CN106441372A - 一种基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法，采用设备包括一个三轴加速度计、一个GPS接收器和两个或多个偏振传感器。首先，利用载体所在的地理位置信息以及时间信息计算出地理坐标系下单位太阳矢量；其次，利用加速度计获取重力信息；再次，利用偏振传感器获取载体坐标系下太阳矢量信息；最后，利用上述信息，确定载体姿态转换矩阵。本发明方法具有精度高、计算量小等优点。

Description

一种基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法

技术领域

本发明涉及一种基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法，可用于无人机、地面机器人或车辆等在静基座条件下的初始姿态信息获取，提高初始对准速度及精度。

背景技术

载体在进入导航工作状态之前，必须先确定初始姿态信息。目前的姿态测量方法主要包括惯性测量、地磁测量、差分GPS测量等，各有优缺点。惯性测量可以连续、实时提供载体在各种运动状态下的姿态信息，但航向确定需要较高精度的陀螺仪，成本较高；地磁传感器成本低，体积小，但易受环境中磁性物质的干扰；差分GPS定向精度较高，但所需时间稍长，需要安装多天线，体积较大。

偏振光导航是基于仿生机理发展起来的利用天空偏振光获取导航信息的导航方法，具有误差不随时间积累、在较大范围内不易受人为因素干扰的优点。

现有的利用偏振信息确定姿态的方法，如专利201210005641.7，基于大气偏振模式空间特征的三维姿态获取方法，专利201210489147.2，一种飞行器三维定姿系统及方法，专利201310731899，利用大气偏振光的三维定姿方法，以及专利201410143392.7，利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法等，计算较为复杂，且具有多值性；专利201310069529.4，一种基于偏振信息的组合导航系统递推优化初始对准方法，专利201310069511.4，一种SINS/GPS/偏振光组合导航系统建模及动基座初始对准方法等，涉及较长时间的滤波过程。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法，结合重力信息与天空偏振信息，确定载体姿态转换矩阵，提高了载体初始对准的精度与速度。

本发明的坐标系选择为：地理坐标系(n系)采用东北天坐标系，即以载体的质心O为原点，地理东向为X轴，地理北向为Y轴，天向为Z轴，构成右手坐标系O-XYZ；载体坐标系(b系)是固连在载体上的坐标系，其原点为载体的质心B，载体的横轴向右为X轴，纵轴向前为Y轴，竖轴向上为Z轴，构成右手坐标系B-XYZ；偏振传感器模块坐标系(m系)是以偏振传感器的质心M为原点，沿偏振传感器模块零位方向为X轴，沿观测方向为Z轴，构成右手坐标系M-XYZ。

本发明的技术解决方案为：基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法，实现步骤如下：

(1)利用GPS获取载体的地理位置信息和时间信息，通过天文年历查询太阳矢量在地理坐标系即n系下的方位角和高度角得到地理坐标系下单位太阳矢量sⁿ；

(2)利用安装于载体坐标系即b系的三轴加速度计测量重力矢量g^b；

(3)利用安装于载体上的N个(N≥2)观测方向不同的偏振传感器测量天空中相应点的单位偏振矢量其中下标i表示该矢量为第i个偏振传感器测量得到的单位偏振矢量，计算得到载体坐标系下单位太阳矢量s^b；

(4)根据重力矢量与太阳矢量信息，计算姿态转换矩阵完成对准。

所述步骤(1)中太阳方位角以地理东向为零位，向北为正，方位角与高度角可根据载体地理位置与时间信息通过天文年历方法估算，载体坐标系下单位太阳矢量sⁿ可表示为

所述步骤(2)中重力矢量g^b可由三轴加速度计直接测量得到，g^b＝-[f_x f_y f_z]^T，其中f_x、f_y、f_z分别为加速度计三个轴的输出。

所述步骤(3)中使用N个偏振传感器时，每个偏振传感器固连于1个模块坐标系即m系，第i个偏振传感器观测方向为其所在的模块坐标系m_i系的Z轴，每个模块坐标系到载体坐标系坐标转换矩阵为已知常系数矩阵，视偏振传感器具体安装方式而定；第i个偏振传感器测量得到偏振方位角可得到模块坐标系m_i下的单位偏振矢量为：

