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太陽影子范文1
【關鍵詞】地理定位；影子軌跡；空間四面體；高度角；方位角；赤緯角；時角
0 前言
利用太陽影子定位技術分析物體太陽影子變化情況，確定視頻拍攝的地點和日期。日照與影子的動態關系及數學模型的研究，參考文獻[1]給出了具體的介紹及闡述，但該模型建立在多變量已知的前提下，并未對變量深入研究。本文基于現有模型改進，在直桿高度及日期未知的條件下對直桿定位，完善太陽影子長度與經緯度、日期、時間、桿高之間的數學模型。
1 模型假設
1）假設觀測地區大氣均勻，不考慮空氣中粉塵、顆粒物等對光線傳播路徑的影響。
2）假設太陽對地球的相對運動為勻速圓周運動。
3）考慮到日心到地心的距離遠遠大于地球半徑，假設一段時間內太陽繞地心轉過的角度與太陽繞地球表面某點轉過的角度相同。
2 日照與影長數學模型
物體影子軌跡主要受地球自轉和繞太陽的公轉的影響，通過分析影響影子變化的參數，本文主要研究以下問題：
1）分析現有研究，建立日照與影長數學模型，確定影子長度隨各參數的變化規律；
2）桿高、日期未知，根據水平地面上影子頂點坐標，確定直桿所處地點及日期；
2.1 “立竿見影”的數學分析
現有對影子軌跡的研究主要是針對 “立竿見影”現象[1]的數學分析。
一天內主要考慮地球自轉，可獲得不同時刻桿頂落影點P′的位置，構成桿影跡線。太陽的運行軌跡映射為桿頂落影點的運動軌跡。
以地球為參考系，將地球自轉簡化為地球靜止，太陽繞地球轉動，如圖2所示。高度圈、方位圈、赤道圈、地平圈及時圈的定義見參考文獻[1]。將太陽系假設為一個近似球體，地球與近似球體同一球心，太陽繞地球在近圓形軌道上運行。
太陽位置點L在天體中相對地球位置O上某一點的位置，由該點的經緯度、日期（月、日）和時間3個因素決定。通常以太陽高度角h、方位角A、赤緯角δ、時角Ω表示太陽的位置[1]。
2.2 影長與各個參數間數學關系
桿影軌跡點的坐標可利用太陽位置參數和式（1）求得。
一天內影子長度主要由時間、經度、緯度、直桿長度決定，利用一天內影子的軌跡圖及太陽位置參數的相關公式，通過坐標系確定影子軌跡運動規律。
太陽高度角h隨著地方時和太陽的赤緯的變化而變化。太陽赤緯角（等于太陽直射點緯度）以δ表示，觀測地緯度用Φ表示（設太陽赤緯與地理緯度北緯為正，南緯為負），時角（地方時）以Ω表示。在地球上某一點太陽高度角即為太陽光的入射方向與地平面的夾角。
2.3 影子頂點坐標確定地理位置
假設某地的直桿高度、日期未知，由影子頂點坐標數據可以求得影長，若能夠確定直桿的高度，根據太陽高度角、方位角、赤緯角、時角的關系可求得當地經緯度。經度由當地時間與北京時間之差確定、緯度由日期求得的太陽高度確定。
2.3.1 直桿高度的確定
2.3.2 視頻拍攝日期的確定
根據太陽一年中不同日期（季節）在不同緯度光照角度的變化，得出影子的變化規律。
已知直桿高度H、某時刻t影子的位置坐標（x0，y0）即可求得影長L， β等于太陽高度h。綜合上述分析，聯立公式（1）-（5）及（7），可化簡為2個獨立的方程組，但具有3個變量即一年中的第n天、太陽赤緯角δ、地理緯度Φ。從數學角度分析，該方程有無數個解，但是考慮生活實際，一年365天，即n∈[1，365]。日期可確定同時可確定δ， Φ可由δ進一步求得，根據Φ可確定與某月某日相對應的可能位置點的地理緯度。
2.3.3 直桿所處地點位置的確定
已知直桿高度、影長，通過太陽高度角、方位角、赤緯角、時角的關系求當地的地理緯度；通過影子頂點坐標數據、日期、時間，求該地的地方時間，由當地時間與北京時間之差計算當地經度。
3 模型優化與推廣應用
3.1 模型的優化
由于不同地區的空氣成分不同，其折射率存在一定誤差，考慮大氣對光線的折射影響。大氣層中存在水蒸氣、二氧化碳和塵埃等雜質，其密度大于大氣層外的真空環境，因此太陽光射入大氣層內時會產生折射。太陽高度角和方位角存在誤差，對計算分析影子變化與經緯度之間的關系產生影響。對精度要求高時，應考慮空氣折射率對光線傳播的影響。
可通過埃德林的空氣折射率公式[3]對太陽高度角進行修正。
3.2 模型的推廣應用
在當今視頻拍攝技術高速發展的時代，對視頻數據的分析處理成為一項重要的研究課題。本文模型可用于通過提取視頻物體及影子運動軌跡信息，確定視頻的拍攝地點和拍攝日期。
雖然全球衛星定位系統日益完善，但仍存在太陽黑子、耀斑、磁暴等太陽活動或其他極端天氣對衛星定位準確性與穩定性的威脅。本文利用太陽影子定位的方法不受上述因素制約，可在艱苦環境中利用簡單的道具與方法對位置進行估算，它是衛星定位的一種良好補充，尤其適合于沒有通訊設備的野外。太陽影子定位是獨立于衛星通信的一種科學定位法。
根據影子軌跡可反求建筑物高度、合理間距、采光效果等；建筑設計舊址改造等問題也可參考本文研究的模型，使設計建筑采光更加簡便。
【參考文獻】
[1]鄭鵬飛，林大均，劉小羊，等.基于影子軌跡線反求采光效果的技術研究[J].華東理工大學學報（自然科學版），36卷第3期，458-463頁，2010.
