高度截止角

高度截止角（通用3篇）

高度截止角 篇1

摘要：卫星高度角的截取对于GPS的观测成果和基线处理都很重要, 它的取值直接影响着获取卫星的数据范围。对GPS的精度和准度有很大的影响。

关键词：GPS,卫星高度角,研究,选择

前言

卫星高度角, 即卫星高度截止的仰角。在对GPS基线处理时, 对基线质量有显著的影响。基线是任意两台接受机同步观测解算而得的两点间的位置矢量。GPS的平差实质就是对基线的平差, 为确保基线的质量, 要对它们进行同步环的检测和异步环的检测。此外还要对基线进行改正数的统计, 总之, 基线的质量就是GPS的质量。要提高GPS的质量, 有必要对卫星高度角进行研究, 以确保基线的质量。

1 卫星高度角对基线影响的基本原理如图1。

从图上我们可以看出:卫星高度角直接影响着卫星的观测范围, 随着高度角的增大, 卫星的观测范围显著减小。由于GPS卫星受到影响的条件很多, 卫星高度角过低, 仰角小的卫星受到大气的影响较大, 卫星信号强度太弱, 信噪比低, 同时容易产生多路径效应。使数据中低质量的数据比重过大, 进而影响的数据的整体质量。卫星高度角过高, 使观测范围变小, 观测卫星数显著减小。同时人为造成卫星图形欠佳, 影响数据的准确度。通过一个实例来详细的说明。

2 测区概况

测区为平陆县曹川镇的丘陵区, 位于一个U型的山谷内。野外环境对GPS观测不利, 一面为山坡阻挡, 一面视野开阔。如图2。

测量的目地为一个滑坡监测进行控制测量, 精度要求达到E级。

3 野外观测

为确保质量, 同时尽可能的提高精度, 进行了观测时段为一小时的快速静态定位。在观测过程中, 时刻记录捕捉卫星的个数, 以便随时延长观测时间。GPS网图如图3。

其中有两个同步环, 环1、环2。有三条重复基线, B1-B2、B1-B3、B3-B2。B1、B2为起算点。

4 分组计算

对以上的观测数据分别从不同的卫星高度角进行三维无约束平差

(1) 高度角为20°, 历无间隔15″, 有2个同步环不合格, 异步环超限。这里不进行比较分析。

(3) 环1的高度为角35°, 环2的高度为角20°, 历元间隔都为15″, 对重复基线进行比较。见表2。

最大差值为B2-B1、为0.004m。

由于误差分布符合正态分布。调高某个高度角, 用采集的数据精度 (离散度很小) 很高, 其均值不一定靠近真值。适当调低高度角, 数据量很大, 卫星数据多, 离散度很大, 自身精度比上述要低, 但从正态分布的角度求平均值, 较靠近真值。

对以上的两种情况的三维无约束基线后边长进行改平与同名全站仪改平后边长比较见表3:

可以看出低高度角的准确度较高。所以尽可能不要提高高度角达到表面质量的合格, 应尽可能地让更多的数据参与平差, 提高数据的准确度。

5 结论

(1) 卫星高度角一般在20°为宜, 不宜过大, 过大虽然表面质量满足, 但准确度不高。 (2) GPS技术对视野要求很高, 尽可能地选择好的

(2) 高度角为35°, 历无间隔15″, 全部为合格, 对重复基线进行比较。见表1。

最大差值为B2-B1、B1-B3边, 为0.008m。点位有益于提高GPS精度。 (3) 对GPS的结果应进行多方面的检查, 以防出错。

参考文献

[1]张勤, 李家权.GPS测量原理及应用[M].北京:科学出版社, 2005.

