太阳辐射计全自动跟踪转台的设计

　　0　引言

　　太阳辐照变化规律的研究对地域气候变化和持续干旱等异常气候观测具有重要意义。多地区的长期太阳辐射观测结合日照、温度等气象因子，可以对我国地面总辐照的时空分布特征和变化趋势进行分析，为地域气候变化提供科学数据。目前，我国日射站点稀少，辐照度测量仪器多采用瑞士、美国和荷兰的仪器，价格昂贵，不利于辐照度测量推广。

　　长春光机所研制主要用作航天卫星载荷和地面气象站辐照度监测的太阳辐射计SIARs，从2002年9月开始在世界辐射中心同世界标准组 (WSG)辐射计一起安装在瑞士PMOD的太阳跟踪架上，进行了长期的太阳辐照度例行观测试验，并同世界辐射基准的辐照度标度进行比对，试验表明仪器性能完全达到了WSG的水平，可作为辐射基准仪器[1　2]。

　　SIARs地面监测太阳辐照度时，除SIARs本身性能外，配套太阳跟踪转台的精度是制约SIARs观测精度的主要因素。传统的基于光电池的SIARs跟踪转台只能在天气晴朗时使用，天空突然出现的云团会影响转台跟踪，出现跟偏甚至不跟现象[3]。为了推广我国区域太阳辐照度的测量，实现太阳辐照度的全自动控制，本文结合光电池跟踪和视日运行轨迹跟踪，设计了全天候，高精度，全自动控制的太阳跟踪转台。实验表明，该转台满足太阳辐照度高精度测量的要求，系统误差小，运行稳定。

　　1　传统光电池跟踪

　　光电池跟踪系统由太阳辐射计、跟踪器、步进电机、微处理器系统以及机械部分组成，结构如图1所示。跟踪器由呈十字分布代表4个方位的4块硅光电池A、B、C、D组成，每块光电池两端接导线 (绝缘铜丝)，负电极共地。

       当有太阳光进入跟踪器，微处理系统采集跟踪器的4块光电池的值，如果跟踪器已经对准太阳，则光电池A和C正极之间的电压差VAC=0，光电池B和D正极之间的压差VBD=0，电机不动。当跟踪器跟踪偏离时，VAC或VBD有压差，压差被AD采样，经过DSP的控制算法决定电机A(控制水平旋转)或电机B(控制俯仰方向)的旋转方向和步数，电机动作后再次进行采样和控制，如此反复直到VAC和VBD的压差均接近于零，此时光电传感器的定位光孔所形成光斑与参考光孔重合，由于设计中A轴、B轴和C轴相互平行，此时太阳辐射计对准太阳，转台实现了对太阳的跟踪[4]。

　　光电池跟踪精度高，能满足SIARs太阳辐照度的要求，但受天气限制，当天空突然出现云团时会使跟踪偏离的现象，如果云团出现的时间长，甚至会出现不跟的情况。在云团离开后，需要人工调整转台的位置才能再次跟踪测量。这大大限制了SIARs在日射站观测的效率和推广。