CN106679645B - 基于多方向偏振光的实时导航装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多方向偏振光的实时导航装置，包括导航装置主体和多方向偏振光信息融合模块的上位机；所述的导航装置主体具有多面体阵列结构，阵列结构每个平面上设有分别测量入射光最大偏振方向和入射太阳光强度的偏振光传感器和光强度传感器；所述的多面体阵列结构的一面设置为水平基准面,该水平基准面上设有获取至少包括俯仰角α、滚转角β和航向角α_磁北的水平基准面三维信息的电子罗盘；其中α_磁北表示电子罗盘自身体轴与地磁北极的夹角；所述的上位机内部设置有多方向偏振光信息融合模块、天文历查询模块和地磁信息查询模块。

Description

基于多方向偏振光的实时导航装置

技术领域

本文发明涉及定位技术和多信息融合技术,尤其涉及基于多方向偏振光传感器求解太阳位置信息,进一步实现导航定位和定向的技术，并搭建的导航装置。涉及专利分类号G01测量；测试G01C测量距离、水准或者方位；勘测；导航；陀螺仪；摄影测量学或视频测量学G01C21/00导航；不包含在G01C 1/00至G01C 19/00组中的导航仪器G01C21/02应用天文学的方法。

背景技术

目前的定位技术主要包括卫星导航、惯性导航、天文导航和无线电导航等。卫星和无线电导航由于是人造信号，容易受到干扰。惯性导航误差随时间积累，很难进行精确定位。天文导航的装置成本高，计算过程复杂。受到自然界生物神奇的导航本领的启发,目前仿照生物利用天空偏振光实现导航的技术引发了国内外的研究热潮。外国学者Lambrinos等人基于仿生偏振导航机理,设计了仿生偏振视觉传感器并应用在无人机上进行导航，国内也有很多学者从事这方面的研究。但是此前的研究都是应用天空偏振光分布模式实现导航定向，对于如何利用偏振信息实现导航定位的研究很少。本文发明的内容设计和搭建了一种基于偏振光和地磁场的组合导航定位和定向的装置。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于多方向偏振光的实时导航装置，包括导航装置主体和多方向偏振光信息融合模块的上位机；

所述的导航装置主体具有多面体阵列结构，阵列结构每个平面上设有分别测量入射光最大偏振方向和入射太阳光强度的偏振光传感器和光强度传感器；

所述的多面体阵列结构的一面设置为水平基准面,该水平基准面上设有获取至少包括俯仰角α、滚转角β和航向角α_磁北的水平基准面三维信息的电子罗盘；

其中α_磁北表示电子罗盘自身体轴与地磁北极的夹角；

所述的上位机内部设置有多方向偏振光信息融合模块、天文历查询模块和地磁信息查询模块；

工作时，上位计算机接收所述偏振光角度传感器、光强传感器以及电子罗盘上传的信号，依据多方向偏振光信息融合算法计算得出所述导航装置主体的载体任意时刻T所在位置对应的太阳的伪方位角A_S′和太阳高度角h_S；

根据天文历查询模块查询任意时刻T，太阳的赤纬δ和时差E，根据如下公式(1)、(2)和(3)联立计算得出导航装置主体的载体所在位置的经度η，纬度Φ和磁偏角α_磁偏角以及导航装置主体体轴与地理正北方向的夹角，完成实时定位和定向；

式(1)中α_坐标系的值由计算时所建立的坐标系之间的关系确定，为已知量；

经度η，纬度Φ和磁偏角α_磁偏角是需要求解的未知量，采用遍历的方法，将所有经度值和纬度值的组合、查询获得的数值α_磁偏角代入上述方程式(1)、(2)、(3)中，使方程组成立的经度η，纬度Φ和磁偏角α_磁偏角组合即为最后结果；

同时计算得到导航装置载体体轴与正北方向的夹角α_北＝α_坐标系-α_磁北-α_磁偏角，实现导航装置的定位定向的过程。

作为优选的实施方式，所述的阵列结构为正棱台，包括与所述的水平基准面平行的水平顶面和多个其中垂线呈中心对称设置的斜面。

作为优选的实施方式，所述的太阳伪方位角A_S′和太阳高度角h_S的计算过程如下：

在该导航装置主体的多个阵列平面A1‐AN分别建立五个坐标系O₁‐X₁Y₁Z₁——O_N‐X_NY_NZ_N，水平基准面A0上建立坐标系为O‐XYZ，设定O‐XYZ为载体坐标系，其余阵列平面为局部坐标系；

