CN113325880B - 适用于运动状态下的太阳和月亮跟踪装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于运动状态下的太阳和月亮跟踪装置和方法，包括：二维转台，跟踪辅助装置、控制器、安装平板和计算机。二维转台，跟踪辅助装置和控制器安装在安装平板上；二维转台用于装载探测器并使其指向太阳或月亮，跟踪辅助装置用于确定载具初始安装水平面的方位角和倾角，控制器用于采集跟踪辅助装置的图像数据，并传递给计算机，计算机用于分析图像数据，确定水平面倾斜角度和方位角度，然后通过控制器控制二维转台运动，使二维转台的方位和俯仰运动到达指定位置，控制器内含GPS。本发明的优点是：可实现载具的走航观测，无需精确初始位置安装，简单、方便，易于操作，提高大气测量水平。

Description

适用于运动状态下的太阳和月亮跟踪装置和方法

技术领域

本发明涉及光学特性探测技术领域，特别涉及一种适用于运动状态下的太阳和月亮跟踪装置和方法。

背景技术

太阳和月亮的光度计或光谱仪是一种常用的监测大气气溶胶和云的光学特性的探测设备，这种设备常常要求稳定、长时间对准太阳和月亮，需要较高的对准和跟踪精度，因此，该种设备一般安装在固定不动的平台上，初始安装需要严格的水平面和初始方位定准。为实现长期精确跟踪，该种设备常常配有天体位置敏感器，当天体位于其指向5度范围时，根据天体敏感器调节器姿态，精确指向天体。而当有云遮挡等情况无法看见太阳和月亮时，则利用计算机程序跟踪。但由于人为安装的精度无法达到绝对的水平和方位0度，因此，根据计算机程序跟踪常常超出其太阳敏感期跟踪范围，无法达到对准太阳方位，导致数据无法使用。另外，对于车、船、飞机、气球(飞艇)等移动平台，由于车、船处于运动状态时的位置移动和摇摆，其安装初始水平和方位初始状态始终在运动中改变，初始位置不再为近似水平，初始方位也发生改变不为0，因此，常规的地面安装和跟踪程序无法适用于移动平台。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种适用于运动状态下的太阳和月亮跟踪装置和方法，解决了现有技术中存在的缺陷。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种适用于运动状态下的太阳和月亮跟踪装置，包括：二维转台，跟踪辅助装置、控制器、安装平板和计算机。

二维转台，跟踪辅助装置和控制器安装在安装平板上；

二维转台用于装载探测器如太阳(月亮)光度计等探测设备并使其指向太阳或月亮，跟踪辅助装置用于确定载具初始安装水平面的方位角和倾角，控制器用于采集跟踪辅助装置的图像数据，并传递给计算机，计算机用于分析图像数据，确定水平面倾斜角度和方位角度，然后通过控制器控制二维转台运动，使二维转台的方位和俯仰运动到达指定位置，控制器内含GPS。

进一步地，跟踪辅助装置包括：CMOS图像传感器，除湿和温控装置，全景鱼眼镜头，防水防尘光学玻璃罩，透气孔，封装箱，电源和数据线接口A和支架；

封装箱内安装CMOS图像传感器和除湿和温控装置；

CMOS图像传感器通过全景鱼眼镜头对太阳和月亮成像，图像下传给计算机，根据太阳或月亮在CMOS图像传感器上的像元位置确定太阳或月亮的位置(在安装面倾斜时的位置)，封装箱上表面开有水汽通过透气孔，并安装防止光学玻璃罩，除湿和温控装置用于控制封装箱内的温度和水汽，防止光学玻璃罩结露，影响仪器精度和寿命，水汽通过透气孔排走。电源和数据线接口A用于连接控制器进行电源和信号传送，支架上端固定封装箱，下端固定在安装平板上。

