CN108225336A - 一种基于置信度的偏振自主组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，首先利用载体上携带的多个偏振传感器阵列测量计算得到模块坐标系下天空中多个偏振矢量，再将其转化到本体坐标系下；然后由瑞利散射模型，建立偏振矢量与太阳矢量的关系；利用多偏振矢量与太阳的关系，通过建立置信度函数来得到量测太阳矢量，最后通过卡尔曼滤波器对导航参数进行估计。该方法是利用大气中多点的偏振信息进行信息融合辅助导航，精度高，避免了单个点易受环境因素的干扰，能够实现高环境适应性、自主导航。

Description

一种基于置信度的偏振自主组合导航方法

技术领域

本发明属于组合导航领域，具体涉及一种基于置信度的偏振自主组合导航方法。

背景技术

太阳光入射到地球，由于地球大气中的各种气溶胶粒子和气体分子，太阳光会出现散射，140多年前英国科学家瑞利提出了瑞利散射模型，随后人们利用瑞利散射获得了大气偏振分布模型，该模型是稳定的。通过不断的研究发现，很多生物利用天空偏振光进行导航或者辅助导航，例如，沙蚁可以通过观察天空偏振光进行觅食和归巢，维京人利用方解石观察天空偏振模式进行航海。偏振导航具有隐蔽性强、无源、无辐射等特点，可以运用于多种复杂环境，是现代导航技术的一个新方向。

现有的点源式偏振辅助导航利用的偏振传感器数量较少，只能测得太空中少数点的偏振模式，且单点的偏振模式容易受到云层等干扰，未能充分利用大气中的偏振信息。中国专利一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法，专利号：201410012966.7，提出一种基于偏振分布模式的导航定位方法，利用全天空偏振模式进行偏振匹配，但该模式易受环境影响，并且建立模式难度较大；中国专利基于多方向偏振光的实时导航装置，专利号：201610717237.0，利用五个偏振传感器测量偏振矢量，认为偏振度大的传感器测量的偏振矢量信息较准确，用最准确的两个矢量进行融合得到太阳矢量，未能从太阳矢量自身出发去判断精度，信息过滤较多，且传感器数量较少，测量获得的偏振信息有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，利用多个偏振传感器得到模块坐标系下的偏振矢量，通过矢量叉乘得到太阳矢量的方向，再通过基于置信度的动态信息分配得到更加准确的太阳矢量信息，然后由经纬度和时间信息解算地理系下的单位太阳矢量S^t。最后利用得到的不同坐标系下的单位太阳矢量建立偏振导航线性模型，通过卡尔曼滤波器对导航参数进行估计。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，实现步骤如下：

步骤(1)利用偏振传感器阵列中的多个偏振传感器获取天空偏振方位角，即可获得模块坐标系下的偏振矢量通过坐标转换关系，将转化到本体坐标系中

步骤(2)利用载体的地理位置信息和时间信息，确定地理坐标系下的标准太阳矢量S^t；

步骤(3)通过本体坐标系下的偏振矢量在本体坐标系下，建立偏振矢量与太阳矢量的转换关系，得到测量太阳矢量S_ij；

步骤(4)通过将标准太阳矢量S^t转化到本体坐标系中得到本体坐标系下的标准矢量S^b，以矢量S^b为半径，以观测点为球心，根据球心角建立太阳矢量的置信度；

步骤(5)根据置信区间，排除掉不在区间内的太阳矢量，对剩余的太阳矢量通过偏振传感器的协方差矩阵进行信息融合，得到量测太阳矢量

步骤(6)对步骤(5)中的量测太阳矢量和步骤(2)中的标准太阳矢量进行做差，得到偏振量测信息，与惯性导航组合，通过卡尔曼滤波，得到更高精度的姿态信息；

所述步骤(1)具体实现如下：

在模块坐标系下，通过获取N个偏振传感器获取偏振方位角，将每个传感器的偏振矢量表示为：

其中，为第i个传感器的偏振方位角，m_i表示模块坐标系下的第i个偏振传感器，利用第i偏振传感器安装角度α_i、β_i和μ_i，设m表示模块坐标系，b表示本体坐标系，t表示地理坐标系。则可以求得第i个偏振传感器的模块坐标系与本体坐标系的转换矩阵如下：

本体坐标系下第i个传感器得到的偏振矢量可表示为：

所述步骤(2)具体实现如下：

根据天文年历，得到地理系下太阳高度角和太阳方位角得到地理系下的标准太阳矢量S^t为：

所述步骤(3)偏振矢量和太阳矢量的关系具体实现如下：

根据瑞利散射模型，太阳矢量始终垂直于偏振矢量，因此，任意两个不平行的偏振矢量相互叉乘，即可得到测量太阳矢量的方向，再进行单位化可得到测量太阳矢量。

由偏振矢量和两个偏振矢量叉乘，得到矢量E_ij如下：

此时由偏振矢量和得到测量太阳矢量S_ij如下：

其中w_ij为测量噪声，||E_ij||为矢量E_ij的模值。

所述步骤(4)测量太阳矢量的置信度的建立具体实现如下：

设为载体姿态矩阵的名义值，此时本体坐标系下的标准太阳矢量S^b为：

由于实际的本体坐标系下的标准太阳矢量和测量的太阳矢量是较为相近的，由本体坐标系下的标准太阳矢量S^b和观测点建立的单位球，此时，由圆心角A得到测量的偏振矢量根据经验设置信度函数为：