正午太阳高度角的一种简易算法 篇2

一、 纬度变化量与正午太阳高度角变化量之间的关系

太阳光的入射方向和地平面之间的夹角就是太阳高度或太阳高度角(H)(如图一),或简单理解为太阳光线与地平面的夹角。由于太阳光线是平行光,而地平面是一个球面,因此,不同纬度太阳高度角的大小是不同的。只有穿过地心的那束阳光和地平面是垂直的(圆的切线垂直于经过切点的半径,圆的切线相当于地平面,半径相当于穿过地心的阳光)。因为地心是一个点, 所以太阳光线与地面垂直的光线只有一条, 与地面的交点也就是太阳直射点仅是一个点,它的太阳高度角是90°,即直射点,其余地面太阳高度都小于90°。离直射点越近,太阳高度角越大,太阳高度角由直射点向两侧递减(如图二,可以大致看出太阳高度角的变化规律)。直射点所在的经线上的太阳高度是正午太阳高度角, 正午太阳高度角是一天太阳高度角的最大值 (太阳直射点所在的经线是12点), 太阳高度角的大小与太阳直射点的纬度差有关。

当太阳直射赤道时(如图三),赤道的纬度是0°,正午太阳高度角是90°;两极点的纬度是90°,正午太阳高度角是0°。从中可以看出从赤道到两极,纬度变化了90°,正午太阳高度角也变化了90°,即可以得出了纬度变化量和正午太阳高度角变化量相等的结论,因此,可以利用Δ纬度=Δ正午太阳高度角(Δ表示变化量,如Δt=t2-t1)的方法来计算正午太阳高度角。

二、正午太阳高度角的计算

这里以示例进行说明正午太阳高度角的计算过程。例如,已知太阳直射20°N,计算60°N的正午太阳高度角。一般有以下几个步骤:

(1)画一个椭圆及赤道,右侧标出纬度。画椭圆的原因是即可避免学生因为画不好圆而产生不想画的心理,同时又便于在椭圆两侧书写数字(如图四)。(2)画出太阳直射点的纬线,在椭圆右侧标出它的纬度,在椭圆左侧标出正午太阳高度角(直射点的正午太阳高度角是90°)(如图五)。 (3)画出要计算正午太阳高度角的纬线,并在右侧标出其纬度,在左侧标出设定的正午太阳高度角X(如图六)。(4)先计算纬度变化量:Δ纬度=60°-20°=40°;然后计算正午太阳高度角变化量:Δ正午太阳高度角=90°-X(如图七)。(5)计算,根据前述结论中Δ正午太阳高度角=Δ纬度,即90°-X=60°-20°=40°,解得60°N的正午太阳高度角X=90°-40°=50°。以上过程仅仅是为了演示画的分解图, 在实际计算中所有的步骤是在同一个图中画出的。

三、解题应用案例

例,地表点Q与太阳直射点所在纬线之间的纬度差为α,其正午太阳高度为H。若H等于α,则Q点的纬度变化范围是( )

A. 21.5°至 68.5° B. 11.5°至 68.5°

C. 21.5°至 78.5 ° D. 11.5°至 45°11

高度截止角 篇3

太阳方向自动跟踪是提高太阳能利用的有效手段。与固定式相比,单轴跟踪可以提高20%以上,双轴跟踪可以提高30% 以上[1],全自动式可以提高发电量的35%[2]。由于跟踪精度影响跟踪效率,因此人们都竞相开发高精度的实时跟踪系统.比如有些双轴跟踪精度为2°[1],美国阿尔法公司的全自动跟踪太阳能发电设备的跟踪精度为0.5°[2],还有二维程控太阳能跟踪器的精度达0.25°[3]。为配合这个跟踪精度,要么使用跟踪精度高达0.018 75°的步进电机[3],要么使用带减速机构和齿轮减速机构级联[1]。但是高精度往往意味着高投入和系统的高复杂性,而我们具体的应用究竟需要多高的跟踪精度目前并没有统一的说法。虽然文献[4,5,6,7]也建立了数学模型对跟踪系统进行预测和分析,但是都是基于按月统计固定式与跟踪式的性能差别。为更好的利用太阳能,简化太阳能光伏跟踪系统,有必要专门研究一天中太阳相对辐射通量变化率与跟踪精度的关系。

1 太阳光直接辐射强度

日-地距离的变化使得一年中垂直于光线的单位面积上所接收到的太阳辐射通量有±3.4%的变化。为研究方便,取日-地平均距离,则大气层外的太阳能直接辐射强度为太阳能常数Isc。太阳辐射能在通过大气层时会产生一定的衰减,表征大气对辐射衰减程度的重要参数就是大气透明度和大气质量[8]。根据布克-兰贝特定律,设r为目地间距引起的修正值,m为大气质量,p2为将pm修正到m=2的透明度,计算垂直于太阳的光表面上的直接辐射强度I公式为[9]:

