CN103759727A - 一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法属于一种天文导航定位领域，涉及一种天空偏振光分布模式的导航定位方法。该方法完全利用天空偏振光进行自主导航和定位，通过太阳高度方位信息和测试地点位置信息，计算得到天空偏振光分布模式理论数据信息，然后将实时测试的偏振模式数据信息和理论数据信息进行数据匹配，匹配成功后直接可以根据天空偏振光分布模式的理论数据获得测试地点的准确位置信息。该方法完全利用天空偏振光进行自主导航和定位，无需借助其他辅助信息，实时性好，可操作性好，不受任何外界因素干扰，精度高，能够快速提供准确的航向信息和位置信息。

Description

一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法

技术领域

本发明属于一种天文导航定位方法，尤其涉及一种天空偏振光分布模式的导航定位方法，属于导航定位领域。

背景技术

基于天空偏振光分布模式的天文导航定位方法是以天空偏振光分布模式作为导航信标，通过测试仪器获得天空偏振光分布模式，获取有效的偏振导航信息，是一种完全自主的导航方式，从而具有极强的抗干扰能力。

国内外学者分别提出了天空偏振光偏振分布模式匹配算法（梁华为.基于天空偏振分布模式匹配的导航定位方法:中国,201210504865.2[P].2013-03-13）和利用偏振光传感器感知自身与太阳子午线夹角来确定航向角（Lambrinos D，Kobayashi H，Pfeifer R，et al.An autonomous agent navigating with a polarized light compass[J].Adaptive behavior，1997，6(1)：131-161.）等多种导航定位方法。

梁华为等学者提出的基于天空偏振分布模式匹配的导航定位方法，是通过采用偏振相机获取偏振相机正上方前后两个时刻的天空偏振光局部偏振信息，经过计算合成天空偏振光分布模式伪色彩图，然后提取特征点进行建模，建立前后两个时刻天空偏振光分布模式相应的放射变换关系，实现定位导航。由于天空偏振光分布模式会受到气象因素的干扰，并且该方法要获取前后两个时刻的天空偏振信息，如果某一时刻的偏振信息没有成功获取或无法获取天空偏振光的局部信息，特别是非晴天条件下，无法获取天空偏振光的局部偏振信息时，则无法实现导航定位，并且建立放射关系复杂，定位精度低，有很大的局限性。

Lambrinos D等提出的利用偏振光传感器感知自身与太阳子午线夹角的导航方法，只能获取航向角，无法实现精确定位。需要设计相应的天空偏振光导航传感器，配备陀螺仪和加速计等导航设备才能实现定位，并且导航定位精度受到硬件设备的限制，精度低，成本高，可实用性差。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的天空偏振光偏振模式匹配导航方法易受气象因素干扰和基于传感器的导航方法无法定位的缺陷，发明一种能够利用天空偏振光分布模式针对各种天气情况实现导航和定位的方法，该方法完全利用天空偏振光进行自主导航和定位，无需借助其他辅助信息，实时性好，可操作性好，不受任何外界因素干扰，精度高，能够快速提供准确的航向信息和位置信息。

本发明采用技术方案是一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法，该方法完全利用天空偏振光进行自主导航和定位，通过太阳高度方位信息和测试地点位置信息，计算得到天空偏振光分布模式理论数据信息，然后将实时测试的偏振模式数据信息和理论数据信息进行数据匹配，匹配成功后直接可以根据天空偏振光分布模式的理论数据获得测试地点的准确位置信息，该方法的具体步骤如下：

（1）确立天空偏振光分布模式的理论模型，然后依据不同的测试地点位置信息和当地太阳方位信息建立偏振方位角和偏振度分布模式数据库。

（2）在移动设备行进过程中，利用其上的天空偏振光测试仪器进行全天空偏振光分布模式测试，测试过程中，测试仪器逐次采集全天空有限点的光强数据，测试某一点的光强数据时，偏振片需要转动0゜、60゜和120゜三个偏振方向，采集到的光强数据分别记作I′0°、I′60°和I′120°，根据Stokes矢量：其中I，Q，U是Stokes矢量的前三个分量，第四分量圆偏振分量为零，即V=0：

根据式（1）得到Stokes矢量的三个分量，如式（2）所示：

最后根据Stokes矢量与偏振度和偏振方位角的关系，得到天空中某一点的偏振度P_ij和偏振方位角θ_ij：

$P_{\mathrm{ij}}=\frac{\sqrt{Q^2+U^2}}{I}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}a\tan \frac{U}{Q}---\left(3\right)$