太陽影子范文2
仰望湛藍的天空，傾聽著太陽在這世界上為絢爛的明天大聲哭泣。
盼望著夏天終于過去，記憶被風吹散，而看似永遠不變的倒影。
或許是命運太過無情，或許是太陽太過單調，不小心觸到了微微柔波，關于塵封在冰冷回憶中的倒影悄然釋放。
淺笑，唇角尚未翹起，眼中已有淡影。
絲絲縷縷的情愫和秋風也吹不落的憂愁。將如歲月般慢慢風蝕著太陽的容顏，時光也漸漸把窗欞打開。
往事閃爍在流動的記憶中，記憶凝固在晶瑩的淚花中，曾經走過的道路煙雨迷蒙。淚水滴在了柔波中，微微一顫，清晰地看見—幽幽的倒影，好美！也許這一次邂逅不是永恒，但美好的太陽的倒影會像琉檐下的風鈴，時刻伴在我的身邊。
欣賞這樣的景致，需要逆光，在太陽的背面，才能欣賞出更加美妙的神韻：碧葉映出晶瑩的綠光，綠透惹人。在倒影的四圍，包裹著一圈金絲，微波，晃人的眼。
紛繁的思緒在無邊的天空中疾馳，猶如暗灰色的云團滾滾而去。在灰色的記憶里，偶爾浮現出太陽的倒影，像那些日漸淡遠的少年時光，隨之飄然離散……
太陽的倒影里，只有秋天留下的些許痕跡。倒影在不斷的照射下化成淡影，憧憬在不斷的失去中泯滅。不過我相信，只要握緊令人歆羨的韶華與純真，倒影一定會再現。
是??！未來是純真的，不愛也是純真的，失去純真，換取一襲輕柔的淡影，倒影也會變得忽隱忽現。
多想種幾株銀蓮啊，就像書里寫的一樣，讓它們散發著淡淡的清香。我很期待銀蓮能飄到太陽的倒影上去，可我怕等不到那一天，我就如同書中的銀蓮，慢慢枯萎，不再萌芽。
暖暖的云張著透明的翅膀在純凈的柔波寂寞地飛過。模糊地看見——什么？
昨夜又做夢了，不愉快的夢。像一粒微塵，飄落在無邊的陌生里。濃稠的黑夜漫過一切，是夢把整個夜晚連接了起來。夢揮舞著臂膀，擦過人的靈魂。我聽見水滴嗒的聲音，側身進入暗夜的聲息。我無聲地走進，模糊地看見——再次看見，倒影？那一瞬間，周圍的空氣凝固了，好美！好想用手去觸碰。不，不可以！因為我怕它會再次消失。片刻，一朵凋零的銀蓮落在了倒影上，剎那間，倒影不見了。是嗎？歲月盡可以像銀蓮一樣飄逝。
那么悲傷而又無奈的結局，可是我相信這不是屬于我的。因為消失的是倒影，遺忘的卻不會是太陽，而是那些蜷縮在心里的憂傷，總會在某個瞬間重來的。
心，冷了；夢，碎了。倒影，也許不會出現在我的視野里；太陽，也許再也不會閃耀在美好的世界中。
流逝的歲月就像瞬間的倒影，遲早會消失。不過，我喜歡這種等待的心境，心靈深處，也許能捕捉到太陽的倒影。
太陽影子范文3
第一,巴甫洛夫條件反射式學習。就是說,―個孩子如果在人多的場合因某種原因(如口吃)被取笑、奚落,那么人多的場合就會成為他被取笑、受奚落的信號,以后他一到人多的場合就覺得難受,并且長大后會形成孤僻和內向的性格。如果一個孩子在人多的場合因某種原因,例如長得可愛令人喜歡受到歡迎或贊揚,那么人多的場合就會成為他受歡迎、被贊揚的信號,使他樂于到人群中去,并且長大以后會形成開朗、熱情的外向型性格。為什么會這樣呢?這是因為,一個場合如果與使人愉快的刺激聯系在一起,那么它就成了讓人愉快的信號;如果與使人不愉快的刺激聯系在一起,那么它就成了讓人不愉快的信號。人的有些性格就是這樣形成的。
第二,操作性條件作用學習。這是指人在什么場合下曾通過什么活動取得了成功,受到了鼓勵,那么他在那種場合下就愿意去那樣活動;如果在什么場合下曾因什么活動受到了批評或懲罰,那么他再到那種場合就不愿那樣活動,以避免受到批評或懲罰。例如,一個孩子平時在公共場合下唱歌受人歡迎,長大后他就愿意到大庭廣眾之下去活動,唱歌、講話都不發憷,這樣就容易形成他的外向型性格;另一個孩子因唱歌不好被人哄笑,那他長大后就害怕到人多的場合去唱歌或講話,這樣就容易形成他的內向型性格。性格的學習,比知識、技能的學習要容易,因為它不像讀書、寫字那樣有一個會與不會的問題,而是在不知不覺中逐漸形成的。
