CN113342062A - 一种基于双gnss天线的太阳能追踪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双GNSS天线的太阳能追踪系统，包括太阳能板、两根GNSS天线、GNSS定位授时解算模块、追踪控制模块和姿态控制模块，由两根分别安装在太阳能板的平面方向和垂直方向的GNSS天线接收导航卫星信号，GNSS定位授时解算模块根据导航卫星信号解算得到太阳能板和两根GNSS天线的三维坐标，追踪控制模块根据三维坐标计算得到太阳能板的水平方向调整角度和垂直方向调整角度，由姿态控制模块实现太阳能板的姿态调整。本发明采用双GNSS天线获取太阳能板和两根GNSS天线的三维坐标，自动计算出太阳能板的水平方向调整角度和垂直方向调整角度，提高太阳能自动跟踪的效率和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于太阳能系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于双GNSS天线的太阳能追踪系统。
背景技术
太阳能作为目前最清洁的可再生能源之一，能够有效缓解全球煤炭、石油等不可再生能源紧缺的压力。由于地球的自转，导致太阳直射角时刻发生变化，为提高光能的最大利用效率，需要实时调整光能板的角度姿态使其始终与太阳入射方向垂直。
当前太阳自动追光装置多数采用光敏传感器，但易受天气环境的影响限制，追踪精度较低。部分采用GPS定位技术参数确定太阳的方位角和高度角信息，控制机械转轴实现自动追踪。然而此方法需要确定光能板的姿态位置，目前方法主要是利用方位传感器元件以获取姿态信息，存在灵敏度较低，抗干扰性差等不足，难以精确测定光能板姿态以调整追踪太阳位置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双GNSS天线的太阳能追踪系统，采用双GNSS天线获取太阳能板和两根GNSS天线的三维坐标，自动计算出太阳能板的水平方向调整角度和垂直方向调整角度，提高太阳能自动跟踪的效率和稳定性。
为实现上述发明目的，本发明基于双GNSS天线的太阳能追踪系统包括太阳能板、平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线、GNSS定位授时解算模块、追踪控制模块和姿态控制模块，其中：
太阳能板用于接收太阳光；
平面方向GNSS天线和垂直方向GNSS天线分别安装在太阳能板的平面方向和垂直方向，两根GNSS天线分别按照预设时间周期性的接收各个导航卫星的信号，然后转发至GNSS定位授时解算模块；
GNSS定位授时解算模块根据从平面方向GNSS天线和垂直方向GNSS天线接收到的卫星信息计算得到当前时间，确定太阳能板所在区域是否为白天，如果不是，则不进行太阳追踪，如果是白天，则进一步判断本次追踪是否为当日首次追踪，如果是，则采用RTK载波相位差分技术进行动态解算得到太阳能板和平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线在WGS-84坐标系下的三维坐标
构成动态解算结果；如果不是，则每隔一定时间间隔采用RTK载波相位差分技术进行静态解算得到平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线在WGS-84坐标系下的三维坐标
构成静态解算结果；然后将当前时间、动态解算结果或静态解算结果发送给追踪控制模块；
追踪控制模块在接收到当前时间、动态解算结果或静态解算结果后，首先根据当前时间和天文参数计算得到当前时刻太阳在WGS-84坐标系下坐标P4(x4,y4,z4)，如果追踪控制模块接收到的是动态解算结果，则按照以下方法计算出太阳能板的水平方向调整角度Δα和垂直方向调整角度Δβ以实现太阳能追踪系统的初始追踪太阳：
S1.1：根据太阳坐标P4(x4,y4,z4)和太阳能板以及平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线的三维坐标
计算太阳-太阳能板的基线向量
和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量
S1.2：将两条基线向量由空间三维直角坐标系下转换为球面坐标系，得到太阳-太阳能板的球面坐标(α1,δ1,γ1)和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α2,δ2,γ2)，计算公式分别如下：