通过调节仪器，逐次测试得到全天空偏振光分布模式的数据信息。

a)如果是晴朗天气，则直接进行步骤（4）；

b)如果是是非晴朗天气，则对天空偏振光分布模式的特征信息进行提取；

（3）利用提取的特征信息和已有的天空偏振光分布模式的理论和规律进行全天空偏振光分布模式的反演和重构；天空偏振光分布模式中存在的最明显的特征信息是中性点，中性点的偏振度为零，且偏振方位角发生了90゜的变化，天空偏振光偏振度关于中性点和太阳呈环状分布，在太阳角距为90゜时偏振度达到最大值，并且整个天空偏振光分布模式关于这条最大偏振线和过太阳和天顶的子午线对称。因此在某一时刻和某一确定的地方，可以根据天空偏振光分布的分布规律和对称特性进行分布模式的反演和重构，得到此时天空偏振光完整的模式分布信息；

（4）利用直接测试的全天空偏振光分布模式或反演和重构的偏振模式与建立的天空偏振光偏振方位角和偏振度分布模式数据库进行数据匹配，如果某两个天空偏振光分布模式的数据匹配误差小于已经设定的误差阈值，则认为数据匹配成功；否则继续匹配直至匹配成功；

具体数据匹配方法是通过理论模型获取的天空偏振光分布模式的数据标记为信息集合∑χ₀，测试的偏振模式数据标记为信息集合∑χ，然后采用匹配算法对信息集合∑χ₀和信息集合∑χ进行匹配，如果二者的匹配误差小于阈值Δ∑χ，则认为数据匹配成功，否则继续匹配，直至匹配成功。

$\mathrm{\Σx}=\left[\begin{array}{c}P\\ \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(6\right)$

$\mathrm{\Σ}{x}_0=\left[\begin{array}{c}{P}_0\\ {\mathrm{\θ}}_0\end{array}\right]---\left(9\right)$

Δ∑χ=∑χ-∑χ₀  （10）

式（4）中P表示测试的天空偏振光偏振度数据信息集合，P_ij（i=1，2，……n；j=1，2，……n）表示天空中某一测试点偏振度信息，式（5）中θ表示测试的天空偏振光偏振方位角数据信息集合，θ_ij（i=1，2，……n；j=1，2，……n）表示天空中某一测试点偏振方位角信息，测试的偏振度数据信息和偏振方位角数据信息经过归一化处理后构成信息集合∑χ，由式（6）表示；式（7）中P₀表示理论模型计算的天空偏振光偏振度数据信息集合，P_0ij（i=1，2，……n；j=1，2，……n）表示天空中某一理论模型计算点偏振度信息，式（8）中θ₀表示理论模型计算的天空偏振光偏振方位角数据信息集合，θ_0ij（i=1，2，……n；j=1，2，……n）表示天空中某一理论模型计算点偏振方位角信息，理论模型计算的偏振度数据信息和偏振方位角数据信息经过归一化处理后构成信息集合∑χ₀，由式（9）表示，匹配误差阈值Δ∑χ，由式（10）表示。

（5）数据匹配成功时，测试数据和数据库内的模型数据完全相同，由于数据库内的天空偏振光分布模式数据和测试地点的方位信息、太阳方位信息有直接的关联性，因此，直接确定此时移动设备的位置信息。

所述的天空偏振光分布模式测试仪器包括偏振旋转系统Ⅰ、光学系统Ⅱ、光谱接收系统Ⅲ、计算机Ⅳ、支撑结构Ⅴ五部分，其中，偏振旋转系统Ⅰ配备了可旋动的线性偏振片，光谱接收系统Ⅲ使用余弦校正器和光纤连接光学系统和光谱仪，光谱仪采集到的数据传送给计算机Ⅳ；所述测试仪器安装在支撑结构Ⅴ上；所述支撑结构Ⅴ包括赤道仪1和支撑平台2，通过调节赤道仪保证仪器实现全天空有限点的测试；天空偏振光光通过偏振片进入光学系统后，通过光谱仪采集光强。

本发明的有益效果是基于天空偏振光分布模式的导航定位方法，通过太阳高度方位信息和测试地点位置信息，计算得到天空偏振光分布模式理论数据信息，然后将实时测试的偏振模式数据信息和理论数据信息进行数据匹配，匹配成功后直接可以根据天空偏振光分布模式的理论数据获得测试地点的位置信息和太阳位置信息，不仅可以获取航向信息，还可以得到准确的位置信息，克服了现有的天空偏振光导航设备只能确定航向信息或者需要借助其他导航设备进行定位的缺点，无需利用卫星、无线电基站等人为电子通讯系统，导航定位过程简单，定位精度高、不受人为因素干扰、可靠性高，具有很高实用性。