第三,觀察性學習。這是指由看到別人的行為而學會別人的性格。比如,孩子們模仿影視里的一些行為,學英雄人物的行為,會形成良好的性格;學反面人物的行為就形成不良的性格。
一個人的性格形成正是通過以上3種方式,特別是第三種方式――觀察性學習得來的。
生長在某一特定家庭環境的孩子,最初他們的性格如同白紙一張,在長期與父母和家庭其他成員的接觸中,受到父母及其他家庭成員性格的潛移默化的影響,父母及其他家庭成員的性格特點會遷移到他們身上,在性格這張白紙上烙下種種不同的印記。比如,做父母的待人熱情、寬容,其子女往往也會以同樣的態度待人。
父母對子女的養育態度,即父母對子女的不同教育方式,會使子女形成不同的性格。比如,父母教育子女時采用民主和平等的方式,那么子女較容易形成和發展愛好交際、與人合作又能獨立自主的性格特征;如果父母教育子女采用專制的方式,那么子女較容易形成和發展情緒不穩定、依賴性強、膽怯和懦弱的性格特征;如果父母教育子女的方式是嬌寵、放縱,那么子女容易形成任性、幼稚和缺乏獨立性的性格特征。
如果父母的態度是支配型的,那么兒童容易形成消極、順從、依賴、缺乏獨立性的性格特征;如果父母的態度是溺愛的,那么兒童容易形成任性、驕傲、利己主義、缺乏獨立精神、情緒不穩定的性格特征;如果父母的態度是過于嚴厲的,那么兒童容易形成頑固、冷酷、殘忍、獨立的性格特征,或者形成怯懦、盲從不誠實、缺乏自信心和自尊心的性格特征;如果父母的態度是忽視的,那么兒童容易形成妒忌、情緒不安、創造力差,甚至有厭世輕生情緒的性格特征。
由此可見,父母只有以民主平等的態度和教育方式來對待子女,才會使子女具有相當多的良好的性格特征。
太陽影子范文4
關鍵詞：太陽能；建筑；能源；
太陽能是指太陽光輻射的能量。每年到達地球表面的上的太陽能約相當于130萬億噸標煤。太陽能資源總量相當于人類現在所利用的能源的一萬多倍。據統計我國2/3以上地區年日照時數大于2000h，日照在5×106 kJ/ （M2·a）以上。屬于太陽能豐富的國家之一。利用太陽能減少建筑能耗和改善建筑物理環境是建筑技術發展的一個重要方向。太陽能在建筑中低溫熱應用在我國已非常廣泛，主要涉及到太陽供暖、太陽能熱水器、太陽能空調、太陽能發電等方面。下面對這些應用作具體的介紹。
1.太陽能供暖：在建筑中設計太陽能供暖系統，主要有兩種方式，一種是主動式太陽能采暖系統，一種是被動式采暖系統。主動式采暖系統是通過利用外部常規能源，采取風機、水泵等動力設施，將熱空氣或者熱水從太陽能集熱器向采暖房或者儲熱器輸送。被動式太陽能采暖系統是太陽能供暖應用中最為簡單的最為便宜的一種應用形式，它是依據當地的氣象條件，按照建筑物的構造和建筑位置的布置，通過向陽面的墻面或者窗戶等，盡可能地使房屋更多的儲存和吸收熱量，以實現采暖的目的。
在我國許多城市的小區太陽能熱水器遭遇“禁裝令”！一些小區的物業公司以安裝太陽能可能會破壞屋頂防水層和影響用戶的排氣通風為由禁止戶主安裝太陽能熱水器。。太陽能利用企業可以在樓頂規?；惭b太陽能熱水器等設施，做到統一設計、安裝、運行、維護。太陽能利用企業再向住戶出售熱水，實現盈利。通過發揮市場規律的作用，無論物業公司，還是太陽能利用企業都有參與建設的積極性。而且，統一安裝和使用也降低了成本，便于管理。
2.建筑物中配設太陽能熱水設備：近年來，新研制推出了一款新式的太陽能、建筑一體化熱水器。
2.1 新元熱板太陽能熱水器
新式太陽能熱水器應用的比較廣泛的是新元熱板太陽能熱水器。新元熱太陽能熱水器是通過將集熱板安裝在墻面、坡屋面上進行集熱，其實現了建筑跟集熱器的和諧統一。
2.2太陽能熱泵熱水器
新式太陽能熱水器應用的比較便利的是太陽能熱泵熱水器，太陽能熱泵熱水器是一種跟建筑物有機結合并能全天候運行的太陽能熱水器。其主要是考慮到那些高層建筑物中非頂層用戶集熱器安裝的問題，從而將熱泵熱水器設計成一種分體式結構。