进一步得到载体坐标系下第i个单位偏振矢量为：

根据瑞利散射模型，太阳矢量垂直于偏振矢量，各传感器测得的偏振矢量理论上处于同一平面；载体坐标系下各偏振矢量及载体坐标系原点构成点云数据集合，利用格拉布斯准则消除粗大测量误差，利用特征值法进行平面拟合，可得到空间平面方程：

ax+by+cz+d＝0，

空间平面的单位法向量v为：

则载体坐标系下单位太阳矢量s^b由下式确定：

其中gⁿ＝[0 0 -g]^T表示地理坐标系下重力矢量，g表示重力加速度。

所述步骤(4)中，为计算坐标转换矩阵，根据矢量的坐标转换关系可知：

从而可得地理坐标系与载体坐标系之间的坐标转换关系为：

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)计算载体坐标系下单位太阳矢量时采用了最小二乘估计对多个偏振传感器量测进行信息融合，增强了鲁棒性；利用重力矢量信息确定太阳矢量方向，消除了太阳矢量方向的歧异性；

(2)计算地理坐标系与载体坐标系之间的坐标转换关系时利用了偏振信息与重力信息，两种信息均不易受外界干扰，测量精度较高。

附图说明

图1为本发明的设计流程图；

图2为本发明涉及的地理坐标系下太阳矢量示意图；

图3为本发明涉及的模块坐标系下偏振矢量示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体实现步骤如下：

1、利用GPS获取载体的地理位置信息和时间信息，通过天文年历查询太阳矢量在地理坐标系下的方位角和高度角(如图2所示，图中O-XYZ构成地理坐标系，X轴、Y轴、Z轴分别指向当地地理东向、北向、天向，方位角为太阳矢量在XY平面投影与X轴之间的夹角，高度角为太阳矢量与XY平面之间的夹角)，其中方位角以地理东向为零位，向北为正，得到地理坐标系下单位太阳矢量

2、利用安装于载体坐标系的三轴加速度计输出得到载体坐标系下重力矢量g^b为g^b＝-[f_x f_y f_z]^T，其中f_x、f_y、f_z分别表示三轴加速度计X轴、Y轴、Z轴输出；

3、利用偏振传感器测量偏振方位角，设有N个观测方向不同的偏振传感器，每个偏振传感器固连于1个模块坐标系，第i个偏振传感器观测方向为其所在的模块坐标系m_i系的Z轴，每个模块坐标系到载体坐标系坐标转换矩阵为已知常系数矩阵，视偏振传感器具体安装方式而定；第i个偏振传感器测量得到偏振方位角(如图3所示，图中M-XYZ构成偏振传感器模块坐标系，X轴为偏振方位角零位方向，Z轴为偏振传感器观测方向，偏振矢量位于XY平面内，偏振方位角为偏振矢量与X轴之间的夹角)，可得到模块坐标系m_i下的单位偏振矢量为：

进一步得到载体坐标系下第i个单位偏振矢量为：

由于太阳矢量垂直于偏振矢量，测量得到的偏振矢量应处于同一平面；载体坐标系下单位偏振矢量与载体坐标系原点构成点云数据集合，采用特征值法进行平面拟合，具体步骤为：

令矩阵A为：

计算矩阵A最小特征值对应的特征向量即为平面法向量[a b c]，计算参数d为：

则平面方程为：

ax+by+cz+d＝0，

在多传感器测量过程中，有可能存在异常值，导致平面拟合误差较大，利用格拉布斯准则进行检验与剔除，具体步骤为：

计算每个参与拟合的偏振矢量与拟合平面之间的距离L：

计算距离L的标准差σ_L：

其中，n表示参与拟合的偏振矢量数量；若距离L的最大值满足：

max(L)＞K(n,α)σ_L，

则在偏振矢量集合中剔除该值所对应的偏振矢量，并利用其余的偏振矢量与原点集合重复进行平面拟合与粗差剔除，否则表示平面拟合已完成，其中，K(n,α)表示格拉布斯准则的临界系数，可查表获得，α表示危险概率，如可取α＝0.01；