附图说明

图1是天空偏振光分布模式数据库

图2是天空偏振光理论分布模式建模流程图

图3是天空偏振光测试仪器示意图

图4是天空偏振光分布模式定位导航方法流程图

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施：

本发明中利用天空偏振光测试仪器进行全天空偏振光分布模式测试，该仪器包括偏振旋转系统Ⅰ、光学系统Ⅱ、光谱接收系统Ⅲ、计算机Ⅳ、支撑结构Ⅴ五部分，见图3。其中偏振旋转系统Ⅰ配备了可旋动的线性偏振片，光谱接收系统Ⅲ使用余弦校正器和光纤连接光学系统和光谱仪，光谱仪采集到的数据传送给计算机Ⅳ；所述测试仪器安装在支撑结构Ⅴ上；所述支撑结构Ⅴ包括赤道仪1和支撑平台2，保证仪器可以实现全天空有限点的测试；天空偏振光通过偏振片进入光学系统后，通过光谱仪采集光强。

实施例，选择晴天条件下测试，对太阳子午线上的偏振模式进行匹配，即测试仪器仅仅测试太阳试子午线上天空偏振光分布模式数据信息与数据库内子午线上的数据信息进行匹配，根据实际定位精度，选择阈值Δ∑χ=0.25。

参照图2、图4：（1）确立天空偏振光分布模式的理论模型，然后依据不同的测试地点位置信息和当地太阳高度角方位信息建立偏振方位角和偏振度分布模式数据库；参照图1，通过输入公元时间2009年4月12日12时12分59秒，地理位置为东经121゜37′12″，北纬38゜55′12″时，天空偏振光分布理论模型数据库输出了相应的天空偏振光的分布模式，如图中左下角的圆状图形所示，其中小短线偏转的方向表示偏振方位角，小短线的粗细表示偏振度的大小。所建立的数据库中测试点位置信息、当地太阳高度方位信息和天空偏振光分布模式具有直接关联性，亦即如果某一时刻测试点位置信息、当地太阳高度方位信息或时间信息是确定的，则有唯一的天空偏振光分布模式与之对应，如果已知某一天空偏振光分布模式，则也有相应的测试点位置信息和当地太阳高度方位信息与之对应。

（2）使用天空偏振光测试仪器进行全天空偏振光分布模式测试，得到全天空偏振分布模式数据信息，使用所述的测试仪器对全天空偏振光分布模式数据信息进行测试，测试过程中，测试仪器逐次采集全天空有限点的光强数据，测试过程中偏振旋转系统分别转动0゜、60゜和120゜三个偏振方向，采集到光强数据后经过计算处理得到全天空偏振光分布模式的数据信息；根据Stokes矢量：其中I，Q，U是Stokes矢量的前三个分量，第四分量圆偏振分量为零，即V=0：

根据式（1）得到Stokes矢量的三个分量，如式（2）所示：

最后根据Stokes矢量与偏振度和偏振方位角的关系，得到天空中某一点的偏振度P_ij和偏振方位角θ_ij：

$P_{\mathrm{ij}}=\frac{\sqrt{Q^2+U^2}}{I}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}a\tan \frac{U}{Q}---\left(3\right)$

通过调节仪器，逐次测试得到全天空偏振光分布模式的数据信息。通过相应的数据处理系统进行处理，得到了相应的天空偏振光的分布模式，由于是晴天条件下，故直接进行分布模式数据匹配；

（3）提取太阳子午线上的偏振分布模式数据，并进行数据匹配；其中，P和θ分别为太阳子午线上测试偏振度和偏振方位角数据矩阵，∑χ为太阳子午线上偏振信息数据集合；P′₀和θ′₀分别为从数据库中抽取的太阳子午线上第一组偏振度和偏振方位角数据矩阵，∑χ′₀为偏振信息数据集合；P₀和θ₀分别为第二组偏振度和偏振方位角数据矩阵，∑χ₀为偏振信息数据集合（为了方便说明，在数据库中选两组数据进行匹配）；

P=[2.221.86 1.82 2.34 2.86 16.81 33.10 70.17 83.8673.59

       49.97 20.72 13.70]

θ=[100.88 69.96 26.94 109.64 105.76 100.68 99.55

 95.65 94.69 98.49 96.54 100.17 98.37]

$\begin{array}{cccccccccc}\mathrm{\Σx}=\left[\begin{array}{c}P\\ \mathrm{\θ}\end{array}\right]& =[2.22& 1.86& 1.82& 2.34& 2.86& 16.81& 33.10& 70.17& \\ 83.8673& 3.59& 49.97& 20.72& 13.70& & & & & \\ 100.88& 69.96& 26.94& 109.64& 105.76& 100.68& 99.55& & & \end{array}$