3.建筑物中安置太陽能空調：太陽能空調往往采取兩種方式進行的，一方面盡可能使建筑物中夏季冷負荷減少，主要通過建筑物的設計或者建筑材料熱性能的選用等來實現；另一方面在建筑物中設計各種降溫措施來實現降溫。主動式降溫系統跟主動式供熱系統相似，其基本上都是通過外部常規動力來帶動制冷的，這主要是由于太陽能制冷屬于低溫利用，其跟吸收式制冷設備很容易進行結合。但是，在吸收劑中含有氨元素，而氨是具有劇毒的，從而影響了其在建筑中的推廣，因此主動式太陽能降溫系統中經常使用溴化鋰做吸收劑。溴化鋰吸收式致冷器有生產冷空氣和冷凍水兩種基本類型，二者都是用低壓水做致冷劑，溴化鋰做吸收劑。被動式降溫就是指對太陽輻射進行有選擇的合理利用，已實現建筑物自身降溫和冷負荷減少的目的。當夏天溫度高時，玻璃變暗，太陽輻射透過率低；而當冬天氣溫低時，玻璃變得透明，可透過更多的太陽輻射.對建筑物外墻進行覆蓋，資料顯示有一種反射熱輻射流的硅酮基油漆，噴涂到屋頂和外墻上，可使室內溫度降低5.5℃～14.8℃。另外，建筑物外表面還可以直接利用太陽能使表層水分蒸發而獲得冷卻，在需要進行空調的單層廠房或商場一類低層大屋面建筑物，使用灑水蒸發冷卻被動降溫，能使空調負荷下降25%。
4.太陽能光伏發電和太陽能通風。太陽能光伏發電主要是依據光生伏打效應原理，通過太陽電池將太陽的光能直接轉化為電能。而在建筑物中的應用主要表現在無電場地區進行發電，設計建筑物發電系統。其次，對于太陽能通風功能。在太陽能建筑中，春秋季為了平衡太陽能的利用，采用太陽能煙囪拔風，加強室內通風。太陽能煙囪即利用太陽能產品提供的熱量加熱安裝在煙囪內盤管中的水，通過熱傳遞，使煙囪內溫度升高。利用熱空氣上升的原理，使煙囪內空氣向上流動，達到室內強制通風，來調節室內氣候。
在進行太陽能住宅建筑設計時，首先應從總體出發做好總平面的布局設計，因地制宜確定朝向及合理的日照間距；保證太陽能建筑集熱面具有良好的冬季日照和減少夏季太陽對室內過熱的影響，做好環境自然通風降溫和遮陽；在單體設計時，應選擇有利于太陽能利用的平面、剖面形狀，根據建筑功能及溫度分區進行合理的空間和平面布局，并做好圍護結構的“截流”設計，如保溫、隔熱、遮陽等；根據建筑的不同類型及地區氣候特點，選擇和設計合理的太陽能收集、儲存、使用系統；選擇適當的材料和構造措施對建筑進行綜合、深入的太陽能一體化設計。在進行具體設計時，還要注意系統及建筑的各使用構配件在今后的使用。維護方便，以保證太陽能建筑有一個正常、良好的使用效果。
參考文獻： [1]江億.中國建筑能耗現狀及節能途徑兮折[j].新建筑，2008，
太陽影子范文5
關鍵詞：英語網絡自主學習；動機；學習策略
20世紀80年代，語言學習自主性這一概念逐漸成為語言教學領域的“熱門話題”。Holec（1981）將自主學習定義為“一種擔負起自己學習責任的能力，主要體現在確立學習目標、定義學習內容、運用適當的學習方法和學習策略、監控學習的過程、評估學習效果等五個方面”。隨著語言教學越來越趨向于交際化，自主學習能力的培養也被看做是語言學習過程中的先決條件和大學英語課程改革及大學英語教學目標之一。2007年7月頒發的《大學英語課程教學要求》（2007）指出：“大學英語的教學目標是培養學生的綜合應用能力……同時增強其自主學習能力，提高綜合文化素質，以適應我國社會發展和國際交流的需要。應大量使用先進的信息技術，開發和建設各種基于計算機和網絡的課程，為學生提供良好的語言學習環境與條件?！睖刂葆t科大學自2008年實施大學英語教學改革以來，基于多媒體網絡平臺的自主學習已成為課程設置中的一大重要模塊。然而，在實際教學中，我們發現經過短暫的一段時間后，學生對網絡自主學習模式存在興趣不高、態度不積極、學習方法欠佳、學習效率低下等問題。因此，通過分析多媒體網絡環境下影響英語自主學習的主觀因素――學習者個人因素，從而構建科學可行的自主學習能力培養模式，使教師能更加有效地幫助學生優化學習策略，培養積極的情感因素，提高其網絡自主學習能力和效果有著極為重要的意義。