计算得到水平方向和垂直方向上两条基线的角度差分别为Tα＝α2-α1和Tδ＝δ2-δ1；
S1.3：追踪控制模块向姿态控制模块查询得到太阳能板当前的水平方向角度α和垂直方向角度δ，结合太阳-太阳能板基线向量的球面坐标(α1,δ1,γ1)和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α2,δ2,γ2)，在仅考虑水平方向和垂直方向的二维空间下，计算得到当前时刻WGS-84系球面坐标形式转换至以太阳能板为中心的载体坐标系的转换矩阵A；转换矩阵A的计算方法如下：
记WGS-84系球面坐标形式到载体坐标系的旋转角度为θ，则有：
得到转换矩阵
S1.4：通过转换矩阵A将水平方向两条基线的角度差Tα和垂直方向上两条基线的角度差Tδ从WGS-84系球面坐标转换至以太阳能板为中心的载体坐标系，得到太阳能板的水平方向调整角度Δα和垂直方向调整角度Δδ：
如果追踪控制模块接收到的是静态解算结果，表明太阳能追踪系统进入精调整对准阶段，由静态解算得到的平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线在WGS-84坐标系下的三维坐标
按照以下方法计算出太阳能板的水平方向调整角度Δα′和垂直方向调整角度Δδ′以实现太阳能追踪系统的精确追踪太阳：
S2.1：根据两根GNSS天线的三维坐标
计算平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量
S2.2：将平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量由空间三维直角坐标系下转换为球面坐标系，得到平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α′2,δ′2,γ′2)，计算公式如下：
计算得到水平方向和垂直方向上平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量和太阳-太阳能板基线向量的角度差分别为T′α＝α′2-α1和T′δ＝δ′2-δ1；
S2.3：追踪控制模块向姿态控制模块查询得到太阳能板当前的水平方向角度α′和垂直方向角度δ′，结合太阳-太阳能板基线向量的球面坐标(α1,δ1,γ1)和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α′2,δ′2,γ′2)，采用S1.3中的相同方法计算得到当前时刻WGS-84系球面坐标转换至以太阳能板为中心的载体坐标系的转换矩阵A′；
S2.4：通过转换矩阵A′将水平方向两条基线的角度差T′α和垂直方向上两条基线的角度差T′δ从WGS-84系球面坐标转换至以太阳能板为中心的载体坐标系，得到太阳能板的水平方向调整角度Δα′和垂直方向调整角度Δδ′：
姿态控制模块根据从追踪控制模块所接收的水平方向调整角度和垂直方向调整角度，对太阳能板的姿态进行调整。
本发明基于双GNSS天线的太阳能追踪系统，包括太阳能板、两根GNSS天线、GNSS定位授时解算模块、追踪控制模块和姿态控制模块，由两根分别安装在太阳能板的平面方向和垂直方向的GNSS天线接收导航卫星信号，GNSS定位授时解算模块根据导航卫星信号解算得到太阳能板和两根GNSS天线的三维坐标，追踪控制模块根据三维坐标计算得到太阳能板的水平方向调整角度和垂直方向调整角度，由姿态控制模块实现太阳能板的姿态调整。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明系统部件安装简单，且不需要人工事先对太阳能板进行姿态的初始追踪太阳，自动化程度高；
2)本发明利用双GNSS天线在太阳能板上垂直安装的几何构造，使双天线基线方向即为太阳能板的法线方向，并以此基线方向表示太阳能板在WGS-84系下的姿态，实现双天线法太阳能板定姿，与基于光敏传感器的太阳能追踪相比更加稳定可靠；
3)本发明中系统在初始追踪太阳后周期性地进行RTK载波相位差分技术静态解算，以进行太阳能板的姿态的精确调整。太阳能板调整的角度是以RTK解算的基线向量水平和垂直角度差为基础，且每次调整时均计算一次转换矩阵，由于RTK解算不存在累计误差，因此太阳能板在水平和垂直方向上调整没有累计误差。所以，太阳能板在自动追光过程中没有累计误差，追光效率高。
附图说明
