بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بکارگیری پنل های خورشیدی بعنوان سنسور خورشید در زیر سیستم تعیین وضعیت ماهواره با در نظر گرفتن خطای ناشی از بازتابش زمین و تصحیح آن
یکی از زیر سیستم های مهم ماهواره، سیستم تعیین و کنترل وضعیت است که وظیفه آن جهتدهی و هدایت ماهواره در وضعیت و موقعیت مطلوب می باشد. در راستای تعیین وضعیت بیکارگیری چند نوع سنسور و آلگوریتمهای مختلف پردازش داده های سنسورها و روشهای تعیین وضعیت اموی اجتناب ناپذیر است. سنسورهای موجود در تعیین وضعیت یه پنج دسته کلی تقسیم می شوند که در بین آنها سنسور خورشید دارای بیشترین کاریرد بوده و تقرییا در همه ماهواره های LBO استفاده می شود. از انجا که جهت تامین انرژی مورد نیاز ماهواره تقریبا در سایر ماهواره ها پنلهای خورشیدی بکار می روند، زمانی که دقت تعیین وضعیت بالایی مورد نظر نباشد و در شرائط خاص می توان از دیتای خروجی پنلهای خورشیدی بعنوان دیتای جایگزین سنسور خورشید استفاده کرد، در راستای عملکرد سنسور خورشید، بازتابش از سطح زمین بعنوان عامل اصلی ایجاد خطا در خروجی سنسور خواهد بود. بازتابشی از زمین بر اثر نور خورشید برخورد کننده به سطح زمین و انعکاسی آن به فضا ایجاد می شود. نور برگشت داده شده تابعی از موقعیت ماهواره، موقعیت خورشید و میزان بازتاب پذیری زمین می باشد. در این مقاله با مدل کردن بردار ماهواره- خورشید، در ابتدا مدل خورشید را شبیه سازی می کنیم، سپس با مدل کردن موقعیت پنلهای خورشیدی در یک ماهواره نمونه از دیتا پنلهای خورشیدی بجای دیتا سنسور خورشید استفاده شده و نهایتا تاثیر اثر بازتابش زمین روی خروجی پنلهای
خورشیدی مدل شده و تحلیل می شود.
واژه های کلیدی: تعییز وضعیت - پلهای خورشیدی - سنسور خورشید- اثر بازتابش زمینی- مدال بردار ماهواره - خورشید.
مقدمه یکی از زیر سیستم های مهم ماهواره، سیستم تعیین و کنترل وضعیت ماهواره است که وظیفه آن جهتدهی و هدایت ماهواره در وضعیت و موقعیت مطلوب می باشد. کنترل وضعیت به مفهوم جهت دهی ماهواره به یک جهت مشخص و از پیش تعیین شده، شامل دو موضوع پایدار سازی وضعیت (فرآیند نگهداری وضعیت موجود) و کنترل مانور وضعیت (کنترل تغییر جهت ماهواره از یک وضعیت به وضعیت دیگر) است، وضعیت یک ماهواره نیز به معنای جهت گیری فضایی آن است. تعیین وضعیت عبارت است از تعیین جهت ماهواره نسبت به یک مرجع خاصی مانند خورشید و یا ستاره ای در آسمان، بدون توجه به بعد مسافت، که در این روند بکارگیری چند نوع سنسور نصب شده بر روی ماهواره و استفاده از روشهای مختلف پردازش و ترکیب دادههای سنسوری امری اجتناب ناپذیر است. در بسیاری از مأموریتها، خورشید میتواند بصورت یک نقطه مرجع درنظر گرفته شود و از آنجا که خورشید بسیار نورانی است لذا یک سنسور ساده خورشید میتواند جهت آشکار کردن مرجع خورشید مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر اینکه سنسورهای خورشیدی بیشترین کاربرد از انواع سنسورهای ماهواره را دارا میباشند، بسیاری از ماهواره ها نیز از خورشید برای کسب انرژی الکتریکی لازمه استفاده میکنند. با قرار دادن پنلهای خورشیدی در وجوه مختلف ماهواره و با زاویه خاص نسبت به خورشید می توان انرژی الکتریکی مورد نیاز یک ماهواره در طول ماموریتش را تامین کرد. می توان از پنلهای خورشیدی برای اندازه گیری زاویه خورشید نسبت به ماهواره نیز استفاده کرد، بگفته دیگر پنلهای خورشیدی می توانند نقش سنسور خورشید غیردقیق را داشته باشند. در این حالت از اطلاعات شدت جریان خروجی از پنلها و اطلاعات هندسه پنل برای ایجاد یک سنسور خورشید مجازی استفاده می شود که این ساختار تقریبا می تواند زاویه خورشید نسبت به ماهواره را تعیین کند. بمنظور کاهش هزینه، جرم و توان مصرفی از این ساختار در بسیاری از ماهواره استفاده شده است. در حالتی که که یکی از سنسورهای ماهواره خراب شود و یا سنسورهای موجود نتوانند اطلاعات تعیین وضعیت کافی را ایجاد کنند، پنلهای خورشیدی می توانند بعنوان یک منبع تعیین وضعیت اضافی استفاده شوند. برای تعیین وضعیت یا استفاده از پنلهای خورشیدی سه جزء لازم است: تخمین پارامترهای مداری، بردار صحیح خورشید در فریم بدنه و بردار خورشید در فریم بدنه بدست آمده از جریانهای آرایه خورشیدی.