一、學習者網絡自主學習能力調查及分析
本文研究對象為溫州醫科大學英語教學改革實驗班（簡稱教改班）的學生。教改班采用以大學英語網絡教學平臺作為支撐，課堂教學、面授輔導和網絡自主學習相結合的教學模式。問卷調查隨機抽取2011級（大一）和2010級（大二）各110名學生，兩個年級研究對象均按相同比例選自臨床、麻醉、藥學和護理四個專業，并均有半年以上網絡自主學習經驗。
筆者基于Pintrich、龐維國、劉潤清及高一紅等人的相關問卷及量表，并結合我校英語網絡自主學習的現狀設計了一份調查問卷，內容涵蓋學生網絡自主學習能力以及影響因素兩大部分，前者包括對自主學習的認識、學習頻率、學習求助、學習內容管理、自我評估五個方面，后者涉及學習動機、目標設置、認知策略及元認知策略幾大重要個體因素。在問卷調查的基礎上，筆者進行了隨機訪談和課堂觀察，旨在進一步了解學生的自主學習行為，獲得學生網絡自主學習中情感狀態、學習策略運用等方面的原始資料，為提出更切實有效的建議方法建立事實依據。
根據自主學習能力五大方面的調查結果發現，學生的英語網絡自主學習能力總體不高。如，絕大多數學生能夠意識到英語學習的重要性，但未能落實到實際行動上；網絡自主學習態度不積極，自我效能感較低；普遍缺乏具體的學習目標，或即使設置了學習目標，也未能很好地付諸實踐；學習過程中策略意識薄弱，不能有效地利用網絡資源進行學習；元認知能力欠缺，不能對自己的學習過程進行監控，也很少對學習結果進行總結、反思和評價。
此外，對各因素和網絡自主學習能力的Pearson相關系數分析表明：動機、目標設置、認知策略及元認知策略均與自主學習能力呈明顯的正相關。對兩種動機類型――融入型動機和工具型動機的深入研究顯示，大一與大二學習者中，工具型動機均占主導地位，兩個年級的融入型動機均與自主學習能力有顯著的相關性，而工具型動機與其相關性不大。
二、教學啟示
根據以上調查結果，結合訪談和課堂觀察所得，筆者試探性地得出以下幾點教學建議，即網絡自主學習能力培養策略：
1.課堂上，利用多媒體和網絡生動、形象的語言環境創設問題情境，激發學生學習英語的興趣，提高學生的自我效能感。網絡自主學習中，利用豐富的學習資源和學習手段積極培養學生的融入型動機，并合理利用學生的工具型動機。
2.引導學生設置或倡導學生自我設置具體、可見的近期目標和有一定挑戰性而切合個人實際的遠期目標，并鼓勵學生為實現目標而努力。
3.加強英語認知策略培訓。在日常教學中，要讓學生系統地了解認知策略，并學會選擇適合自己的一套學習方法，包括聽、說、讀、寫、譯及應試技巧的使用；利用網絡平臺上論壇、公告欄等實時和非實時交流的手段，經常開展課堂討論和小組合作學習活動，削弱教師的主導地位、實現學生相互交流，自主答疑。認知策略的培訓可通過策略意識培訓，與學生簽訂英語學習計劃合同以及具體英語認知策略培訓循序漸進地進行。
4.加強元認知策略訓練，引導學生制訂合理的學習計劃，對每一階段的學習結果進行評價和自我總結，不斷調整學習計劃，監控學習過程，改進學習方法。評估反思活動可以采取自評，小組成員互評和教師評相結合的方式。學生的自評和他評過程也將納入平時成績的評估中，以提高學生進行及時反思調整的積極性。
該網絡自主學習能力培養模式將學生的自主學習能力培養納入日常的教學實踐中，以教師引導，學生自主配合，知識學習與能力培養雙管齊下為宗旨，使學生在課堂上系統地學習提高自主學習能力的方法，在課后有針對性地操練實踐，逐漸提高網絡自主學習效率和效果。
參考文獻：
[1]Holec H. Autonomy and foreign language learning. Oxford： Pergamon Press，1981.