进一步地，二维转台包括：方位驱动装置，俯仰驱动装置，载物台，位置敏感器，密封框架，电源和数据线接口B和安装支架；俯仰驱动装置与载物台相连接，载物台与位置敏感器相连。俯仰驱动装置同时与密封框架相连，密封框架与方位驱动装置相连，并放置于安装支架上。电源和数据线接口B固定在方位驱动装置上，用于连接控制器进行电源和信号传送。

方位驱动装置用于驱动转台进行方位旋转，俯仰驱动装置用于驱动并带动载物台俯仰旋转，载物台用于安装探测器如太阳光度计、月亮光度计及类似光学传感器。电源和数据线接口B用于传输数据和供电。

本发明还公开了跟踪装置的跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1，将跟踪装置安装在载具上，载具包括：汽车、船、飞艇、飞机和气球；

步骤2，获取太阳或月亮的位置数据，方位角φ和仰角θ；

位置数据由计算机内置的程序根据载具所处的地理位置，经度X、纬度Y、高度h，以及时间t计算得到，公式如下：

(θ,φ)～ψ(X,Y,h,t) (1)

步骤3，当安装平台平面为绝对水平和方位绝对0度时，CMOS图像传感器上的每一个像元(i，j)对应一组位置数据(方位角φ和仰角θ)，即公式：

(i,j)～f(θ,φ) (2)

步骤4，假设t＝0时刻，由程序(θ,φ)～ψ(X,Y,h,t)计算太阳位置为：

t＝0 (θ₀,φ₀)～ψ(X₀,Y₀,h₀,t₀) (3)

步骤5，假设在t＝1时，载具移动到了(X₁，Y₁，h₁)，由程序(θ,φ)～ψ(X,Y,h,t)计算太阳位置为：

t＝1 (θ₁,φ₁)～ψ(X₁,Y₁,h₁,t₁) (4)

根据公式(2)，太阳像元应该落在CMOS图像传感器上(i₁，j₁)，如下式：

t＝1 (i₁,j₁)～f(θ₁,φ₁) (5)

步骤6，当由于载具所处路面或海面不平，载具的摇摆以及移动，载具的所处的平面法线z’，不再指向天顶，坐标轴也发生旋转，方位角由于移动也发生了变化，此时，太阳像元落在了CMOS图像传感器6上:(i′₁,j′₁)

(i′₁,j′₁)～f(θ′₁,φ′₁)

因此得到t＝1时刻载具所处平面法线方向的倾斜角和方位角分别为：

Δθ＝θ′₁-θ₁

Δφ＝φ′₁-φ₁

确定平台安装平面发生了变化，与理论位置的差为(Δθ，Δφ)，计算机将偏移量Δθ，Δφ传递给控制器，在原来计算的公式4调整偏移量，如下式：

θ＝θ₁+Δθ

φ＝φ₁+Δφ

步骤7，控制二维转台运动，使其在倾斜平面的基础上指向太阳或月亮大概位置，这时二维转台处于一个位置敏感器的可测范围内。然后，位置敏感器开始工作，判断二维转台是否精确指向了太阳和月亮，并根据位置敏感器调整二维转台的姿态，从而达到高精度指向太阳和月亮的最终目标。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.可实现载具的走航观测，实现运动状态下的太阳、月亮跟踪和对准，将原来地基固定站点应用的太阳辐射测量转变为可移动观测，从事实现多个地点的连续观测。在移动平台处于运动状态下也能开展诸如大气气溶胶、水汽、辐射等方面的精确遥感测量。

2.无需精确初始位置安装，简单、方便，易于操作，无需原来的多次调试和后期姿态调整，可实现即放即用，快速进入观测，且具有较高的对准精度。

3.可以作为载具在运行(飞行)状态下需要精确指向的设备和仪器的工作方法，提供高精度目标指向功能，也可作为姿态敏感期的辅助装置。

4.可用于车、船移动平台的太阳(月亮)跟踪装置和方法将提高我国车载、船载大气测量水平，满足我国海洋环境观测以及国防安全需要的大气参数测量。本发明提供的跟踪装置和方法对于大气、海洋遥感验证、大气成分监测、和国防安全需求都具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例跟踪装置的结构示意图；

