是封裝在齒輪箱內，由于現在的機加工精度能保證兩個旋轉軸有良好的正交性，即在同一平面內俯仰旋轉軸相對方位旋轉軸的正交位置沒有偏角。對于傳動機構的機械加工精度或者組裝精度不高的情形，如采用廉價絲杠來推拉傳動，則需要考慮兩個旋轉軸的非正交偏角。上述第4步測出了定日鏡安裝后立柱的確切傾斜方向，即方位旋轉軸的確切指向。在此基礎上，繼續讓定日鏡只繞著俯仰旋轉軸轉動，用與第4步相同的方法測得定日鏡俯仰旋轉軸的確切指向。用90°減去方位旋轉軸與俯仰旋轉軸的夾角之后的差角，便是兩個旋轉軸的非正交偏角。當然，這里仰角的活動范圍可以小于90°。6.計算某時刻太陽位置向量。計算某地某時刻太陽在天空中的位置的公式或算法比較多，從中選一個精度較高的太陽位置算法，如I.Reda和A.Andreas提供的天文太陽位置算法(最大誤差小于0.0003°)，計算出相對地平面的太陽高度角和太陽方位角。7.確定定日鏡起始位置的跟蹤方位角和跟蹤仰角。定日鏡的兩個旋轉軸上均裝有旋轉編碼器，旋轉編碼器可向兩個旋轉軸各自的控制器反饋當前的旋轉角度值。另外，每個旋轉軸上都裝有起始限位器和終止限位器，分別標記旋轉的起始參考位和終止參考位。首先，讓定日鏡旋轉至起始位置，即讓定日鏡分別繞方位旋轉軸回到起始參考位，和繞俯仰旋轉軸回到起始參考位。接著，在手動模式下旋轉定日鏡至恰當朝向，使得定日鏡的反射太陽光斑處在聚光靶面的中央位置，即光斑中心與聚光靶面的中心重合，并記下當前的時刻。該時刻太陽位置向量可用第6步所采用的方法計算得到。再用上文給出的定日鏡方位-俯仰跟蹤公式(1)-(12)，計算出當前定日鏡的朝向，即當前的跟蹤方位角和跟蹤仰角。計算出的跟蹤方位角減去從方位旋轉軸起始參考位到當前位置轉過的角度，即方位旋轉編碼器的讀數，便得到方位旋轉軸起始參考位對應的跟蹤方位角。用計算出的跟蹤仰角減去從俯仰旋轉軸起始參考位到當前位置轉過的角度，即俯仰旋轉編碼器的讀數，便是俯仰旋轉軸起始參考位對應的跟蹤仰角。8.確定了定日鏡在起始位置的跟蹤方位角和跟蹤仰角后，定日鏡就可以旋轉到限定范圍內的任何一個指定位置，因此直接利用帶鏡面偏心的定日鏡方位-俯仰跟蹤公式，實現定日鏡的連續定日跟蹤。需要說明的是，定日鏡旋轉的起始參考位置一旦確定，即使定日鏡的跟蹤目標位置改變了，跟蹤角度的起始參考位也無需再改變。本發明具有如下特點第一、所針對的定日鏡的方位_俯仰兩個旋轉軸相交，并且帶有鏡面偏心。第二、本發明所述的跟蹤方法，還考慮了定日鏡的立柱傾斜以及兩個旋轉軸非正交偏角。第三、本發明給出了針對具有鏡面偏心定日鏡的準確的方位-俯仰跟蹤公式，解析的跟蹤公式使得跟蹤方法既簡單又準確。第四、本發明對定日鏡的鏡面沒有特別要求，它可以是平面鏡，也可以使球面、拋物面、圓柱面或其他面形；定日鏡的整體面形，可以是單張鏡面形成的面形，也可以是由多個單元鏡面復合而成的面形。第五、本發明方法對定日鏡的傳動機構沒有要求，可以是齒輪箱傳動，也可以使絲杠的推拉傳動，也可以其他傳動，或者組合傳動。第六、本發明方法，由于包含了方位旋轉軸相對豎直位置的傾斜角度，因此該方法還適用于固定旋轉軸水平放置或固定旋轉軸任意傾斜的定日鏡。圖1是定日鏡結構的主視圖，圖中1反射鏡面、2支撐框架、3雙軸傳動機構、4立柱、5跟蹤控制系統；圖2是帶鏡面偏心定日鏡的方位_俯仰雙軸跟蹤方法示意圖。圖中，1鏡面、6豎直方向、7定日鏡的旋轉中心、8定日鏡方位旋轉軸、9定日鏡俯仰旋轉軸、10鏡面中心、11方位旋轉軸與地平面的交點、12定日鏡的聚光靶面、13聚光靶面的中心，即跟蹤目標位置、14聚光靶面的中心在地平面上的鉛垂投影、15經過鏡面中心的太陽光線、16鏡面中心的法線、17陽位置、19定日鏡兩個旋轉軸所在的平面、18方位旋轉軸8的正交位置。t工是定日鏡兩個旋轉軸的非正交偏角；Vt和Va分別是方位旋轉軸相對豎直方向6的傾角和傾斜的方位角；Y和a‘分別是在鏡面偏心情況下定日鏡當前的跟蹤方位角和仰角，方位旋轉軸的正旋轉方向為“左手”方向，俯仰旋轉軸的正旋轉方向“右手”方向；『是太陽中心光線在鏡面中心的入射角。圖3示意測量定日鏡方位旋轉軸傾斜方向的方法。圖中，6豎直方向、8定日鏡方位旋轉軸、11方位旋轉軸與地平面的交點、20定日鏡上固定測量點的運動軌跡、21由固定測量點(如綁定的360°旋轉棱鏡)旋轉產生的一組測量點、22定日鏡方位旋轉軸8的一個法平面、23全站儀。