$\left.\begin{array}{cccccc}95.65& 94.69& 98.49& 96.54& 100.17& 98.37\end{array}\right]$

P′₀=[3.30 3.614.6 33.9 60.7 88 100 86.9 59.3

 32.8 143.3]

θ′₀=[88.37 89.96 89.98 89.99 89.99 90 89.99 89.99 89.99

 89.99 89.98 89.96]

$\begin{array}{cccccccccc}\mathrm{\Σ}{x}_0^{\′=\left[\begin{array}{c}{P}_0^{\′}\\ {\mathrm{\θ}}_0^{\′}\end{array}\right]}& =[3.3& 0& 3.6& 14.6& 33.9& 60.7& 88& 100& 86.9\\ 59.3& 32.8& 14& 3.3& & & & & & \\ 88.37& 89.96& 89.98& 89.99& 89.99& 90& 89.99& 89.99& 89.99& \\ 89.99& 89.98& 89.96]& & & & & & & \end{array}$

$\begin{array}{cccccccc}\mathrm{\Δ\Σx}=\mathrm{\Σx}-\mathrm{\Σ}{x}_0^{\′}=[-0.0108& 0.0186-0.0178& -0.1226& -0.03104& & & & \\ -0.4389& -0.549& -0.2983& -0.0304& 0.1429& 0.1717& 0.0672& \\ 0.104& & & & & & & \\ 0.1092& -0.1841& -0.6302& 0.1966& 0.1577& 0.1069& 0.0955& \\ 0.0566& 0.047& 0.085& 0.0655& 0.1019& 0.0841]& & \end{array}$

首先进行∑χ与∑χ′₀的匹配，得到阈值为Δ∑χ，并进行标准化处理，由于所测数据为太阳子午线上的数据，受太阳影响，偏振方位角会出现比较大的跳变，所以匹配后剔除阈值内的跳变点-0.6302，发现Δ∑χ内有绝对值大于0.25的数值，故匹配不成功，继续匹配。

P₀=[20.4 6.60.5 1.49.325.3 49.4 78 98.1 94.8 70.8

 42.5 20.4]

θ₀=[89.62 89.38 87.74 88.66 89.47 89.65 90 90.23 90.22

     90.22 90.24 90.28 90.38]

$\begin{array}{ccccccccccc}\mathrm{\Σ}{x}_0=\left[\begin{array}{c}{P}_0\\ {\mathrm{\θ}}_0\end{array}\right]& =[20.4& 6.6& 0.5& 1.4& 9.3& 25.3& 49.4& 78& 98.1& 94.8\\ 70.8& 42.5& 20.4& & & & & & & & \\ 89.62& 89.38& 87.74& 88.66& 89.47& 89.65& 90& 90.23& 90.22& & \\ 90.22& 90.24& 90.28& 90.38]& & & & & & & \end{array}$

Δ∑χ=∑χ-∑χ0=[-0.18 -0.050.01 0.01 -0.06 -0.08

    -0.16 -0.08-0.14-0.21-0.21-0.22-0.07

0.1126-0.1942-0.6080.20980.16290.11030.09550.0542

    0.04470.08270.0630.09890.0799]

与∑χ₀匹配，得到阈值为Δ∑χ，并进行标准化处理，由于所测数据为太阳子午线上的数据，受太阳影响，偏振方位角会出现比较大的跳变，所以匹配后剔除阈值内的跳变点-0.608，发现Δ∑χ内数值的绝对值均小于0.25，故匹配成功，通过查询数据库，得知此时的地理位置信息为东经121゜37′12″北纬38゜55′12″，时间为北京时间2007092114时36分，至此定位导航成功，说明本发明可以实施。

Claims (2)

1.一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法，其包括以下技术步骤：

（1）确立天空偏振光分布模式的理论模型，然后依据不同的测试地点的位置信息和当地太阳高度方位信息建立偏振方位角和偏振度分布模式数据库；

（2）在移动设备行进过程中，利用其上的天空偏振光测试仪器进行全天空偏振光分布模式测试，测试过程中，测试仪器逐次采集全天空有限点的光强数据。测试某一点的光强数据时，偏振片需要转动0゜、60゜和120゜三个偏振方向，采集到的光强数据分别记作I′0°、I′60°和I′120°，根据Stokes矢量：其中I，Q，U是Stokes矢量的前三个分量，第四分量圆偏振分量为零，即V=0：