از آنجا که در واقع پنلهای خورشیدی بمنظور کاربرد بعنوان سنسور خورشید ساخته نشده اند، بنابراین دیتا بدست آمده از آن نیز دارای خطای زیادی بوده که در ادامه به این منابع خطا اشاره خواهد شد. از جمله عواملی که سهم زیادی در ایجاد این خطا دارد، اثر بازتابش از سطح زمین (earth albedo) است. بازتابش زمین بر اثر نور خورشید برخورد کننده به سطح زمین و انعکاسی آن به فضا ایجاد می شود. نور برگشت داده شده تابعی از موقعیت ماهواره، موقعیت خورشید و میزان بازتاب پذیری زمین می باشد. علاوه بر این تشعشعات مادون قرمز نیز اتفاق می افتد زیرا زمین در مقایسه با متوسط دمای فضا که ۳ درجه کلوین است، گرمتر می باشد. بنابراین لازم است که این منبع خطا مدل شده، میزان خطای ناشی از ان تخمین زده شده و در صورت امکان تصحیح گردد. مطالب موجود در این مقاله بدین شرح دنبال می شود. در ابتدا به بررسی بکارگیری پنلهای خورشیدی بعنوان سنسور خورشید می پردازیم، پس از بیان مباحث تئوری لازم، پنلها را مدل کرده و بردار خورشید مربوطه را با استفاده از دیتای پنلها بدست می آوریم. در بخش بعدی اثر بازتابش از سطح زمین بیان شده و در راستای مدل کردن آن به روشهای مختلفی اشاره خواهد شد. در بخش شبیه سازی نیز در ابتدا بردار ماهواره- خورشید بعنوان مرجع مدل شده، مدل مربوط به پنلها و اثر بازتابش زمین را شبیه سازی کرده و نهایتا نتایج حاصل از شبیه سازی بیان شده و تحلیل می شود.
پنلهای خورشیدی بعنوان سنسور خورشید
چنانچه در مقدمه نیز اشاره شد، پنلهای خورشیدی می توانند نقش سنسور خورشید غیردقیق را داشته باشند. در این راستا لازم است که یک سری فرض اولیه در نظر گرفته شود۱l]
- ولتاژ ثابت: ولتاژ موجود روی همه پنلهای خورشیدی باید مقدار ثابتی باشد، بنابراین تنها اندازه گیری جریان و نمونه برداری از آن مورد نیاز است. در حالت استفاده از پنلهای خورشیدی بعنوان سنسور خورشید، فرض می کنیم که پنل در ناحیه خطی کار می کند. -
بازدهی ثابت: بازدهی پنل در تمام مدت طول عمر آن باید مقدار ثایتی باشد. - وابستگی درجه حرارت کم: تاثیر درجه حرارت روی مقدار جریان خروجی خواهد بود. تغییرات کم درجه حرارت، منجر به تفییرات کمتری در جریان نیز خواھد شدہ از جمله منابع خطای موثر روی خروجی می توان به خطای بایاس، خطای دریافت، خطای تنظیم و نصب، خطای مقیاس و نویز اشاره کرد که متناسب با نوع پنلها، شرائط ماهواره، مدار عملکردی ماهواره، نوع اغتشاشات و ... متغیر خواهند بود.
مدل ریاضی که برای سلولهای خورشیدی استفاده می شود می تواند از طریق توان موثر تولید شده در سلول با داشتن سطح A بازدهی (که یک مقدار مشخص است) و شار خورشیدی به بدست آیدا ۱، ۲
زاویه پنل با پرتو خورشید برابر است که در حالت پرتو عمود بر سطح پنل برابر ۹۰ درجه می باشد.