[2]教育部高教司.大學英語課程教學要求.外語教學與研究出版社，2007.
作者簡介：
太陽影子范文6
關鍵詞： 飛輪； 太陽帆； 魯棒極點配置； 自適應控制
中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0021?05
太陽帆是裝載在航天器上、利用太陽光壓驅動航天器飛行的裝置。其原理是利用太陽在大面積薄膜上的反射光壓提供航天器飛行的動力。雖然這種推力很小，但在沒有空氣阻力存在的太空，仍然可以為帆面面積足夠的太陽帆提供持續的加速度，很容易達到和超過宇宙速度，實現星際航行[1]。這種驅動方式的優點是綠色環保而且只要在有陽光存在的地方，它就會始終推動飛船前進乃至完成深空探測。
2005年6月21日，俄羅斯發射了Cosmos?1太陽帆航天器；2008年8月3日，美國用獵鷹火箭發射了納帆D1太陽帆；日本宇宙航空研究開發機構于2010年5月21日發射了質量為315 kg的行星太陽帆——“伊卡洛斯”。隨著多個太陽帆航天器的發射以及成功部署，太陽帆技術進入了一個快速發展時期。由于在太空中運行的太陽帆航天器自身的特點使得其姿態控制方法有別于傳統空間飛行器，太陽帆航天器特點主要有： 尺寸巨大，干擾力矩大，相應的轉動慣量也特別大。 基于以上特點，利用傳統的姿態控制方法，如噴氣控制，其需要消耗大量燃料和能量， 從而將導致航天器結構重量劇增，會大大降低太陽帆的飛行性能，已不適用于太陽帆的姿態控制。國內外學者提出了多種針對太陽帆的新型姿態控制技術。德國宇航局DLR給出了裝有控制桿的太陽帆航天器概念[2?3]，通過萬向節接頭，控制桿與太陽帆連接。Bong Wie對帶有控制桿太陽帆航天器結合噴氣控制進行了研究。本文針對這種模型結合偏置動量反作用飛輪的方式，采用多變量魯棒自適應極點配置方法，實現對太陽帆航天器的姿態控制。
1 太陽帆力學模型
帶有控制桿和偏置動量反作用飛輪的太陽帆航天器如圖1所示。這種模型，通過改變末端質量塊的質心相對于太陽帆壓力中心的位置，從而產生姿態調整力矩。在本模型中，沒有選用零動量飛輪，是因為偏置動量反作用飛輪僅需在太陽帆航天器安裝一個就可以實現三軸姿態控制，可以減輕飛行器的重量和復雜程度。而控制桿又可以實現飛輪的飽和卸載，不用為噴嘴配備大量的燃料，這樣太陽帆航天器的質量不會隨時間不斷變化，降低了控制系統的控制難度。
如圖1所示，采用控制桿和偏置動量反作用飛輪，實現對太陽帆的推力矢量控制，其俯仰軸動力學方程如下所述：
這里首先假設姿態角[α]和萬向節偏轉角[δ]均很小， 并采用完全小角度線性化方法：
[α=A2A6+A7A10δ+A2A5-A3A4A10α- A2+A4A10Tg+A4-A2A10Hm] （1）
[δ=-A1+A2A6+A7A10δ+A1+A2A3A4+A2A5A10A2-A3A2α+ TA1+A2A2+A4A10A2-1A2Tg+A4-A1A10Hm] （2）
式中：[α]是太陽帆俯仰角；[δ]是萬向節與滾動軸的角度；[Tg]是萬向節控制力矩；[Hm]是飛輪動量矩；A1～A10如下所示：
[A1=Js+msmpb2ms+mp， A2=Js+msmpblms+mp，]
[A3=bmpms+mpPA（1-rs），A4=Jp+msmpl2ms+mp] [A5=mplms+mpPA1-rs，A6=mplms+mpPA1-rs，] [A7=msmpl2ms+mpPABfr1-s+efBf-ebBbef+eb1-r，] [A8=bmsms+mp， A9=mslms+mp， A10=A1A4-A22]
式中：[ms]和[mp]分別是太陽帆系統和負載系統的質量；[Js]和[Jp]分別是太陽帆系統負載系統的俯仰慣量和負載系統慣量；[l]是控制桿的長度；[b]是萬向節鉸接處到太陽帆的質心的距離；[Bf]，[Bb]分別為太陽帆前表面和后表面的非瑯伯系數；[ef]，[eb]分別為太陽帆表面和后表面的發散系數；[r]為前表面的反射率；[s]為鏡面反射系數 。
2 控制系統描述