根据式（1）得到Stokes矢量的三个分量，如式（2）所示：

最后根据Stokes矢量与偏振度和偏振方位角的关系，得到天空中某一点的偏振度P_ij和偏振方位角θ_ij：

$P_{\mathrm{ij}}=\frac{\sqrt{Q^2+U^2}}{I}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}a\tan \frac{U}{Q}---\left(3\right)$

通过调节仪器，逐次测试得到全天空偏振光分布模式的数据信息。

a)如果是晴朗天气，则直接进行步骤（4）；

b)如果是是非晴朗天气，则对天空偏振光分布模式的特征信息进行提取；

（3）利用提取的特征信息和已有的天空偏振光分布模式理论和规律进行全天空偏振光分布模式的反演和重构；天空偏振光分布模式中存在的最明显的特征信息是中性点，中性点的偏振度为零，且偏振方位角发生了90゜的变化，中性点的位置在距太阳点(或反太阳点)角距约15°～25°的范围内变化；天空偏振光偏振度关于中性点和太阳呈环状分布，在太阳角距为90゜时偏振度达到最大值，并且整个天空偏振光分布模式关于这条最大偏振线和过太阳和天顶的子午线对称。因此在某一时刻和某一确定的地方，可以根据天空偏振光分布的分布规律和对称特性进行分布模式的反演和重构，得到此时天空偏振光完整的模式分布信息；

（4）利用直接测试的全天空偏振光分布模式或反演和重构的偏振模式与建立的天空偏振光偏振方位角和偏振度分布模式数据库进行数据匹配，如果某两个天空偏振光分布模式的数据匹配误差小于已经设定的误差阈值，则认为数据匹配成功；否则继续匹配直至匹配成功；

具体数据匹配方法：通过理论模型获取的天空偏振光分布模式的数据标记为信息集合∑χ₀，测试的偏振模式数据标记为信息集合∑χ，然后采用匹配算法对信息集合∑χ₀和信息集合∑χ进行匹配，如果二者的匹配误差小于阈值Δ∑χ，则认为数据匹配成功，否则继续匹配，直至匹配成功。

$\mathrm{\Σx}=\left[\begin{array}{c}P\\ \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(6\right)$

$\mathrm{\Σ}{x}_0=\left[\begin{array}{c}{P}_0\\ {\mathrm{\θ}}_0\end{array}\right]---\left(9\right)$

Δ∑χ=∑χ-∑χ₀  （10）

式（4）中P表示测试的天空偏振光偏振度数据信息集合，P_ij（i=1，2，……n；j=1，2，……n）表示天空中某一测试点偏振度信息，式（5）中θ表示测试的天空偏振光偏振方位角数据信息集合，θ_ij（i=1，2，……n；j=1，2，……n）表示天空中某一测试点偏振方位角信息，测试偏振度数据信息和偏振方位角数据信息经过归一化处理后构成信息集合∑χ，由式（6）表示；式（7）中P₀表示理论模型计算的天空偏振光偏振度数据信息集合，P_0ij（i=1，2，……n；j=1，2，……n）表示天空中某一理论模型计算点偏振度信息，式（8）中θ₀表示理论模型计算的天空偏振光偏振方位角数据信息集合，θ_0ij（i=1，2，……n；j=1，2，……n）表示天空中某一理论模型计算点偏振方位角信息，理论模型计算偏振度数据信息和偏振方位角数据信息经过归一化处理后构成信息集合∑χ₀，由式（9）表示，匹配误差阈值Δ∑χ，由式（10）表示；

（5）数据匹配成功时，测试数据和数据库内的模型数据完全相同，由于数据库内的天空偏振光分布模式数据和测试地点的方位信息、太阳方位信息有直接的关联性，因此，可以直接确定此时移动设备的位置信息。

2.根据权利要求1所述的基于天空偏振光分布模式的导航定位方法，其特征在于：该方法所采用的天空偏振光分布模式测试仪器包括偏振旋转系统Ⅰ、光学系统Ⅱ、光谱接收系统Ⅲ、计算机Ⅳ、支撑结构Ⅴ五部分，其中，偏振旋转系统Ⅰ配备了可旋动的线性偏振片，光谱接收系统Ⅲ使用余弦校正器和光纤连接光学系统和光谱仪，光谱仪采集到的数据传送给计算机Ⅳ；所述测试仪器安装在支撑结构Ⅴ上；所述支撑结构Ⅴ包括赤道仪1和支撑平台2，通过调节赤道仪保证仪器实现全天空有限点的测试；天空偏振光通过偏振片进入光学系统后，通过光谱仪采集光强。

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