所述步骤(5)量测太阳矢量具体实现如下：

由于偏振矢量的置信度，可以将置信度为0的测量太阳矢量直接排除，此时剩下的太阳矢量进行矢量融合，得到量测太阳矢量

其中，λ_k为系数，且M为剩余的置信度不为0的测量太阳矢量的总数。

不同偏振矢量的融合协方差矩阵为P_ij，对融合系数进行动态信息分配，则可以都得到：

其中||·||_p为矩阵对角线元素的绝对值和的平方根，m_ij为得到的太阳矢量的置信度。

所述步骤(6)所述组合导航系统实现如下：

将步骤(5)获得的量测太阳矢量转化到地理坐标下得到矢量然后由经纬度和时间计算的标准太阳矢量做差，得到偏振量测方程如下：

其中，φ为平台失准角，(S^t)^×如下：

最后，以SINS误差方程作为状态方程，通过组合导航滤波器得到载体的导航数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出了一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，通过多个偏振传感器采集天空中多个偏振矢量，然后根据偏振矢量与太阳矢量垂直的特点，通过矢量叉乘得到太阳矢量，对得到的多个太阳矢量进行信息融合，最后通过与经纬度和时间计算的太阳矢量做差，得到导航系统的姿态量测模型，通过与惯性导航组合进行卡尔曼滤波，得到更加准确的姿态信息。

(2)本发明采用的偏振传感器为自主导航传感器，通过多个偏振矢量信息融合，可以避免因为单传感器照到天空云层或者其他干扰物引起的测量不准确，通过多个太阳矢量的融合，提高了系统的鲁棒性和抗干扰能力。

(3)本发明提出的一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，可以有效判断两个偏振矢量融合后得到太阳矢量的精度，利用多个偏振传感器的信息，使得得到太阳矢量信息更加准确。

附图说明

图1为本发明的一种基于置信度的偏振自主组合导航方法流程图；

图2为本发明涉及模块系下测量太阳矢量S^m；

图3为本发明涉及当地地理坐标系下标准太阳矢量S^t；

图4为本发明涉及太阳矢量置信区间图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明一种基于置信度的偏振自主组合导航方法的具体实现步骤如下：

1、在图2所示的偏振传感器安装在载体上，以偏振传感器为基准建立模块坐标系，模块坐标系x轴沿载体横轴指向右侧，y轴沿载体纵轴指向载体前方，z轴沿载体竖轴指向载体上方，利用N个偏振传感器获取多个偏振方位角则模块系下的偏振矢量如图3所示，其中E1……E10为偏振矢量，模块坐标系下其表达式为：

利用第i个偏振传感器安装角度α_i、β_i和μ_i，可以求得每个偏振传感器的模块坐标系与本体坐标系的转换矩阵如下：

本体坐标系下第i个传感器得到的偏振矢量可表示为：

2、根据天文年历，得到地理系下太阳高度角和太阳方位角得到地理系下的标准太阳矢量为：

3、根据瑞利散射模型，太阳矢量始终垂直于偏振矢量，因此，任意两个不平行的偏振矢量相互叉乘，即可得到太阳矢量的方向，再进行单位化可得到测量太阳矢量。

由偏振矢量和两个偏振矢量叉乘，得到矢量E_ij如下：

此时由偏振矢量和得到测量太阳矢量信息如下：

其中w_ij为测量噪声，||E_ij||为矢量E_ij的模值。

4、设为载体姿态矩阵的名义值，此时本体坐标系下的太阳矢量为：

由于实际的本体坐标系下的标准太阳矢量和测量的太阳矢量是较为相近的，由本体坐标系下的标准太阳矢量S^b和观测点建立的单位球，此时，由圆心角A得到测量的偏振矢量，置信度分布图如图4所示，根据经验设置信度函数为：

5、由于偏振矢量的置信度，可以将置信度为0的太阳矢量直接排除，此时剩下的测量太阳矢量进行矢量融合，得到融合的量测太阳矢量

其中，λ_k为系数，且M为剩余的置信度不为0的太阳矢量的总数。

不同偏振矢量的融合协方差矩阵为P_ij，对融合系数进行动态信息分配，则可以都得到：

其中||·||_p为矩阵对角线元素的绝对值和的平方根，m_ij为得到的太阳矢量的置信度。

6、采用卡尔曼滤波器，以SINS误差方程作为状态方程，状态方程为

其中，X＝[φ_Eφ_Nφ_UδV_EδV_NδV_UδLδλδhε_xε_yε_z▽_x▽_y▽_z]为状态量，F(t)为状态转移矩阵，G(t)为噪声转移矩阵，W(t)为系统干扰。