根据各平面间的相对位置关系，多个局部坐标系到载体坐标系间的旋转矩阵分别对应为C₁‐C_N；

在局部坐标系中偏振光角度传感器测得的偏振方向矢量表示为：

P_i′＝k_i(cosθ_i sinθ_i 0)(i＝1,2,……N) (4)

其中P_i′为单个偏振光传感器测得的偏振方向矢量在对应的局部坐标系中的投影，为偏振光传感器测得的偏振方位角，k_i的取值为1或者‐1；

偏振方向矢量在载体坐标系中的投影表示为：P_i′＝C_i*P_i

载体坐标系中由偏振方向矢量两两计算得到太阳的空间矢量S_ij，具体表示如下式所示：

S_ij＝K_ijP_i(θ_i)×P_j(θ_j)(i,j＝1,2,........N且i≠j)； (5)

上式(5)中K_ij的取值为1或者‐1。根据导航装置中多个方向的光强传感器的测量值计算可得太阳在载体坐标系的投影与导航装置体轴的夹角as，用该值确定K_ij的取值。

太阳的空间位置矢量S_O最终可表示为：

S_O＝(S_x S_y S_Z)＝Σω_ijS_ij (6)

ω_ij表示为权重系数，该值的大小与对应的偏振光角度传感器测量方向的偏振态相关，通过分析对比导航装置中偏振光角度传感器的测量值的最大偏振方位角和偏振度，即可识别传感器是否正常工作，同时比较偏振度的大小；偏振度越大，ω_ij越大；

在载体坐标中太阳的空间信息可以表示如下式(7),求得太阳伪方位角A_S′和太阳高度角h_S。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的基于多方向偏振光的实时的导航方法，结合偏振光导航技术和天文知识通过固定架体上的方向传感器、偏振光角度传感器和三维电子罗盘的测量值，通过上位计算机内的地磁信息查询模块查询地磁偏角数据信息，通过天文历查询模块查询某时刻的太阳赤纬δ数值和某日期的真太阳时差E，根据上述检测到的数据信息采用本发明公开的算法通过计算得到载体的经纬度和载体体轴与正北方向夹角。该系统结构简单，具有很高的精度，以及很强的抗干扰能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的装置的计算流程图；

图3为本发明装置实物的示意图；

图4为装置实物图中的说明示意图；

图5为装置实施案例结果说明图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-5所示的一种基于多方向偏振光实时导航装置，如附图1所示：该装置包括一个固定架体1，该固定架体1由六个平面构成，在固定架体1的五个平面上分别安装有测量入射光最大偏振方向的偏振光角度传感器2和测试入射太阳光光强的传感器3。在固定架体1的基准面，安装测量该平面是否水平和测量地磁北向的三维电子罗盘4。该系统还包括上位计算机5，所述偏振光角度传感器3将测量到的某个时刻的最大偏振方向信息传送至上位计算机5。三维电子罗盘4可以检测基准面是否水平，将检测到的数据信息传送至上位计算机5中，同时可以检测其自身方向与地磁北向的夹角，同样的将检测到的角度数值传送的上位计算机5。该上位计算机5内设置有多方向偏振光信息融合模块6、天文历查询模块7和地磁信息查询模块8。

该装置的实物图如附图3所示，在本实施例中导航装置主体中的侧斜面的数量选择为4个，分别命名为平面A1—平面A5，形成类似正四棱台结构；其中平面A5的中心位置垂线与所述的水平基准面A0垂直；分别与平面A1-平面A4的中线位置垂线45°相交；所述的5个平面的中心位置即为所述偏振光角度传感器的固定位置,分别将对应平面上安装的偏振光角度传感器命名为1号—5号。三维电子磁罗盘安装在水平基准面A0上，平面A0与平面A5平行。在A0-A5面分别建立六个坐标系。

设定在A0面上的坐标系为载体坐标系，其余五个都是局部坐标系，由导航装置主体结构可得局部坐标系到载体坐标系的转换的旋转矩阵分别为C₁～C₅。

该导航装置实现导航的流程如附图2所示，具体步骤如下：

S1：三维电子罗盘测量导航装置主体中水平基准面A0的水平状态，三维电子罗盘可以测量其自身参考轴方向与地磁北向的夹角α_磁北，假设地磁偏角为α_磁偏角，则该电子罗盘参考轴方向与地理北向的夹角α＝α_磁北+α_磁偏角。