具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。本發明實施例是鏡面面積16m2的平面定日鏡，鏡面偏心距Hz=0.46m。如圖1所示，定日鏡包括反射鏡面1、支撐框架2、齒輪箱傳動機構3、立柱4和跟蹤控制系統5。傳動機構3連接支撐框架2與立柱4。跟蹤控制系統5通過傳動機構3動作，實現定日鏡的水平-俯仰雙軸定日跟蹤。本發明定日鏡的跟蹤方法分①_⑧共8個步驟說明如下。①如圖2所示，為了避免地面上的物體對來自定日鏡的反射太陽光產生遮擋，要求聚光靶面12的下沿高出地平面2米以上。圖中，14是聚光靶面的中心，13在地平面上的垂直投影。②參見圖2，鏡片偏心距Hz是定日鏡旋轉中心7與鏡面中心10之間的距離，其長度用最小刻度是1mm的直角尺測量得到。③參見圖2，用全站儀測得定日鏡旋轉中心7的北-東-高三維空間坐標，記為(0l,o2,o3)；再測得聚光靶面的中心13的北-東-高三維空間坐標，記為(ti，t2，t3)；進而計算得到由定日鏡旋轉中心7到聚光靶面的中心13，即聚光靶面的中心13的斜向距離L，L=[(、-01)2+(、-02)2+(、-03)2]"2，以及單位目標向量F=厶(t2~o2)/L,{t3~o3)/Z)。聚光靶面的中心13與定日鏡旋轉中心7之間的水平距離為[(、-(^、(、-(^)2]1〃。④如圖3所示，用全站儀23測量定日鏡方位旋轉軸11相對豎直方向6的傾斜角度￥t和傾斜方位角Va。把全站儀的360°旋轉棱鏡固定于定日鏡的支撐框架2上，使定日鏡從方位角起始參考位開始，沿著固定方向，每隔5°旋轉一個位置。360°旋轉棱鏡繞定日鏡方位旋轉軸8順次旋轉，產生一組測量點21。在每次定日鏡旋轉停穩后，測量360°旋轉棱鏡的中心坐標。在理想情況下，360°旋轉棱鏡的旋轉軌跡20是方位旋轉軸8的法平面22內的一條圓弧，因而對測量得到的測量點的北-東-高三維空間坐標序列(xk，yk，zk)，作如下線性回歸Axk+Byk+zk=D，(k=1，...K)回歸得到的平面22的法向是(A，B,1)，歸一化為(A”B”Q，這里A,=A/R，=B/R，a=1/R,R=^JA2+B2+1。令(ApBpC》=(sinVtcossinVtsincosVt),貝'J￥t=arccosKD，=argMi+hBi)。Va=0°表示方位旋轉軸8向正北方向偏斜，=90°表示方位旋轉軸8向正東方向偏斜。⑤參見圖2中的局部顯示圖，在方位旋轉軸8和俯仰旋轉軸9所在的平面19內，兩旋轉軸的非正交偏角t工等于俯仰旋轉軸9相對方位旋轉軸8的正交位置18沿順時針方向的偏角。在在本實例中，傳動機構是齒輪箱，由于現在的機加工精度能保證兩個旋轉軸有良好的正交性，因此兩旋轉軸的非正交偏角=，無需在野外現場測量。對于傳動機構是在野外現場組裝的定日鏡，兩旋轉軸的非正交偏角T工，需要在現場測量。在步驟④的測量基礎上，讓定日鏡大致旋轉至其鏡面朝向正南方，此時定日鏡的俯仰旋轉軸9(參見圖2)大致指向正西方向。再讓定日鏡只繞著俯仰旋轉軸9轉動多個位置，綁定在定日鏡支撐框架2(參見圖2)上的360°旋轉棱鏡旋轉產生多個測量點位置。具體旋轉方式是，讓定日鏡從鏡面的豎立姿態轉至水平姿態，每隔5°旋轉一次。每次待定日鏡旋轉停穩后，用全站儀測量當前360°旋轉棱鏡的中心坐標。對測量點的北-東-高三維空間坐標序列(之，，作如下線性回歸Axm~ym+Czm=D,{m=\,---M)回歸得到的平面22的法向是(Z，-1,C)，歸一化為(A2，B2，C2)，這里A^A/R,^-IIR^CIR,R=^A2+1+C2。這樣，兩旋轉軸的非正交偏角的測量值為1^=90°-arccos(AA+BA+QQ.⑥選一個精度較高的太陽位置算法，如I.Reda和A.Andreas提供的太陽位置算法(最大誤差小于0.0003°)，計算出太陽高度角as和太陽方位角Ys。Ys=0°表示太陽在正北方向，Ys=90°表示太陽在正東方向。