${\rm I}=r{\rm I}{}_{\text{s}\text{c}}p{}_2^m(1)$

大气大气透明度和大气质量之间有着复杂的关系,但是对于大多数地方来说,根据各地相关资料可以确定四季的大气透明度。一天中,随着地球自转,太阳光直接辐射强度的变化很大,为了应用上的方便,可以将m值换成太阳高度角。日地平均距离时各种大气透明度下直接辐射的平均辐射强度随太阳高度角的变化表如表1所示[9]。原表中数据由于单位cal/(cm2·min)是非标准单位并且使得各值太小,对建立模型仿真而言,误差太大,所以将它的单位转换为mW/cm2。转换公式:1cal=4.186 8 J。

我们可以利用这个表,根据太阳高度角可以查出某一透明度条件下的辐射强度值。

2 太阳能电池板高度角自动跟踪模型

为方便计算,假设一天中跟踪高度角跟踪范围是15～90°,太阳辐射强度为I=rIscp${}_m^m$,随时间推移,太阳光产生角位移α。

太阳能电池板的自动跟踪几何模型如图1所示,在日地平均距离条件下,设图1中初始太阳高度角为15°,初始太阳辐射强度为I0,太阳能电池板的初始位置为垂直于太阳光。为方便计算,将表1中的数据处理,结果表明太阳高度角在15～90°(7点到12点间)间太阳辐射强度成线性增强,即I=I0+kt,其中k为线性系数,t为时间变量。太阳辐射强度为I。假设太阳光线转动随时间推移而转动一个小角度α(短时间),则在法线方向的太阳辐射强度为:

${\rm I}{}_{\text{Η},\text{b}}=({\rm I}{}_0+kt)\cos \alpha (2)$

将式(1)对时间进行积分,则垂直于太阳光线的太阳辐射通量为:

${{\rm H}}^{\prime }{}_{\text{Η},\text{b}}={\displaystyle {\int }_0^t(}{\rm I}{}_0+kt)\cos \alpha \text{d}t(3)$

而时间和转动的角度的关系为$\text{d}t=\frac{{\rm T}}{2\text{π}}\text{d}\alpha ({\rm T}$为常量24 h),则上式变为:

${{\rm H}}^{\prime }{}_{\text{Η},\text{b}}=\frac{{\rm T}}{2\text{π}}{\displaystyle {\int }_0^{\alpha }\left({\rm I}{}_0+\frac{{\rm T}}{2\text{π}}k\alpha \right)}\cos \alpha \text{d}\alpha (4)$

经运算可得:

${\rm H}{}_{\text{Η},\text{b}}=\frac{{\rm T}}{2\text{π}}[{\rm I}{}_0\sin \alpha +k(\alpha \sin \alpha +\cos \alpha -1)](5)$

假设在α角度内实行实时跟踪,则太阳辐射通量为:

${{\rm H}}^{\prime }{}_{\text{Η},\text{b}}={\displaystyle {\int }_0^t(}{\rm I}{}_0+kt)\text{d}t(6)$

经运算并换算为α关系可得:

${{\rm H}}^{\prime }{}_{\text{Η},\text{b}}=\frac{{\rm T}}{2\text{π}}\left({\rm I}{}_0\alpha +\frac{{\rm T}}{4\pi }k\alpha {}^2\right)(7)$

在转动α角度后的相对太阳辐射通量变化率为:

$\begin{array}{l}\sigma =1-\frac{{\rm H}{}_{\text{Η},\text{b}}}{{{\rm H}}^{\prime }{}_{\text{Η},\text{b}}}\\ =\left[1-\frac{{\rm I}{}_0\sin \alpha +k(\alpha \sin \alpha +\cos \alpha -1)}{{\rm I}{}_0\alpha +\frac{{\rm T}}{4\text{π}}k\alpha {}^2}\right]\times 100％(8)\end{array}$