本文采用的自適應魯棒極點配置控制系統的原理結構圖如圖2所示。
從圖中可以看出，該系統主要由飛行器模型、魯棒極點配置以及控制器三部分組成。根據線性模型，利用魯棒極點配置方法設計PIF控制器，從而實現對參考指令的跟蹤控制。
下面將對各個部分進行分析設計。
3 控制器設計
在對太陽帆航天器進行控制器設計時，定義狀態變量[x=α δ α δT]，于是由[α]和[δ]表達式可知，線性模型的狀態方程為：
[x=Agx+Bguy=Cgx] （3）
式中：u為控制向量，[u=HmTgT]；[Hm]為偏置動量反作用飛輪動量矩；[Tg]為萬向節力矩；[Bg=BHmBTg]；這里[Cg=I4×4]為單位矩陣，故可通過系統輸出來量測系統的狀態值。
控制器設計的目的是實現對太陽帆航天器姿態控制，即控制器設計目標滿足：設計控制率，使上述誤差向量在有限時間內收斂到零。為了實現零穩態姿態誤差，有必要在控制回路內加入積分器，定義積分誤差向量為：
[eI（t）=t0t1e（τ）dτ=t0t1Hx（τ）dτ] （5）
為了抑制飛行過程中的擾動，必須對控制器的帶寬進行限制[4]。為此，可通過在控制器中引入低通濾波器來實現對高頻彈性擾動的抑制，即以進入飛行器的控制信號[u]的微分作為新的控制量[v=u]，通過調整濾波回路的增益大小，即可改變控制器的帶寬。
綜合上述分析，可得到增廣系統如下所示：
[xeIu=A0BH00000xeIu+00Iv] （6）
定義誤差向量[e=xeIuT]，則式（6）可表示為：
[e=Aee+Bev] （7）
式中：[Ae=A0BH00000]，[Be=00I]。
假設線性系統完全可控，則可通過狀態反饋極點配置方法使系統鎮定[5]。設狀態反饋控制率為：[v=-Ke]，代入式（7）有：
[e=Ae-BeKe] （8）
通過適當地選取閉環系統的極點，即可實現誤差向量[e]以指數速度收斂到零。
由狀態反饋控制率[v=-Ke]可得：
[v=-K1K2K3xeIu =K1G12+K3G22z*-K1x-K2eI-K3u =Kffz*-Kfbx-KIeI-Kcu] （9）
根據式（9）可得到太陽帆航天器的控制系統結構如圖3所示，此控制器也被稱為比例?積分?濾波控制器[6]。
4 魯棒極點配置
在上一節太陽帆控制器設計中，利用狀態反饋極點配置方法來設計控制器增益，使系統鎮定。但是傳統的極點配置方法要求被控系統是完全可控的，這在實際應用中可能無法滿足。為此，J. Kautsky等人提出了線性狀態反饋的魯棒極點配置方法[7]，該方法不要求系統完全可控，且能夠最小化所配置的極點對系統擾動的靈敏度，使系統具備良好的魯棒性?？紤]如下多輸入多輸出線性定常系統狀態空間描述：[x=Ax+Bu]其中，矩陣[B]為列滿秩矩陣。設期望的閉環系統極點為[λi，i=1，2，…，n]，魯棒極點配置就是求取實矩陣[K]以及非奇異矩陣[X]使下面的等式成立：
[A-BKX=XL] （10）
式中，對角矩陣[Λ=diag（λ1，λ2，…，λn）]；非奇異矩陣[X=x1，x2，...，xn]，[xi]為特征值[λi]所對應的特征向量。
存在解[K]的充分必要條件為[8]：
[UT1AX-XL=0] （11）
解為：
[K=Z-1UT0A-XLX-1] （12）
其中，因為矩陣[B]為列滿秩矩陣，故可進行分解：
[B=U0U1Z0] （13）
式中：[U=U0U1]為正交矩陣；[Z]為非奇異矩陣。
設狀態反饋增益矩陣[K]將閉環系統的極點配置到穩定的極點[λi，i=1，2，…，n]，則受擾動閉環系統矩陣[A-BK+Δ]對滿足以下條件的所有擾動[Δ]保持穩定。對于連續時間系統，有：
[Δ2
式中[δ（K）]的下界由式（15）確定：
[δ（K）≥minj Re（-λj）κ2（X）] （15）
式中：[κ2（X）]為特征向量矩陣[X]的條件數。
對于離散時間系統，有：
[Δ2
式中：
[δ（K）≥minj（1-λj）κ2（X）] （17）