9⑦參見圖2，某個時刻在手動模式下，讓定日鏡從起始位置(方位旋轉軸和俯仰旋轉軸都在其起始參考位)開始旋轉，當定日鏡的反射太陽光斑處在聚光靶面12的中央位置，即光斑中心與聚光靶面的中13重合時，記下當前的時刻，并從兩個旋轉軸的控制器讀取方位旋轉軸和俯仰旋轉軸從各自的起始參考位轉過的角度值，分別記為Ytl和a'C1;在②-⑥的基礎上，通過下面的(13)_(27)計算出定日鏡當前應該的跟蹤方位角Y和跟蹤仰角α‘，分別記為[和α‘工；由此，γ「Ytl是定日鏡方位旋轉軸的起始參考位對應的跟蹤方位角，α'「α'。是定日鏡俯仰旋轉軸的起始參考位對應的跟蹤仰角，且二者都是不依賴于時間的常數值。(13)(14)θ‘=θ-τ(17)θ*=θ+τ(18)(C1,c2,c3)Τ=M3M2M1Cn1,η2,η3)τ(23)α'=arcsin(c3/cosτ(24)(I1=cosα'(25)d2=_c3*tan(τ》(26)γ=arg((C1Cl^C2Cl2Hi*(C2(IfC1Cl2))(27)結合圖2，上面(·)Τ表示向量或矩陣的轉置運算，計算式(13)_(27)中包含了鏡面偏心距Hz、兩旋轉軸的非正交偏角τ以及方位旋轉軸的傾斜角度和Ψ3。式(13)-(27)中，是由⑥求得的單位太陽位置向量，從鏡面中心10指向太陽位置17是由③得到的單位目標向量，從定日鏡旋轉中心7指向跟蹤的目標位置13j是鏡面中心的法向16的單位向量，(nl，n2,n3)是巧的北-東-高三維空間坐標，鏡面中心的法向16處在經過鏡面中心的太陽光線15的角平分線上，太陽光線15在鏡面中心的入射角是Θ*;Μ1，Μ2和M3是對應于定日鏡方位旋轉軸的傾斜角度Vt*的坐標變換矩陣，依次作用于鏡面中心的單位法向5后，鏡面中心的單位法向在局部坐標是(cl，c2,c3)；θ‘對應于自旋-俯仰跟蹤方式中準確的跟蹤仰角，在此也可理解為僅是一個中間變量；dl，d2和τ是中間變量；θ是太陽光線在鏡面中心的名義入射角，即沒有鏡面偏心時太陽光線在鏡面中心的入射角。⑧有了⑦確定的不依賴于時間的定日鏡起始位置的跟蹤方位角和跟蹤仰角，只要定日鏡每次都從固定的起始位置開始旋轉運動，運用方位_俯仰跟蹤公式(13)-(27)，實現定日鏡的連續定日跟蹤。權利要求一種反射鏡面與旋轉中心偏離的定日鏡的方位-俯仰跟蹤方法。其特征在于，定日鏡的方位旋轉軸與俯仰旋轉軸所在平面與反射鏡面中心處切平面平行的條件下，首先求出鏡面中心的準確法向<mrow><mover><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mi>sin</mi><msup><mi>θ</mi><mo>′</mo></msup><mover><mi>s</mi><mo>→</mo></mover><mo>+</mo><mi>sin</mi><msup><mi>θ</mi><mo>*</mo></msup><mover><mi>t</mi><mo>→</mo></mover><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>θ</mi><mo>=</mo><mn>0.5</mn><mi>arccoa</mi><mrow><mo>(</mo><mover><mi>s</mi><mo>→</mo></mover><mo>·</mo><mover><mi>t</mi><mo>→</mo></mover><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msup><mi>θ</mi><mo>′</mo></msup><mo>=</mo><mi>θ</mi><mo>-</mo><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mi>z</mi></msub><mi>sin</mi><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>L</mi><mo>-</mo><msub><mi>H</mi><mi>z</mi></msub><mi>cos</mi><mi>θ</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow></mrow>θ*＝2θ-θ′其中θ*是太陽光線在鏡面中心的入射角，θ是太陽光線在鏡面中心的名義入