S2：首先依据五个光强传感器的值比较得出太阳在基准面上的投影与导航装置载体体轴的初步的夹角，即太阳的粗略伪方位角as。

S3：根据五个偏振光传感器测量的信息--偏振方位角和偏振度，单个偏振光传感器在测得的偏振方向矢量在局部坐标系可以表示为如附图4所示：其中P_i′为单个偏振光传感器测得的偏振方向矢量在对应的局部坐标系中的投影，θ_i为偏振光传感器测得的偏振方位角。则P_i′可以如下表示如下式所示，其中k_i的取值为1或者‐1。

P_i′＝k_i(cosθ_i sinθ_i 0)(i＝1,2,3,4,5)

基于瑞利散射原理，天空光偏振分布具有特定且稳定的模式，天空中不同的方向上偏振信号有强弱的区别。信号越强时，偏振光方向传感器的测量的偏振方位角越准确。对比分析比较五个传感器输出信号——偏振度和偏振方位角，优选几个测量信号更加准确的偏振光方向传感器。则优选的几个偏振光传感器测得的偏振方向矢量在载体坐标系中的投影可以表示为：P_i′＝C_i*P_i

S4：载体坐标系中由偏振方向矢量两两计算得到太阳的空间矢量，表示为S_ij，具体表示如下式所示：

S_ij＝K_ijP_i(θ_i)×P_j(θ_j)(i,j＝1,2,3,4,5且i≠j)；

于是在载体坐标中太阳的空间信息-太阳伪方位角A_S′和太阳高度角h_S可以表示为：

上式(2)中k_ij的取值为1或者‐1。若当k_ij＝1时，太阳的高度角和伪方位角的值为h_S和A_S′，则当k_ij＝‐1时，对应的太阳高度角和伪方位角的值为‐h_S和A_S′+180。而k_ij的取值可以用光强传感器得到的粗略的太阳伪方位角as来判断。优选得到的太阳空间位置信息进行加权平均得到最终的太阳的空间位置信息的两个参数——太阳高度角h_S和伪方位角A_S′。

实施例1具体实施结果如下，导航装置室外实验测试：

依据多方向偏振光信息融合算法，首先分析比较5个偏振光传感器测得的偏振方位角θ_i和偏振度d_i发现传感器5号的信号丢失，如附图5(a)所示为剩余四个传感器偏振度d_i的大小，由图可知：d₁＜d₃＜d₂＜d₄。依据优选方案优选2号和4号传感器进行太阳空间位置计算，如附图5(b)表示分别由2号和4号与1号和3号偏振光角度传感器测得的偏振方向矢量计算得到的太阳空间位置实验对比图。由图中可知偏振度越大对应的偏振方向矢量计算得到的太阳空间矢量更准确。

S5：通过上位计算机内的天文历查询模块查询T时刻的太阳赤纬δ和时差E。

S6：由天文学知识有：

sinh_S＝sinφsinδ+cosφcosδcost (b)

根据天文学知识有t＝η+15(T+E)‐180，其中：t为观测点在T时刻的太阳时角，E为T时刻对应的时差，φ为观测点的纬度，η为观测点的经度，A_s为真太阳方位角，h_s为太阳高度角；

在载体坐标系中，真太阳方位角A_S＝α_坐标系+α_磁北+α_磁偏角+A_S′，其中α_坐标系的值根据建立的坐标系间的关系可知α_坐标系＝0°；

将真太阳方位角和太阳时角分别代入方程(a)和(b)，则有：

其中经度η和纬度φ是需要求解的未知量，采用遍历的方法，将所有经度值和纬度值的组合、以及相对应的通过查询获得的磁偏角数值代入方程组(c)和(d)，使方程组成立的经度η，纬度φ和磁偏角α_磁偏角组合就是我们所求的结果，即实现了基于多方向偏振光导航传感器的导航装置的定位目的。

S7：所述地磁偏角与经纬度组合一一对应。得到测试地点磁偏角后，进一步计算可以得到导航系统体轴与真北方向的夹角α_北＝α_磁北+α_磁偏角，实现定向目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多方向偏振光的实时导航装置，其特征在于包括导航装置主体和内置有多方向偏振光信息融合模块的上位机；