بنابراین می توان گفت که جریان تولید شده توسط پنلها متناسب با است که پارامتر i به مکان قرار گیری سلول خورشیدی
متناسب با طرح مکانیکی اشاره می کند. زمانی که فرضهای بیان شده در نظر گرفته شوند، می توان معادله خروجی پنل را تنها برحسب اسکالر ثابت و زاویه برخورد پرتوخورشید به پنل بصورت زیر نوشت
که جریان اندازه گیری شده در حالت یعنی ماگزیمم جریان ایجاد شده در سلول می باشد. از آنجا که جریان ایجاد شده بوسیله یک پنل خورشیدی مستقیما با سینوس زاویه برخورد پرتو خورشید رابطه دارد، با اندازه گیری جریان تولید شده بوسیله سه پنل خورشیدی که در یک راس با هم مشترک هستند. بردار خورشید واحد بصورت زیر بدست می آید:
که تعریف زوایای بیان شده طبق شکل ۱ است. بردار جهت خورشید بر حسب جریان پنلها نیز بصورت زیر بیان می
شوند
که پنلهایی هستند که در معرض نور خورشید قرار دارند. از آنجا که مقدار ثابتی برای همه پنلها است با حذف آن، معادلات نهایی که تنها بیانگر جهت خورشید نسبت به بدنه
ماهواره می باشتد، بصورت زیر بدست می ایند
که حروف بزرگ Y ، X و Z در معادله بالا برابر مقدار ۱ + یا ۱ - هستند که مقدار آن به اینکه پنل قرار گرفته در جهت کدام محور ماهواره است بستگی دارد. یعنی ۱+ برای . مهمترین دلیل عدم دقت در این سنسورها این است که این سنسور بوسیله یک تابع سینوسی مدل می شود. زمانیکه زاویه نزدیک صفر باشد (زمانیکه نور خورشید تقریبا موازی با پنل خورشیدی است )،
این تقریب منجر به خطای محاسباتی خواهد شد. این پدیده اساسا ناشی از قطر ظاهری خورشید می باشد. زمانیکه زاویه نزدیک ۹۰ درجه است، نمی توان گفت که خورشید مانند یک منبع نقطه ای نور و یا یک منبع کروی نور عمل می کند و بنابراین تقریب سینوسی به خوبی عمل می کند. برعکس زمانی که نزدیک صفر درجه است، نیمی از خورشید زیر پنل خورشیدی است و باعث ایجاد جریان الکتریکی نمی شود و نیمه دیگر خورشید که به سطح پتل می تابد، جریان ایجاد می کند. زمانیکه زاویه نزدیک صفر درجه باشد، یک عدم دقت بزرگ در تقریب فسینوسی دیده می شود.
برای تعیین جهت بردار بدست آمده از طریق حل معادله (۲) برای زاویه بر حورد، مخروطی بدست می آید که در شکل ۲ دیده می شود. راس مخروطها به مرکز هندسی ماهواره منتقل می شود و بنابراین سر بردار جایی است که سه مخروط با هم تلاقی دارند و جهت بردار محاسبه شده در بالا بطور مثال مانند شکل ۳ بدست می آید. در حالتی که پرتو خورشید تنها به دو پنل برخورد می کند و یا در ماهواره هایی که تنها در وجوه جانبی پنل خورشیدی وجود دارد، مشکل نامعینی بوجود می آید [۳] از آنجا که تنها دو مخروط وجود دارد، بنابراین دارای دو فصل مشترک بوده و دو بردار خورشید داریم. فرض کنید پنلهای روشن شده در جهت قرار دارند بنابراین تنها می توان اندازه نسبی جزء بردار Z را مشخص کرد. می دانیم که اندازه بردار واحد برابر ۱ است ولی اگر بسمت زنیت یا ندیر باشد باز هم نمی توان بردار رامشخص نمود که این حالت ابهام در شکل ۴ بخوبی مشخص است. برای حل این ایهام دو روش وجود دارد، که هر دو شامل اضافه کردن متغییر سومی به سناریو می باشد. اولین حالت از متغییر زمان استفاده می کند، محاسبه چندین مرحله زمانی گسسته (اندازه گیری ديتا پنل در زمانهای مختلف) که دو پروفايل وضعيت مختلف را نتیجه خواهد داد. با دانستن نرخ چرخش ، می توان از روش استدلالی برای تعیین اینکه کدام پروفایل صحیح است استفاده نمود. اگر از