图2是本发明实施例跟踪辅助装置结构示意图；

图3是本发明实施例二维转台结构示意图；

图4是本发明实施例跟踪装置结构示意图；

图5是本发明实施例载具运动状态的水平示意图，图5a为水平，图5b为不水平；

图6是本发明实施例跟踪装置安装在汽车上的示意图；

图7是本发明实施例跟踪装置安装在船上的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1和4所示，一种适用于运动状态下的太阳和月亮跟踪装置，包括：二维转台1，跟踪辅助装置2、控制器3、安装平板4、计算机5组成。

二维转台1，跟踪辅助装置2和控制器3安装在安装平板4上；

二维转台1用于装载探测器如太阳(月亮)光度计等探测设备并使其指向太阳或月亮，跟踪辅助装置2用于确定载具(如车、船、飞机、飞艇、气球等)初始水平面的方位角和倾角，控制器3用于采集跟踪辅助装置2的图像数据，并传递给计算机5，计算机5用于分析图像数据，确定水平面倾斜角度和方位角度，然后通过控制器3控制二维转台1运动，使二维转台1的方位和俯仰运动到达指定位置，控制器3内含GPS。

如图2所示，跟踪辅助装置2包括：CMOS图像传感器6，除湿和温控装置7，全景鱼眼镜头8，防水防尘光学玻璃罩9，透气孔10，封装箱11，电源和数据线接口A12和支架13；

封装箱11内安装CMOS图像传感器6和除湿和温控装置7；

CMOS图像传感器6通过全景鱼眼镜头8对太阳和月亮成像，图像下传给计算机5，根据太阳或月亮在CMOS图像传感器6上的像元位置确定太阳和月亮的位置(在倾斜面上的位置)，封装箱11上表面开有水汽通过透气孔10，并安装防止光学玻璃罩9，除湿和温控装置7用于控制封装箱11内的温度和水汽，防止光学玻璃罩9结露，影响仪器精度和寿命，水汽通过透气孔10排走。电源和数据线接口A12用于连接控制器3，支架13上端固定封装箱11，下端固定在安装平板4上。

如图3所示，二维转台1包括：方位驱动装置14，俯仰驱动装置15，载物台16，位置敏感器17，密封框架18，电源和数据线接口B19和安装支架20；俯仰驱动装置15与载物台16相连接，载物台16与位置敏感器17相连。俯仰驱动装置15同时与密封框架18相连，密封框架18与方位驱动装置14相连，并放置于安装支架20。电源和数据线接口B19固定在方位驱动装置14上，用于电源和信号传送。

方位驱动装置14用于驱动转台进行方位旋转，俯仰驱动装置15用于驱动并带动载物台16俯仰旋转，载物台16用于安装探测器如太阳光度计、月亮光度计及类似光学传感器。位置敏感器17用于确定载物台是否精确指向太阳或月亮位置，并将该信息传递给控制器3。电源和数据线接口B19用于传输数据和供电。

上述适用于运动状态下的太阳和月亮跟踪装置的工作方法，包括以下步骤：

太阳或月亮的位置数据(方位角φ和仰角θ)可由计算机内置的程序根据车、船、飞(机)艇等所处的地理位置(经度X、纬度Y和高度h)以及时间t计算得到，具体计算方法不在这里赘述。

(θ,φ)～ψ(X,Y,h,t) (1)

当安装面为决定水平和方位绝对0度时，CMOS图像传感器6上的每一个像元(i，j)对应一组位置数据(方位角φ和仰角θ)，即：

(i,j)～f(θ,φ) (2)