所述的导航装置主体具有多面体阵列结构，所述的多面体阵列结构每个平面上设有分别测量入射光最大偏振方向和入射太阳光强度的偏振光传感器和光强度传感器；

所述的多面体阵列结构的一面设置为水平基准面,该水平基准面上设有获取至少包括俯仰角α、滚转角β和航向角α_磁北的水平基准面三维信息的电子罗盘；

其中α_磁北表示电子罗盘自身体轴与地磁北极的夹角；

所述的上位机内部设置有多方向偏振光信息融合模块、天文历查询模块和地磁信息查询模块；

工作时，上位机接收所述偏振光传感器、光强度传感器以及电子罗盘上传的信号，依据多方向偏振光信息融合算法计算得出所述导航装置主体的载体任意时刻T所在位置对应的太阳的伪方位角A_S′和太阳高度角h_S；

根据天文历查询模块查询任意时刻T，太阳的赤纬δ和时差E，根据如下公式(1)、(2)和(3)联立计算得出导航装置主体的载体所在位置的经度η，纬度Φ和磁偏角α_磁偏角以及导航装置主体体轴与地理正北方向的夹角，完成实时定位和定向；

式(1)中α_坐标系的值由计算时所建立的坐标系之间的关系确定，为已知量；

经度η，纬度Φ和磁偏角α_磁偏角是需要求解的未知量，采用遍历的方法，将所有经度值和纬度值的组合、查询获得的数值α_磁偏角代入上述方程式(1)、(2)、(3)中，使方程组成立的经度η，纬度Φ和磁偏角α_磁偏角组合即为最后结果；

同时计算得到导航装置载体体轴与正北方向的夹角α_北＝α_坐标系-α_磁北-α_磁偏角，实现导航装置的定位定向的过程；

太阳伪方位角A_S′和太阳高度角h_S的计算过程如下：

在该导航装置主体的多个阵列平面A₁-A_N分别建立五个坐标系O₁-X₁Y₁Z₁——O_N-X_NY_NZ_N，水平基准面A₀上建立坐标系为O-XYZ，设定O-XYZ为载体坐标系，其余阵列平面为局部坐标系；

根据各平面间的相对位置关系，多个局部坐标系到载体坐标系间的旋转矩阵分别对应为C₁-C_N；

在局部坐标系中偏振光传感器测得的偏振方向矢量表示为：

P_i′＝k_i(cosθ_i sinθ_i 0)，其中i＝1,2,……N (4)

其中P_i′为单个偏振光传感器测得的偏振方向矢量在对应的局部坐标系中的投影，θ_i为偏振光传感器测得的偏振方位角，k_i的取值为1或者-1；

比较五个偏振光传感器输出信号——偏振度和偏振方位角，选取偏振度最强的多个偏振光传感器，偏振方向矢量在载体坐标系中的投影表示为：P_i′＝C_i*P_i；

载体坐标系中由偏振方向矢量两两计算得到太阳的空间矢量S_ij，具体表示如下式所示：

S_ij＝K_ijP_i(θ_i)×P_j(θ_j)，其中i，j＝1，2，......N且i≠j (5)

上式(5)中K_ij的取值为1或者-1，K_ij的取值用光强度传感器得到的粗略的太阳伪方位角a_s来判断；根据导航装置中多个方向的光强度传感器的测量值计算可得太阳在载体坐标系的投影与导航装置体轴的夹角a_s，用该值确定K_ij的取值；

太阳的空间位置矢量S_O最终可表示为：

S_O＝(S_x S_y S_Z)＝∑ω_ijS_ij (6)

ω_ij表示为权重系数，该值的大小与对应的偏振光传感器测量方向的偏振态相关，通过分析对比导航装置中偏振光传感器的测量值中最大偏振方位角和偏振度，即可识别偏振光传感器是否正常工作，同时比较偏振度的大小；偏振度越大，ω_ij越大；

在载体坐标系中太阳的空间信息可以表示如下式(7),求得太阳伪方位角A_S′和太阳高度角h_S：

2.根据权利要求1所述的基于多方向偏振光的实时导航装置：其特征在于：所述的多面体阵列结构为正棱台，包括与所述的水平基准面平行的水平顶面和多个斜面，所述多个斜面的垂线呈中心对称设置。