图1是本发明基于双GNSS天线的太阳能追踪系统的具体实施方式结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明基于双GNSS天线的太阳能追踪系统的具体实施方式结构图。如图1所示，本发明基于双GNSS天线的太阳能追踪系统包括太阳能板1、平面方向GNSS天线2、垂直方向GNSS天线3、GNSS定位授时解算模块4、追踪控制模块5和姿态控制模块6。下面分别对各个模块进行详细说明。
太阳能板1用于接收太阳光。
平面方向GNSS天线2和垂直方向GNSS天线3分别安装在太阳能板1的平面方向和垂直方向，两根GNSS天线分别按照预设时间周期性的接收各个导航卫星的信号，然后转发至GNSS定位授时解算模块3。
GNSS定位授时解算模块4根据从平面方向GNSS天线2和垂直方向GNSS天线3接收到的卫星信息计算得到当前时间，确定太阳能板3所在区域是否为白天，如果不是，则不进行太阳追踪，如果是白天，则进一步判断本次追踪是否为当日首次追踪，如果是，则采用RTK(Real-time kinematic，实时动态)载波相位差分技术进行动态解算得到太阳能板和平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线在WGS-84坐标系下的三维坐标
构成动态解算结果，如果不是，则每隔一定时间间隔(如5分钟)采用RTK载波相位差分技术进行静态解算得到平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线在WGS-84坐标系下的三维坐标
构成静态解算结果。然后将当前时间、动态解算结果或静态解算结果发送给追踪控制模块4。
追踪控制模块5在接收到当前时间、动态解算结果或静态解算结果后，首先根据当前时间和天文参数(日月表和地球椭球参数等)计算得到当前时刻太阳在WGS-84坐标系下坐标P4(x4,y4,z4)，如果接收到的是动态解算结果，则按照以下方法计算出太阳能板的水平方向调整角度Δα和垂直方向调整角度Δβ以实现太阳能追踪系统的初始追踪太阳：
S1.1：计算基线向量：
根据太阳坐标P4(x4,y4,z4)和太阳能板以及平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线的三维坐标
计算太阳-太阳能板的基线向量
和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量
S1.2：计算基线向量角度差：
当太阳-太阳能板的基线向量和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量平行时，则表示此时太阳入射方向与太阳能板垂直，否则表示太阳能板偏离了太阳入射方向，因此需要计算基线向量之间的角度差。为表示上述两条基线的空间角度关系，需要先将两条基线向量由空间三维直角坐标系下转换为球面坐标系，得到太阳-太阳能板基线向量的球面坐标(α1,δ1,γ1)和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α2,δ2,γ2)，计算公式分别如下：
然后计算得到水平方向和垂直方向上两条基线的角度差分别为Tα＝α2-α1和Tδ＝δ2-δ1。
S1.3：计算载体坐标系的转换矩阵：
由于上述两条基线向量水平和垂直的角度差是在WGS-84坐标系下，而对于所调整的角度是以太阳能板为中心的载体坐标系，因此追踪控制模块5向姿态控制模块6查询得到太阳能板1当前的水平方向角度α和垂直方向角度δ，结合太阳-太阳能板基线向量的球面坐标(α1,δ1,γ1)和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α2,δ2,γ2)，计算得到当前时刻WGS-84系球面坐标形式转换至以太阳能板为中心的载体坐标系的转换矩阵A。转换矩阵A的计算方法如下：
记当前时刻WGS-84系球面坐标形式到载体坐标系的旋转角度为θ，则有如下表示式：
则有：
得到转换矩阵
S1.4：计算调整角度：
通过该转换矩阵A将水平方向两条基线的角度差Tα和垂直方向上两条基线的角度差Tδ从WGS-84系球面坐标转换至以太阳能板为中心的载体坐标系，得到太阳能板1的水平方向调整角度Δα和垂直方向调整角度Δδ：
如果追踪控制模块5接收到的是静态解算结果，表明太阳能追踪系统进入精调整对准阶段，由静态解算得到的平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线在WGS-84坐标系下的三维坐标