但是，当车、船、飞机、飞艇等在运动状态下，其地理位置(X，Y，h)和时间t时刻在变化，同时，由于路面不平或在斜坡、海面风浪导致的海面变化、车、船、飞机飞艇的颠簸和摇摆状态下，车、船、飞机和飞艇不再处于水平面，方位也会发生变化，如图5所示。在移动状态中，假设t＝0时刻，由程序(θ,φ)～ψ(X,Y,h,t)计算太阳位置为：

t＝0 (θ₀,φ₀)～ψ(X₀,Y₀,h₀,t₀) (3)

在t＝1时，车、船移动到了(X₁，Y₁，h₁)，由程序(θ,φ)～ψ(X,Y,h,t)计算太阳位置为：

t＝1 (θ₁,φ₁)～ψ(X₁,Y₁,h₁,t₁) (4)

根据公式(2)，太阳像元应该落在CMOS图像传感器6上(i₁，j₁)，如图5中的虚线平面和虚线圆斑。

t＝1 (i₁,j₁)～f(θ₁,φ₁) (5)

但是，由于车、船所处路面或海面不平，车、船、飞机(艇)等的摇摆等，以及移动，车、船、飞机(艇)的所处的平面法线z’，不再指向天顶，坐标轴也发生旋转，方位角由于移动也发生了变化，此时，太阳像元落在了CMOS图像传感器6上:(i₁',j₁')

(i′₁,j′₁)～f(θ′₁,φ′₁)

因此可以得到t＝1时刻车、船等所处平面法线方向的倾斜角(如图5b中的实线平面)和方位角分别为：

Δθ＝θ′₁-θ₁

Δφ＝φ′₁-φ₁

因此可以确定平台安装平面发生了变化，与理论位置的差为(Δθ，Δφ)，计算机5(图4)将偏移量Δθ，Δφ传递给控制器，在原来计算的公式4调整偏移量：

θ＝θ₁+Δθ

φ＝φ₁+Δφ

并控制二维转台1运动，使其在倾斜平面的基础上指向太阳或月亮大概位置，这时二维转台1处于一个位置敏感器17的可测范围内。然后，位置敏感器17开始工作，判断二维转台1是否精确指向了太阳和月亮，并根据位置敏感器17调整二维转台的姿态，从而达到高精度指向太阳和月亮的最终目标。

如图6所示，将跟踪装置置于车顶，跟踪装置载物台安装太阳光度计，计算机放置于与车内，启动计算机和跟踪装置，开始采集数据，发动汽车，沿规划路线运动，同时采集太阳不同波段上的光强数据，利用实时获得的GPS和时间就可以获得经过路线上大气气溶胶、水汽等信息。

如图7所示，将跟踪装置置于船上无遮挡位置，跟踪装置载物台安装太阳光度计，计算机放置于与船内，连接电源，启动计算机和跟踪装置，开始采集数据。启动轮船，沿规划路线运动，同时采集太阳光度计不同波段上的光强数据，利用实时获得的GPS和时间就可以获得经过路线上大气气溶胶、水汽等信息。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种适用于运动状态下的太阳和月亮跟踪装置，其特征在于，包括：二维转台，跟踪辅助装置、控制器、安装平板和计算机；

二维转台，跟踪辅助装置和控制器安装在安装平板上；

二维转台用于装载探测器并使其指向太阳或月亮，跟踪辅助装置用于确定载具初始安装水平面的方位角和倾角，控制器用于采集跟踪辅助装置的图像数据，并传递给计算机，计算机用于分析图像数据，确定水平面倾斜角度和方位角度，然后通过控制器控制二维转台运动，使二维转台的方位和俯仰运动到达指定位置，控制器内含GPS；