射角，即沒有鏡面偏心時太陽光線在鏡面中心的入射角，θ′是對應于自旋-俯仰跟蹤方式的準確跟蹤仰角，Hz是鏡面偏心距，L是旋轉中心與跟蹤目標位置之間的距離，是單位太陽位置向量，是從旋轉中心到目標位置的單位目標向量；然后用下述公式計算定日鏡跟蹤的方位角和仰角<mrow><msub><mi>M</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>cos</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>a</mi></msub></mtd><mtd><mi>sin</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>a</mi></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mi>sin</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>a</mi></msub></mtd><mtd><mi>cos</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>a</mi></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow><mrow><msub><mi>M</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>cos</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>t</mi></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mo>-</mo><mi>sin</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>t</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>sin</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>t</mi></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mi>cos</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>t</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow><mrow><msub><mi>M</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>cos</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>a</mi></msub></mtd><mtd><mo>-</mo><mi>sin</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>a</mi></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>sin</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>a</mi></msub></mtd><mtd><mi>cos</mi><msub><mi>ψ</mi><mi>a</mi></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow><mrow><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>c</mi><mn>3</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mi>T</mi></msup><mo>=</mo><msub><mi>M</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>M</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>M</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow><mo>(</mo><mover><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mo>)</mo></mrow><mi>T</mi></msup></mrow>α′＝arcsin(c3/cosτ1)d1＝cosα′d2＝-c3tan(τ1)γ＝arg((c1d1+c2d2)+i*(c2d1-c1d2))上述跟蹤公式中，(·)T表示向量或矩陣的轉置運算；ψt和ψa分別是方位旋轉軸的傾斜角度和傾斜方位角；M1，M2和M3是對應于ψt和ψa的坐標變換矩陣；τ1是兩旋轉軸的非正交偏角，γ是當前的跟蹤方位角，α′是當前的跟蹤仰角；c1，c2，c3，d1和d2，是中間變量。FSA00000160731300014.tif,FSA00000160731300015.tif2.按照權利要求1所述的反射鏡面與旋轉中心偏離的定日鏡的方位-俯仰跟蹤方法，其特征在于，所述跟蹤方法的操作步驟如下(a)設立一個獨立于定日鏡的聚光靶面，用來獲得定日鏡的反射太陽光斑；(b)測出定日鏡鏡面中心與旋轉中心之間的偏心距Hz；(c)測得定日鏡旋轉中心，即定日鏡兩個旋轉軸的交點的北-東-高三維空間坐標，以及聚光靶面的中心的北-東-高三維空間坐標，計算出單位目標向量h(d)把360°旋轉棱鏡固定在定日鏡的支撐框架上，使定日鏡繞方位旋轉軸旋轉多個位置，用全站儀測得360°旋轉棱鏡在在定日鏡旋轉經停的位置上的北-東_高三維空間坐標；線性回歸出方位旋轉軸的一個法平面，從而確定定日鏡方位旋轉軸的傾斜角度和傾斜方位角￥a;(e)繼續讓定日鏡只繞著俯仰旋轉軸轉動，用與步驟(d)的方法測得定日鏡俯仰旋轉軸的確切指向；90°減去方位旋轉軸與俯仰旋轉軸的夾角之后的差角即方位旋轉軸與俯仰旋轉軸的非正交偏角(f)選擇一種太陽位置算法，計算出太陽高度角as和太陽方位角Ys;(g)旋轉定日鏡使得反射太陽光斑恰處在聚光靶面的中央，即反射太陽光斑的中心與聚光靶面中心對齊的時刻，從方位旋轉軸與俯仰旋轉軸的控制器讀取方位旋轉軸和俯仰旋轉軸從各自的起始參考位轉過的角度值Yo和a‘^，計算出定日鏡當前的跟蹤方位角和跟蹤仰角a'工用Ym得到定日鏡方位旋轉軸的起始參考位對應的跟蹤方位角，用a'fa'J導到定日鏡俯仰旋轉軸的起始參考位對應的跟蹤仰角；(h)當定日鏡跟蹤方位角和跟蹤仰角公式中的跟蹤參數鏡面偏心距Hz、旋轉中心與跟蹤目標位置之間的距離L、單位目標向量F、定日鏡方位旋轉軸的傾斜角度Vt和傾斜方位角Va、方位旋轉軸與俯仰旋轉軸的非正交偏角^、方位旋轉軸的起始參考位對應的跟蹤方位角，以及俯仰旋轉軸的起始參考位對應的跟蹤仰角a‘「a'。確定后，定日鏡每次都從起始參考位開始定日跟蹤。3.按照權利要求1所述的鏡面偏心定日鏡的方位-俯仰雙軸跟蹤方法，其特征在于所述方法還適用于固定旋轉軸任意傾斜的鏡面偏心定日鏡。全文摘要一種反射鏡面與旋轉中心偏離的定日鏡的方位-俯仰跟蹤方法，首先求得定日鏡鏡面中心的準確法向，然后在俯仰旋轉軸與鏡面中心處的切平面平行的條件下，計算定日鏡的跟蹤方位角和跟蹤俯仰角。測量出單位目標向量測量出定日鏡方位旋轉軸的傾斜角度ψt和ψa，測量出兩旋轉軸的非正交偏角τ1，并可以計算當地白天任何時刻的單位太陽位置向量某時刻，旋轉定日鏡使得反射太陽光斑恰處在聚光靶面的中央，即光斑的中心與聚光靶面中心對齊，通過比較當前的跟蹤方位角和跟蹤仰角與方位旋轉編碼器和俯仰旋轉編碼器記錄的定日鏡從起始參考位到當前位置分別轉過的角度，確定定日鏡繞軸旋轉的起始參考位對應的跟蹤方位角和跟蹤仰角。文檔編號F24J2/38GK101859014SQ20101020043公開日2010年10月13日申請日期2010年6月9日優先權日2010年6月9日發明者王志峰,郭明煥申請人:中國科學院電工研究所