3 数据处理和仿真

表1的直观性不强,不易看出数据间的联系。为分析方便,笔者从表1中截取15～90°的数据作图,建立了太阳能电池板的自动跟踪几何模型,如图2所示。

将高度角15～90°间太阳辐射强度线性化处理,即I=I0+kt。根据式(5)可知,只要能确定I0和k的值,就可以得到太阳光线的相对辐射通量变化率σ随太阳高度角的函数关系。

表2中最后一组的大气透明度值M是假设某天在高度角为15°时大气透明度很低,然后一直平滑过渡到大气透明度最好的情形(如某天上午由大雾到完全晴朗等)。k的意义是每分钟太阳辐射强度的变化率。这样可以作出7条曲线如图3所示。

4 仿真结果分析

图3中的上面一个图是最小跟踪角α从0°增大到50°(弧度值:0.872 7)时的7种天气透明条件下的太阳光线的相对辐射通量变化率,下面一个图是最小跟踪角α从0°增大到10°(对应弧度值:0.174 5)时的7种天气透明条件下的太阳相对辐射通量变化率。M曲线是大气透明度值为M时的情形,其它曲线是大气透明度依次增大。可以看出,大气透明度变化剧烈时,曲线变化最大;大气透明度越高,曲线越平缓,说明在相同的最小跟踪角度α条件下对太阳相对辐射通量变化率影响越小。最小跟踪角度α的值为10°时(对应时间40 min),大气透明度变化剧烈时太阳相对辐射通量变化率为1.2%,大气透明度越高,太阳相对辐射通量变化率越小,最高透明度情况下仅为0.6%,一般透明度情况下在0.8%左右。也就是说对于太阳能光伏发电自动跟踪系统而言,跟踪精度是10°(40 min跟踪一次),太阳能电池板的接收面的太阳相对辐射通量仅变化0.8%。

结论表明:对于非聚焦的太阳能光伏自动跟踪应用方面,高精度方向跟踪对光伏效率提高不显著。适当降低跟踪精度可以减少太阳能电池板的跟踪摆动,提高其运行稳定性,降低功耗和成本,提高可靠性。

该结论对于设计人员有指导意义。我们不必一味追求高跟踪精度,而应该根据实际需要,选择合适的跟踪精度。高性能低成本是设计制造跟踪系统应该追求的目标。

摘要：考虑大气透明度的影响,根据太阳直接辐射强度公式,建立太阳能光伏电池板的高度角自动跟踪模型。数据处理结果表明一天中太阳直接辐射强度与时间成线性关系,从而得到太阳相对辐射通量变化率跟跟踪精度的关系。仿真结果表明:在75°高度角的跟踪范围内,即使角度差为10,°太阳相对辐射通量变化率也仅为0.8%。对于非聚焦的太阳光伏发电系统的方向跟踪而言,精度无需太高,高性能低成本是设计制造跟踪系统应该追求的目标。

关键词：太阳能,自动跟踪,精度,高度角

参考文献

[1]伍春生,刘四洋,彭燕昌,等.光伏发电自动跟踪系统的研制[C].中国太阳能光伏进展,2006:536-540.

[2]任家东,刘永山,何海涛,等.全自动跟踪太阳能发电设备的计算机测控系统[J].计算机工程与科学,1999,21(3):75-76.

[3]饶鹏,孙胜利,叶虎勇.两维程控太阳跟踪器控制系统的研制[J].控制工程,2004,11(6):543-545.

[4]Evans D L.Simplified method for predicting photovoltaicarray[J].Solar Energy,1981,27(6):555-560.

[5]Ineichen P,Zelenka A,Guisan O,et al.Solar radiationtransposition models applied to a plane tracking the sun[J].Solar Energy,1988,41(4):371-377.

[6]Ai Bin,Shen Hui,Ban Qun,et al.Calculation of the hour lyand daily radiation incident on three step tracking planes[J].Energy Conversion and Management,2003,44:1 999-2 011.

[7]Helwa N H,Bangat A B G,ELShenawy E T.Computation ofthe solar energy captured by different solart racking systems[J].Energy Source,2000,22:35-44.

[8]郭延玮,刘鉴民.太阳能的利用[M].北京:科学技术文献出版社,1987:34-56