所述跟踪辅助装置包括：CMOS图像传感器，除湿和温控装置，全景鱼眼镜头，防水防尘光学玻璃罩，透气孔，封装箱，电源和数据线接口A和支架；

封装箱内安装CMOS图像传感器和除湿和温控装置；

CMOS图像传感器通过全景鱼眼镜头对太阳和月亮成像，图像下传给计算机，根据太阳或月亮在CMOS图像传感器上的像元位置确定太阳或月亮的位置，封装箱上表面开有水汽通过透气孔，并安装防止光学玻璃罩，除湿和温控装置用于控制封装箱内的温度和水汽，防止光学玻璃罩结露，影响仪器精度和寿命，水汽通过透气孔排走；电源和数据线接口A用于连接控制器进行电源和信号传送，支架上端固定封装箱，下端固定在安装平板上。

2.根据权利要求1所述的太阳和月亮跟踪装置，其特征在于：所述二维转台包括：方位驱动装置，俯仰驱动装置，载物台，位置敏感器，密封框架，电源和数据线接口B和安装支架；俯仰驱动装置与载物台相连接，载物台与位置敏感器相连；俯仰驱动装置同时与密封框架相连，密封框架与方位驱动装置相连，并放置于安装支架上；电源和数据线接口B固定在方位驱动装置上，用于连接控制器进行电源和信号传送；

方位驱动装置用于驱动转台进行方位旋转，俯仰驱动装置用于驱动并带动载物台俯仰旋转，载物台用于安装探测器如太阳光度计、月亮光度计及类似光学传感器；电源和数据线接口B用于传输数据和供电。

3.根据权利要求1和2的其中一项所述的太阳和月亮跟踪装置的跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将跟踪装置安装在载具上，载具包括：汽车、船、飞艇、飞机和气球；

步骤2，获取太阳或月亮的位置数据，方位角φ和仰角θ；

位置数据由计算机内置的程序根据载具所处的地理位置，经度X、纬度Y、高度h，以及时间t计算得到，公式如下：

(θ,φ)～ψ(X,Y,h,t) (1)

步骤3，当安装平台平面为绝对水平和方位绝对0度时，CMOS图像传感器上的每一个像元(i，j)对应一组位置数据方位角φ和仰角θ，即公式：

(i,j)～f(θ,φ) (2)

步骤4，假设t＝0时刻，由程序(θ,φ)～ψ(X,Y,h,t)计算太阳位置为：

t＝0 (θ₀,φ₀)～ψ(X₀,Y₀,h₀,t₀) (3)

步骤5，假设在t＝1时，载具移动到了(X₁，Y₁，h₁)，由程序(θ,φ)～ψ(X,Y,h,t)计算太阳位置为：

t＝1 (θ₁,φ₁)～ψ(X₁,Y₁,h₁,t₁) (4)

根据公式(2)，太阳像元应该落在CMOS图像传感器上(i₁，j₁)，如下式：

t＝1 (i₁,j₁)～f(θ₁,φ₁) (5)

步骤6，当由于载具所处路面或海面不平，载具的摇摆以及移动，载具的所处的平面法线z’，不再指向天顶，坐标轴也发生旋转，方位角由于移动也发生了变化，此时，太阳像元落在了CMOS图像传感器6上:(i'₁,j'₁)

(i'₁,j'₁)～f(θ'₁,φ'₁)

因此得到t＝1时刻载具所处平面法线方向的倾斜角和方位角分别为：

Δθ＝θ'₁-θ₁

Δφ＝φ'₁-φ₁

确定平台安装平面发生了变化，与理论位置的差为(Δθ，Δφ)，计算机将偏移量Δθ，Δφ传递给控制器，在原来计算的公式4调整偏移量，如下式：

θ＝θ₁+Δθ

φ＝φ₁+Δφ

步骤7，控制二维转台运动，使其在倾斜平面的基础上指向太阳或月亮大概位置，这时二维转台处于一个位置敏感器的可测范围内；然后，位置敏感器开始工作，判断二维转台是否精确指向了太阳和月亮，并根据位置敏感器调整二维转台的姿态，从而达到高精度指向太阳和月亮的最终目标。

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