ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СПОСОБЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ 6
1.1. Горизонтальные координаты 6
1.2. Экваториальные координаты и часовой угол 7
1.3. Геоцентрические координаты и угловой размер Солнца 9
1.4. Поправка по уравнению времени 10
1.5. Истинный северный полюс 11
1.6. Альмукантарат Солнца 12
1.7. Постановка задачи 13
ГЛАВА 2. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНОГО ФОТОМЕТРА 14
2.1. Системы наведения телескопа 14
2.1.1. Ручной телескоп 14
2.1.2. Телескоп с автонаведением 16
2.2. Целостат 16
2.3. Солнечный трекер 17
2.4. Солнечные фотометры типа SP 18
2.4.1. Солнечный фотометр SPM 18
2.4.2. Солнечный фотометр SP-9 19
2.5. Sun Sky радиометр CIMEL CE-318 23
2.6. Разработка технического задания для устройства позиционирования
солнечного фотометра на основе GPS 26
2.7. Разработка функциональной схемы для системы позиционирования
солнечного фотометра 27
ГЛАВА 3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ, РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ
СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНОГО ФОТОМЕТРА НА ОСНОВЕ GPS 29
3.1. Выбор элементной базы для системы позиционирования солнечного
фотометра на основе GPS 29
3.1.1. Контроллер 29
3.1.2. Драйвер управления двигателями 30
3.1.3. Двигатель наведения 32
3.1.4. GPS модуль 34
3.1.5. Блок питания 35
3.2. Электрическая принципиальная схема устройства позиционирования
солнечного фотометра 37
3.2.1. Подключение драйвера управления двигателями 37
3.3. Алгоритм позиционирования солнечного фотометра на основе GPS 39
3.3.2. Наведение солнечного фотометра на Солнце 40
3.3.1. Распределения измерений в альмукантарате и вертикальной плоскости . 42
3.3.3. Основной алгоритм системы позиционирования солнечного фотометра на основе GPS 43
3.3.4. Программа управления системы позиционирования солнечного
фотометра на основе GPS 44
3.4. Прототип 46
Заключение 48
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 49
Приложение 1 51
Приложение 2 52
Еще до начала нашей эры человечество уделяло особое внимание яркому диску на небе, который согревал и освещал день за днем. Многие древние исторические культуры одушевляли Солнце и считали божеством. К таким культурам относились цивилизаций Египта, инков, ацтеков. Одним из доказательств особого интереса к Солнцу являются древние памятники: например, пирамиды в Чичен-Ице (Мексика) построены таким образом, чтобы тень от земли скользила по пирамиде в дни весеннего и осеннего равноденствий, мегалиты, точно отмечают положение летнего солнечного солнцестояния (одни из крупнейших мегалитов такого рода находятся в Набта-Плайя (Египет) и в Стоунхендже (Англия)), и т. д. Древнегреческие астрономы, наблюдая видимое годовое движение Солнца вдоль эклиптики, считали его одной из семи планет [1].
В настоящее время люди уделяют не меньшее внимание Солнцу. Способы слежением за ним и атмосферой далеко превосходят прошлые изобретения наших предков. Начиная от телескопа и заканчивая фотометром можно измерить многие характеристики нашего небесного светила, а также получить данные об атмосфере. Этот процесс занимает в разы меньшее времени, за счет микроконтроллеров и другой вычислительной техники. Так же присутствие человека далеко не обязательно, многие процессы автоматизированы и остается только получить результат [1].
Солнечный фотометр позволяет измерять яркость неба, а также проводить спектральный анализ прозрачности атмосферы [11]. Для получения большего объема данных и увеличения точности наведения, используются автоматизированные системы наведения. На текущий момент, существует большое количество систем позиционирования солнечного фотометра. И чаще всего они имеют большой функционал, что приводит к большой стоимости устройства. Однако встречаются системы и с узко направленной задачей, но зачастую они не подходят по техническим требованиям поставленные пользователем. Еще одной проблемой является сложная доступность таких устройств, так как в основном они изготавливаются для специальных лабораторий и научных комплексов.
Исходя из этого, появляется необходимость в разработки системы позиционирования солнечного фотометра. Которая способна наводить солнечный фотометр на Солнце, а также производить измерения по заданным углам возвышения, производить измерения в альмукантарате и вертикали Солнца. Так же актуальность подкреплена тем, что разработка данного устройства необходима для сотрудников института водно-экологических проблем СО РАН и преподавателям кафедры ВТиЭ АГУ.
В ходе выпускного квалификационного проекта были произведены работы по проектированию, изготовлению и тестированию устройства позиционировании солнечного фотометра.
Изначально была рассмотрена теория аналогичных устройств систем наведения, было разработано техническое задание для устройства позиционирования солнечного фотометра. На основе спроектированной функциональной схемы и технического задания был произведен и представлен выбор конечного списка используемой элементной базы. Следующим этапом проектирования стала разработка схемы электрической принципиальной.
В ходе работы была реализована аппаратная часть системы наведения, состоящая их площадки крепления устройства вертикальных направляющих для фотометра, штифта для шагового двигателя и других соединительных элементов. После чего была написана и отлажена программная часть для платы микроконтроллера, которая позволяет определять местоположения Солнца и производить измерения яркости неба по разработанному алгоритму. Так же учитывает погодные явления и внешние факторы, препятствующие точному позиционированию солнечного фотометра. В завершении всей работы были проведены первичные испытания системы позиционирования солнечного фотометра.
Поставленные задачи выпускной квалификационной работы выполнены