این روش استفاده شود، فرایند بلادرنگ نبوده و بنابراین برای کاربرد بعنوان یک ورودی برای بخش کنترل مشکلتر می شود. روش دوم استفاده از داده های دیگر موجود در تله متری است. برای مثال، اگر نسنسورهای دما روی محور وجود دارد، زمانیکه آن وجه در مقابل نور خورشید قرار بگیرد، دمای بیشتری را نشان می دهد، با این حال ملاحظات خاص برای سایر فاکتورهای تغییر دهنده دما نیز باید در نظر گرفته شود مانند بازتابش از سطح زمین و یا موقعیتهای سایر اجسام جانبی. مطلب دیگری که در ارتباط با پنلها مطرح است مربوط به زمانی است که ماهواره خورشید را نمی بیند. از آنجا که سنسورهای خورشید در معرض نور خورشید عمل می کنند، باید در نظر بگیریم که اگر نور خورشید مسدود شده و به سنسور برخورد نکند چه اتفاقی می افتد و چگونه می توان نبود آن را جیران کرد. در کل می توان موانعی که سبب ایجاد سایه می شود را به سه دسته مهم تقسیم کرد:
۱- زمین: اگر ماهواره در ناحیه سایه زمین قرار گیرد
۲- ماهواره های بزرگ: زمانی که ماهواره های بزرگ به ماهواره های کوچکتر نزدیک می شوند، ممکن است سبب ایجاد سایه روی پنلهای خورشیدی گردد.
۳- خود ماهواره: از آنجا که تنها سه وجه ماهواره توسط خورشید دیده می شود و در بعضی ماهواره ها وجه بالایی و پایینی فاقد پنل می باشد، واضح است که اگر نور خورشید به این وجه بدون پنل برخورد کند، تعدادی از دیتاهای مشخص کننده وضعیت از بین خواهند رفت. مشکل ایجاد سایه توسط زمین و ماهواره های بزرگ در صورتی حل می شود که فرض کنیم سرعت زاویه ای در زمان شب مداری تغییرات زیادی ندارد. در این حالت، استفاده از یک سنسور تعیین وضعیت دیگر نیز می تواند مشکل را حل کند. در حالت ایجاد سایه توسط خود ماهواره که اندازه گیری ناشی از یکی از پنلها از بین می رود، الگوریتم کاریردی نمی تواند محاسباتش را تنظیم کرده و ماهواره دچار یک افت موقت در دفت وضعیت می شود،
اثر بازتابش زمین اثر بازتابش
زمین بمعنای انعکاس نور خورشید از سطح زمین و اتمسفر می باشد. مقدار میانگین بازتابش از سطح زمین از فلو خورشیدی می باشد. از آنجا که این سطح بوسیله نور بازتابش پوشانده می شود، سنسورهای خورشید از چندین زاویه مختلف نور بازتابش شده از سطح زمین را بعنوان ورودی می گیرند، در حالیکه می توان فرض کرد که نور خورشید تنها از یک جهت می آید. یک مدل ساده از چگونگی اثر بازتابش زمین برای استفاده در شبیه سازیها موجود می باشد. سنسور خورشیدی که بسمت افق زمین نشانه رفته است، تقریبا ۵۰٪ میدان دید آن بوسیله نور بازتاب شده از سطح زمین پوشانده می شود. ناشی از این اثر، ورودی روی سنسور تقریبا ۵۰٪ نور بازتابش شده خواهد بود که تقریبا ۱۵٪ نور خورشید دریافت شده می باشد. بگفته دیگر سنسور خورشیدی که بسمت ندیر نشانه رفته است ۱۰۰/ اثر بازتابش زمین را دریافت می کند که
معادل ۳۰٪ نور رسیده از خورشید است.
مدل بازتابش زمین
فرضهای زیر برای مدل کردن اثر بازتابش زمین روی یک سنسور خورشید در نظر گرفته می شوندا ۴]: ۱- اثر بازتابش زمین تقریبا ۳۵٪ شدت نور خورشید است. ۲- سنسورهای خورشید دارای میدان دید ۱۸۰ درجه می باشند. ۳- زمانی که زاویه بین سنسورهای خورشید نشانه روی شده و بردار ندیر کمتر از ۲۵ درجه است، کل سطح زمین و ٪۱۰۰ اثر بازتابش زمین توسط سنسور اندازه گیری می شود. ۴- زمانیکه سنسور خورشید مماس بر افق است (زاویه بین بردار ندیر و بردار سنسور خورشید برابر ۶۵ درجه است)،