则按照以下方法计算出太阳能板的水平方向调整角度Δα′和垂直方向调整角度Δδ′以实现太阳能追踪系统的精确追踪太阳：
S2.1：计算基线向量：
根据两根GNSS天线的三维坐标
计算平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量
S2.2：计算基线向量角度差：
将平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量由空间三维直角坐标系下转换为球面坐标系，得到平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α′2,δ′2,γ′2)，计算公式如下：
计算得到水平方向和垂直方向上平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量和太阳-太阳能板基线向量的角度差分别为T′α＝α′2-α1和T′δ＝δ′2-δ1；
S2.3：计算载体坐标系的转换矩阵：
追踪控制模块5向姿态控制模块6查询得到太阳能板当前的水平方向角度α′和垂直方向角度δ′，结合太阳-太阳能板基线向量的球面坐标(α1,δ1,γ1)和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α′2,δ′2,γ′2)，采用S1.3中的相同方法计算得到当前时刻WGS-84系球面坐标转换至以太阳能板为中心的载体坐标系的转换矩阵A′。
S2.4：计算调整角度：
通过旋转矩阵A′将水平方向两条基线的角度差T′α和垂直方向上两条基线的角度差T′δ从WGS-84系球面坐标转换至以太阳能板为中心的载体坐标系，得到太阳能板1的水平方向调整角度Δα′和垂直方向调整角度Δδ′：
姿态控制模块6根据从追踪控制模块5所接收的水平方向调整角度和垂直方向调整角度，对太阳能板的姿态进行调整。
如图1所示，本实施例中姿态控制模块6包括驱动模块61、水平方向旋转轴62、前垂直方向伸缩轴63和后垂直方向伸缩轴64，其中驱动模块61用于接收水平方向调整角度和垂直方向调整角度，分别向水平方向旋转轴62、前垂直方向伸缩轴63和后垂直方向伸缩轴64发送水平方向调整指令和垂直方向调整指令；水平方向旋转轴62根据水平方向调整指令进行旋转调整，实现太阳能板水平方向的姿态调整；前垂直方向伸缩轴63和后垂直方向伸缩轴64根据垂直方向调整指令进行伸缩调整，共同实现太阳能板垂直方向的姿态调整。
根据本发明基于双GNSS天线的太阳能追踪系统中逻辑控制模块的控制方法可知，本发明系统在启动前无需人工预先调整太阳能板的姿态进行初始对准，会自动在每日在第一次检测到基线向量偏差时进行太阳能板姿态的初次调整。由于太阳相对于地面某一点(太阳能板)的运动轨迹较为平缓，同时也为了获得更为精确的天线基线向量，因此在进行初次调整后GNSS定位授时解算模块周期性地进行RTK静态解算，根据解算结果进行精调整。直到进行夜间时分，系统会处于休眠状态，直到下一天日出再恢复工作。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种基于双GNSS天线的太阳能追踪系统，其特征在于包括太阳能板、平面方向GNSS天线和垂直方向GNSS天线、GNSS定位授时解算模块、追踪控制模块和姿态控制模块，其中：
太阳能板用于接收太阳光；
平面方向GNSS天线和垂直方向GNSS天线分别安装在太阳能板的平面方向和垂直方向，两根GNSS天线分别按照预设时间周期性的接收各个导航卫星的信号，然后转发至GNSS定位授时解算模块；
GNSS定位授时解算模块根据从平面方向GNSS天线和垂直方向GNSS天线接收到的卫星信息计算得到当前时间，确定太阳能板所在区域是否为白天，如果不是，则不进行太阳追踪；如果是白天，则进一步判断本次追踪是否为当日首次追踪，如果是，则采用RTK载波相位差分技术进行动态解算得到太阳能板和平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线在WGS-84坐标系下的三维坐标
构成动态解算结果；如果不是，则每隔一定时间间隔采用RTK载波相位差分技术进行静态解算得到平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线在WGS-84坐标系下的三维坐标
构成静态解算结果；然后将当前时间、动态解算结果或静态解算结果发送给追踪控制模块；
