近年来,多结太阳电池技术不断提高,并广泛应用于航空航天等领域。在地面通过太阳模拟器对太阳电池标定,不能够真实地反映电池性能,所以需要在空间AMO(空气质量为0)标准下标定电池性能。本课题总结分析了国内外高空太阳电池标定及太阳跟踪技术,综合考虑高空复杂环境及气球运动,深入研究了搭载高空气球的高精度太阳跟踪控制系统。首先,对高空太阳电池标定系统研究意义及现状进行介绍,对太阳跟踪控制系统研究现状、太阳跟踪机构及其控制方式进行综述,并给出高空气球太阳电池标定系统总体方案,提出太阳跟踪控制系统设计要求,研制了双轴式太阳跟踪控制机构。其次,对太阳跟踪系统进行机构建模、控制算法研究以及仿真验证实验。分别建立了两相混合步进电机、数字步进电机驱动器、减速机构及跟踪控制平台的数学模型。结合高空气球运动特点,提出太阳跟踪系统控制算法,设计了抗扰性强的PD滑膜跟踪控制器(PD Sliding mode control,PD-SMC),并使用Simulink对跟踪平台模型和控制算法进行了仿真验证。再次,针对高空气球运行环境特点,设计太阳跟踪控制器。控制器硬件部分包括太阳光传感器的选型设计、控制器硬件电路设计、硬件可靠性设计和控制器接口及连线;软件部分包括软件功能要求、控制器搜寻跟踪策略和软件可靠性设计。设计的太阳跟踪控制器,能根据太阳敏感器数据控制双轴太阳跟踪机构,实现宽范围搜寻、快速跟踪以及跟踪丢失后快速找回等功能。最后,由于太阳电池标定试验需要在高空气球平台上进行,需要对太阳跟踪控制系统进行地面测试,主要包括太阳敏感器的跟踪调试、地面固定位置跟踪试验、模拟气球运动下跟踪试验以及环境模拟试验。由各项试验现象及数据分析可知,设计的高空太阳跟踪控制系统满足实际要求,进一步确保了系统的可靠性,对地面移动式太阳跟踪和高空对日姿态调整均有着重要的现实意义。