地平坐標

地平坐標系是一種最直觀的天球坐標系，和我們日常的天文觀測關係最為密切。例如，在晴朗的傍晚，觀測者經常可以看到人造衛星在群星間的運行，和大量的流星現象，它們的運行速度都很快，用什麼方法能夠快速、簡便地記錄下衛星或流星的位置呢？最簡便的方法就是記下某瞬間該衛星或流星的地平方位角和地平高度角，這就是地平坐標系。地平坐標系能把天體在當時當地的天空位置直觀生動的表示出來。一般用於天文測量、航海和航空的定位觀測等方面。

地平坐標是以地平經度和地平緯度兩個坐標表示天球上任一天體位置的坐標。地軸的無限延長即為天軸，天軸與天球交於與地球北極相對應的天北極和與地球南極相對應的天南極。通過天頂和天北極的地平經圈（當然也通過天底和天南極），與地平圈有兩個交點；靠近天北極的那個點為北點，靠近天南極的那個點為南點。北點和南點分別把地平圈和地平經圈等分。根據面北背南、左西右東的原則，可以確定當地的東點和西點，即面向北點左90°為西點，右90°為東點。這樣，就確定了地平圈上的東、西、南、北四方點。南點是它的起點，午圈所在的平面是它的起始面。地平經度為方位，地平緯度為高度。地表各點位置不同，地平坐標系的基本圈（地平圈）和基本點（天頂和天底），也隨之不同。地平坐標值因地因時而不同，隨時間和地點的變化而變化是該坐標的顯著特徵。

天球儀是學習天文知識最常用的教具和學具，是天文愛好者觀測星空最得力的幫手之一。一般的天球儀上，子午圈、地平圈、天赤道、黃道等大圈上都有刻度，比如：天赤道上每隔15°做一個標記，黃道上每隔15°有個節氣標記，地平圈、子午圈上都有精確到1°的刻度。藉助於這些刻度，我們可以很容易地讀出天體的赤經、赤緯以及它在某一確定時刻的時角坐標。但是，由於天球儀上大多都沒有畫出地平經圈和黃道經圈，所以，藉助於天球儀，除了天體上中天時的高度、方位可以很容易讀出外，其它時刻天體的地平坐標和黃道坐標都無法直接讀出。雖然可以藉助於球面三角公式進行球面坐標的換算，而且換算結果比較準確，但對於一個初學者來說，很顯然這是不現實的。為此，這裡介紹一種用自製軟尺在天球儀上確定天體的地平坐標和黃道坐標的簡易方法。

所謂自製軟尺，實際上是一種自製的帶有刻度的紙片或膠片。軟尺的寬度取2厘米即可，長度則應當根據天球儀的大小而定，一般取1/4個子午圈的長度即可。軟尺的刻度可以比照天球儀上赤經圈、天赤道或者黃道上的刻度來刻畫，由於天赤道或者黃道上的刻度大多為15°一格，而赤經圈上則是每隔10°一格，所以，建議大家用赤經圈上的刻度來刻畫軟尺上的刻度，並用內插法將每一格進行分割，每隔1°刻畫一條短線，每隔5°刻畫一條長線標記。刻畫自製軟尺的刻度時應當注意：軟尺的短邊一定要與天赤道中心線重合，長邊與赤經圈中的一條重合，紙片或膠片一定要緊貼天球儀錶面，這樣做出的尺子才准。

自製軟尺做好后，就可以用來確定天體的地平坐標了，方法如下：

用自製軟尺確定任意時刻某一天體的地平坐標。將軟尺始端與地平圈中心線重合，長邊過該天體中心，另一端對準天頂。此時，就可以根據軟尺上的刻度讀出該天體的地平高度，保持軟尺不動，就可以在地平圈上根據軟尺的位置讀出該天體的方位。例如，用天球儀確定北緯30°地方6月22日21點時“心宿二”的地平坐標。首先將天球儀仰極的地平高度調整為30°（根據子午圈上的刻度完成），然後找到6月22日太陽的位置（夏至點），再將太陽從上中天向西轉動9個小時即135°。此時，心宿二位於南偏東半天空中。用自製軟尺測量此時心宿二的地平坐標，結果：高度約+31°，方位約-22°(南偏東22°)。當然，如果將天球儀換成《活動星圖》就更方便了。

為了提高光伏發電系統的發電量，減少系統的運行成本，通常在實際應用中採用為光伏陣列安裝自動跟蹤系統的方式。

自動跟蹤系統根據光伏陣列採光面角度變化的軸向選擇不同，分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤。單軸跟蹤又分為東西水平軸跟蹤、南北水平軸跟蹤和極軸跟蹤3種；雙軸跟蹤分為地平坐標跟蹤和赤道坐標跟蹤。文獻表明，對光伏跟蹤系統的運行性能長期測量，實驗數據記錄顯示雙軸跟蹤方式提高發電量30%~40%。

地平坐標雙軸跟蹤系統分為高度角跟蹤和方位角跟蹤。地平坐標雙軸跟蹤系統的機械結構一般採用齒輪傳 動機構帶動光伏陣列轉動實現方位角跟蹤，同時通過推桿推動光伏陣列翻轉實現高度角跟蹤，如圖所示。由於方位角的控制，只需根據齒輪傳動機構的設計參數，就能容易地得到帶動光伏陣列轉過每個角度所對應的齒輪傳動機構驅動電機所需的脈衝數。因此，以下著重介紹高度角的控制與檢測原理。

首先，根據太陽一地球的運行原理，計算出某地某時刻的太陽高度角，再根據選用的推桿的設計參數建立高度角的控制與檢測模型。高度角的檢測模型是先將太陽高度角轉化為推桿電機所對應的脈衝數，然後向推桿電機發出動作指令，推桿將光伏陣列翻轉至指定高度角。並通過推桿電機自帶的編碼盤進行實時檢測反饋，從而達到高度角的精確定位。同時，採用高解析度的光電感測器，在有成束光的條件下，捕捉成束光，對太陽的高度角方向進行實際跟蹤。並對高度角的理論計算結果進行修正，以使在無成束光時亦能對太陽高度角方向進行精確跟蹤。