由上述式（15）～（17）可以看出，在滿足方程（11）的條件下，選擇狀態向量矩陣[X]使其條件數[κ2（X）]盡可能地小，則可提高系統不確定性的上界，并保持閉環系統穩定，即使系統具備更好的魯棒性。
5 仿真分析
太陽帆航天器與太陽光方向正交的光壓分量能夠提供太陽帆航天器機動的動力，這里取最優目標姿態角為0.62 rad。采用JPL提出的ST7中的太陽帆模型的基本參數，如表1，表2所示。
系統的極點分布如下所示：
[λ1=0.060 3iλ2=-0.060 3iλ3=0.002 3λ4=-0.002 3] （18）
由上式可以看出，系統存在不穩定的極點，根據前面的分析，可利用狀態反饋極點配置方法使系統鎮定。
閉環系統的理想極點選為：[λm=-0.02+0.01i，-0.02-0.01i，-0.005，-0.1] （19）
仿真結果如圖4～圖9所示。
由以上仿真結果可知，使用自適應極點配置控制太陽帆姿態角經過約1 200 s跟蹤上目標姿態角，系統具有良好的魯棒性和快速性?？刂屏枯敵龇蠈嶋H需求。從圖4可知，太陽帆姿態角以平緩的過程逐步跟蹤上目標姿態角，系統超調小于5%。由圖5～圖8可知，太陽帆姿態角和萬向節的變化均很小，在0～700 s范圍內相對明顯，其中，0～150 s范圍內變化相對較大，這主要是由于偏執動量飛輪對于輸入的相應較為靈敏，就有良好的快速性所致；700 s之后逐步減小并保持穩定，這一過程，就是太陽帆從最大超調量回調至目標姿態角的階段，其控制力矩較小，變化較為平穩。
由圖9可知，偏置動量飛輪動量矩的輸出范圍為-1.5～1.5[N?m]。
6 結 語
本文針對基于控制桿和偏執動量飛輪的太陽帆姿態控制，提出了一種自適應極點配置控制方法。仿真表明，采用魯棒極點配置方法設計的自適應控制律能夠很好地實現太陽帆姿態指令跟蹤控制，所設計的控制器具有良好的魯棒性和快速性，適合太陽帆飛行器的姿態控制。
參考文獻
[1] MCLNNES C.Solar sailing：technology， dynamics and mission applications [M]. Berlin： Springer?Praxis， 1999.
[2] LEIPOLD M， EIDEN M. Solar sail technology development and demonstrat ion [J]. Acta Astronautica， 2003， 52（2/6）： 317?326.
[3] LEIPOLD M AND GARNER C E. ODISSEE： a proposal for demonstrate ion of a solar sail in earth orbit [J]. Acta Ast ronautica， 1999， 45（4/9）： 557?566.
[4] MATTHEW Kuipers， MAJDEDIN Mirmirani， PETROS Ioannou， et al. Adaptive control of an aeroelastic airbreathing hypersonic cruise vehicle [C]// AIAA Guidance， Navigation and Control Conference and Exhibit. [S.l.]： AIAA， 2007： 20?23.
[5] 鄭大鐘.線性系統理論[M].2版.北京：清華大學出版社，2002.
[6] STENGEL R F. Flight dynamics [M]. Princeton， NJ： Princeton University Press， 2004： 428?438.
[7] KAUTSKY J， NICHOLS N K， VAN DOOREN P. Robust pole assignment in linear state feedback [J]. International Journal of Control， 1985， 41： 1129?1155.