将步骤(5)量测太阳矢量转化到地理坐标下得到矢量然后由经纬度和时间计算的标准太阳矢量做差，得到偏振量测方程如下：

其中，φ为平台失准角，(S^t)^×如下：

采用卡尔曼滤波方法对所述的偏振惯性组合导航状态方程和量测方程进行滤波处理，得到载体姿态的估计值，即得到所述载体的导航信息。

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 (7)

1.一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，其特征在于：该方法实现步骤如下：

步骤(1)利用偏振传感器阵列中的多个偏振传感器获取天空偏振方位角，即可获得模块坐标系下的偏振矢量通过坐标转换关系，将转化到本体坐标系中

步骤(2)利用载体的地理位置信息和时间信息，确定地理坐标系下的标准太阳矢量S^t；

步骤(3)通过本体坐标系下的偏振矢量在本体坐标系下，建立偏振矢量与太阳矢量的转换关系，得到测量太阳矢量S_ij；

步骤(4)通过将标准太阳矢量S^t转化到本体坐标系中得到本体坐标系下的标准矢量S^b，以矢量S^b为半径，以观测点为球心，根据球心角建立太阳矢量的置信度；

步骤(5)根据置信区间，排除掉不在区间内的太阳矢量，对剩余的太阳矢量通过偏振传感器的协方差矩阵进行信息融合，得到量测太阳矢量

步骤(6)对步骤(5)中的量测太阳矢量和步骤(2)中的标准太阳矢量进行做差，得到偏振量测信息，与惯性导航组合，通过卡尔曼滤波，得到更高精度的姿态信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，其特征在于：所述步骤(1)具体实现如下：

在模块坐标系下，通过获取N个偏振传感器获取偏振方位角，将每个传感器的偏振矢量表示为：

其中，为第i个传感器的偏振方位角，m_i表示模块坐标系下的第i个偏振传感器，利用第i偏振传感器安装角度α_i、β_i和μ_i，设m表示模块坐标系，b表示本体坐标系，t表示地理坐标系，则可以求得第i个偏振传感器的模块坐标系与本体坐标系的转换矩阵如下：

本体坐标系下第i个传感器得到的偏振矢量可表示为：

3.根据权利要求1所述的一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，其特征在于：所述步骤(2)具体实现如下：

根据天文年历，得到地理系下太阳高度角和太阳方位角得到地理系下的标准太阳矢量S^t为：

4.根据权利要求1所述的一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，其特征在于：所述步骤(3)偏振矢量和太阳矢量的关系具体实现如下：

根据瑞利散射模型，太阳矢量始终垂直于偏振矢量，因此，任意两个不平行的偏振矢量相互叉乘，即可得到测量太阳矢量的方向，再进行单位化可得到测量太阳矢量；

由偏振矢量和两个偏振矢量叉乘，得到矢量E_ij如下：

此时由偏振矢量和得到测量太阳矢量S_ij如下：

其中w_ij为测量噪声，||E_ij||为矢量E_ij的模值。

5.根据权利要求1所述的一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，其特征在于：所述步骤(4)测量太阳矢量的置信度的建立具体实现如下：

设为载体姿态矩阵的名义值，此时本体坐标系下的标准太阳矢量S^b为：

由于实际的本体坐标系下的标准太阳矢量和测量的太阳矢量是较为相近的，由本体坐标系下的标准太阳矢量S^b和观测点建立的单位球，此时，由圆心角A得到测量的偏振矢量根据经验设置信度函数为：

6.根据权利要求1所述的一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，其特征在于：所述步骤(5)量测太阳矢量具体实现如下：

由于偏振矢量的置信度，可以将置信度为0的测量太阳矢量直接排除，此时剩下的太阳矢量进行矢量融合，得到量测太阳矢量

其中，λ_k为系数，且M为剩余的置信度不为0的测量太阳矢量的总数；

不同偏振矢量的融合协方差矩阵为P_ij，对融合系数进行动态信息分配，则可以都得到：

其中||·||_p为矩阵对角线元素的绝对值和的平方根，m_ij为得到的太阳矢量的置信度。

7.根据权利要求1所述的一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，其特征在于：所述步骤(6)所述组合导航系统实现如下：

将步骤(5)获得的量测太阳矢量转化到地理坐标下得到矢量然后由经纬度和时间计算的标准太阳矢量做差，得到偏振量测方程如下：

其中，φ为平台失准角，(S^t)^×如下：

最后，以SINS误差方程作为状态方程，通过组合导航滤波器得到载体的导航数据。