追踪控制模块在接收到当前时间、动态解算结果或静态解算结果后，首先根据当前时间和天文参数计算得到当前时刻太阳在WGS-84坐标系下坐标P4(x4,y4,z4)，如果追踪控制模块接收到的是动态解算结果，则按照以下方法计算出太阳能板的水平方向调整角度Δα和垂直方向调整角度Δβ以实现太阳能追踪系统的初始追踪太阳：
S1.1：根据太阳坐标P4(x4,y4,z4)和太阳能板以及平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线的三维坐标
计算太阳-太阳能板的基线向量
和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量
S1.2：将两条基线向量由空间三维直角坐标系下转换为球面坐标系，得到太阳-太阳能板的球面坐标(α1,δ1,γ1)和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α2,δ2,γ2)，计算公式分别如下：
计算得到水平方向和垂直方向上两条基线的角度差分别为Tα＝α2-α1和Tδ＝δ2-δ1；
S1.3：追踪控制模块向姿态控制模块查询得到太阳能板当前的水平方向角度α和垂直方向角度δ，结合太阳-太阳能板基线向量的球面坐标(α1,δ1,γ1)和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α2,δ2,γ2)，在仅考虑水平方向和垂直方向的二维空间下，计算得到当前时刻WGS-84系球面坐标形式转换至以太阳能板为中心的载体坐标系的转换矩阵A；转换矩阵A的计算方法如下：
记WGS-84系球面坐标形式到载体坐标系的旋转角度为θ，则有：
得到转换矩阵
S1.4：通过转换矩阵A将水平方向两条基线的角度差Tα和垂直方向上两条基线的角度差Tδ从WGS-84系球面坐标转换至以太阳能板为中心的载体坐标系，得到太阳能板的水平方向调整角度Δα和垂直方向调整角度Δδ：
如果追踪控制模块接收到的是静态解算结果，表明太阳能追踪系统进入精调整对准阶段，由静态解算得到的平面方向GNSS天线、垂直方向GNSS天线在WGS-84坐标系下的三维坐标
按照以下方法计算出太阳能板的水平方向调整角度Δα′和垂直方向调整角度Δδ′以实现太阳能追踪系统的精确追踪太阳：
S2.1：根据两根GNSS天线的三维坐标
计算平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量
S2.2：将平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量由空间三维直角坐标系下转换为球面坐标系，得到平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α2′,δ2′,γ2′)，计算公式如下：
计算得到水平方向和垂直方向上平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量和太阳-太阳能板基线向量的角度差分别为T′α＝α′2-α1和Tδ′＝δ′2-δ1；
S2.3：追踪控制模块向姿态控制模块查询得到太阳能板当前的水平方向角度α′和垂直方向角度δ′，结合太阳-太阳能板基线向量的球面坐标(α1,δ1,γ1)和平面方向GNSS天线-垂直方向GNSS天线基线向量的球面坐标(α′2,δ′2,γ′2)，采用S1.3中的相同方法计算得到当前时刻WGS-84系球面坐标转换至以太阳能板为中心的载体坐标系的转换矩阵A′；
S2.4：通过转换矩阵A′将水平方向两条基线的角度差T′α和垂直方向上两条基线的角度差T′δ从WGS-84系球面坐标转换至以太阳能板为中心的载体坐标系，得到太阳能板的水平方向调整角度Δα′和垂直方向调整角度Δδ′：
姿态控制模块根据从追踪控制模块所接收的水平方向调整角度和垂直方向调整角度，对太阳能板的姿态进行调整。
2.根据权利要求1所述的基于双GNSS天线的太阳能追踪系统，其特征在于，所述姿态控制模块包括姿态控制模块包括驱动模块、水平方向旋转轴、前垂直方向伸缩轴和后垂直方向伸缩轴，其中驱动模块用于接收水平方向调整角度和垂直方向调整角度，分别向水平方向旋转轴、前垂直方向伸缩轴和后垂直方向伸缩轴发送水平方向调整指令和垂直方向调整指令；水平方向旋转轴根据水平方向调整指令进行旋转调整，实现太阳能板水平方向的姿态调整；前垂直方向伸缩轴和后垂直方向伸缩轴根据垂直方向调整指令进行伸缩调整，共同实现太阳能板垂直方向的姿态调整。
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