拟合完成的平面单位法向量v为：

则载体坐标系下单位太阳矢量s^b由下式确定：

其中gⁿ＝[0 0 -g]^T表示地理坐标系下重力矢量，g表示重力加速度；

4、计算地理坐标系与载体坐标系之间的坐标转换关系为：

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法，其特征在于，实现步骤如下：

(1)利用GPS获取载体的地理位置信息和时间信息，通过天文年历查询太阳矢量在地理坐标系即n系下的方位角和高度角得到地理坐标系下单位太阳矢量sⁿ；

(2)利用安装于载体坐标系即b系的三轴加速度计测量重力矢量g^b；

(3)利用安装于载体上的N个观测方向不同的偏振传感器测量天空中相应点的单位偏振矢量其中N≥2，下标i表示该矢量为第i个偏振传感器测量得到的单位偏振矢量，计算得到载体坐标系下单位太阳矢量s^b；

(4)根据重力矢量与太阳矢量信息，计算地理坐标系与载体坐标系之间的坐标转换关系，即姿态转换矩阵完成载体粗对准。

2.根据权利要求1所述的基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法，其特征在于：所述步骤(1)中，地理坐标系下单位太阳矢量sⁿ表示为：

$s^n={\left[\begin{array}{ccc}\cos A_s^n\cos H_s^n& \sin A_s^n\cos H_s^n& \sin H_s^n\end{array}\right]}^T,$

其中，sⁿ表示地理坐标系下单位太阳矢量，表示地理坐标系下的方位角，表示地理坐标系下的高度角。

3.根据权利要求1所述的基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法，其特征在于：所述步骤(2)中，重力矢量g^b＝-[f_x f_y f_z]^T，其中g^b表示载体坐标系下重力矢量，f_x、f_y、f_z分别表示三轴加速度计X轴、Y轴、Z轴输出。

4.根据权利要求1所述的基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法，其特征在于：所述步骤(3)，N个观测方向不同的偏振传感器中，每个偏振传感器固连于1个传感器模块坐标系即m系，第i个偏振传感器观测方向为其所在的传感器模块坐标系m_i系的Z轴，每个传感器模块坐标系到载体坐标系转换矩阵为已知常系数矩阵，视偏振传感器具体安装方式而定；第i个偏振传感器测量得到偏振方位角得到传感器模块坐标系m_i下的单位偏振矢量为：

进一步得到载体坐标系下第i个单位偏振矢量为：

$p_i^b=C_{m_i}^b{p}_i^{m_i},$

根据瑞利散射模型，太阳矢量垂直于偏振矢量，测量得到的各偏振矢量理论上应该共面；载体坐标系下各偏振矢量及载体坐标系原点构成点云数据集合，利用格拉布斯准则消除粗大测量误差，并利用特征值法进行平面拟合，可得到空间平面方程：

ax+by+cz+d＝0，

空间平面的单位法向量v为：

$v=\frac{1}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}{\left[\begin{array}{ccc}a& b& c\end{array}\right]}^T,$

则载体坐标系下单位太阳矢量s^b由下式确定：

$s^b=sign\left(\frac{s^n\·g^n}{v\·g^b}\right)v,$

其中gⁿ＝[0 0 -g]^T表示地理坐标系下重力矢量，g表示重力加速度。

5.根据权利要求1所述的基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法，其特征在于：所述步骤(4)中，姿态转换矩阵为：

$C_b^n=\left[\begin{array}{ccc}0& -{\mathrm{sinA}}_s^n& {\mathrm{cosA}}_s^n\\ 0& {\mathrm{cosA}}_s^n& {\mathrm{sinA}}_s^n\\ -1& 0& 0\end{array}\right]{\left[\begin{array}{ccc}\frac{g^b}{g}& \frac{s^b\×g^b}{\left|\right|s^b\×g^b|{|}_2}& \frac{g^b\×(s^b\×g^b)}{g\left|\right|s^b\×g^b|{|}_2}\end{array}\right]}^T,$

至此，完成载体粗对准。