CN108759819A - 一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法。针对偏振导航定位问题，首先，利用仿复眼偏振传感器获取全天域各观测点的偏振度信息，选取仿复眼偏振传感器所测得的偏振度信息中最优的三个观测点，将此三个观测点的偏振度作为解算输入信息，结合所选取的三个观测点的空间几何关系，求取载体系下的单位太阳矢量信息；其次，由姿态传感器得到当前时刻载体的三维姿态信息，求取姿态转换矩阵；再次，通过姿态转换矩阵将载体系下的单位太阳矢量转换到地理系下的单位太阳矢量；最后，通过天文年历查询模块计算载体的位置信息，实现偏振导航定位功能。本方法实时性好、精度较高，可完成三维空间定位，具有较强的环境适应性。

Description

一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法

技术领域

本发明涉及运动体导航定位领域，尤其涉及一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法，该方法可用于航空飞行器、海上舰船或地面移动车辆的自主导航定位。

背景技术

导航是测量与估计载体位置、速度和姿态等物理量的关键技术。导航定位的主要任务就是获取载体的位置信息。高稳定和高可靠性的导航定位技术是航天器、航空器、地面机器人、等实现对地观测、遥感、测绘、侦察以及军事打击等任务的核心技术。现阶段卫星导航是常用的导航定位方式，但是，卫星导航过于依赖通信信号，且容易受到干扰或欺骗等影响，在特殊场合不再适用。

大气偏振分布模式蕴涵着丰富的导航信息，地球上很多生物都能够感知偏振光进行导航。大气偏振模型在确定时间和地点的条件下具有稳定的模式，通过对偏振信息的提取分析，可以获取载体本身的位置和姿态信息，实现仿生偏振光自主导航。研究仿生偏振导航定位技术，可解决卫星导航信号受到干扰或卫星导航信号不可用时，代替卫星导航实现导航定位功能。

在大气偏振分布模式下，基于单个偏振传感器的导航方法，仅可提供二维平面内的航向角信息，极大地限制了偏振导航的适用范围。已申请的中国专利201310037586.4，“基于偏振光仿生导航的定位系统及其定位方法”，利用单个偏振传感器结构在两个不同时刻分别测量天空偏振矢量信息的方法求取当地经纬度信息，该方法必须在静止条件下完成两次观测，仅适用于二维平面定位。已申请的中国专利201410088363.5，“基于多方向偏振光导航传感器的定位系统及其定位方法”，则使用两个偏振传感器结构分别测量天空的偏振矢量信息，利用偏振矢量叉乘方法求取太阳矢量，该方法仅利用了观测点的偏振角信息，未用到偏振度信息。

发明内容

考虑现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法，根据载体当前时刻仿复眼偏振传感器观测得到的偏振度信息，选取仿复眼偏振传感器所测得的偏振度信息中最优的三个观测点进行融合解算，得到载体坐标系下的太阳矢量信息，利用坐标转换技术将载体坐标系下的太阳矢量信息转换到地理系下的太阳矢量信息，结合天文导航算法，求取当前时刻载体的位置信息。

本发明的坐标系选择为：其中仿复眼偏振传感器坐标系(s系)的确定是以半球球心为坐标原点o，半球截面为xoy面，选取任意轴为x轴，球心与半球顶点连线为z轴，y轴由右手定则确定。导航坐标系(n系)选取地理坐标系(t系)，地理坐标系采用东北天坐标系，即以载体的质心o为原点，载体的地理东向为x轴，载体的地理北向为y轴，z轴由右手定则确定；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o，载体的横轴指向右侧为x轴，沿载体纵轴指向前方为y轴，沿载体竖轴向上指向载体上方为z轴，构成右手坐标系；本发明在传感器安装时将传感器坐标系与载体坐标系重合安装。

本发明的技术方案为：一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法，实现步骤如下：

(1)利用仿复眼偏振传感器获取全天域各观测点的偏振度信息d_mn；

(2)选取偏振度信息最优的三个观测点，将此三个观测点的偏振度作为解算输入信息；结合所选取的三个观测点在空间中几何关系，求取载体系下的单位太阳矢量信息S^b；

(3)由姿态传感器得到当前时刻载体的三维姿态信息，获取载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵

(4)利用载体坐标系与地理坐标系之间的关系，建立单位太阳矢量由载体坐标系到地理坐标系的坐标转换关系，得到地理坐标系下的单位太阳矢量S^t；

(5)通过天文年历查询得到当前时刻的太阳赤纬δ和真太阳时时差t₀，结合当前时刻已得到的地理系下的太阳矢量信息S^t，求取当前时刻载体的经纬度位置信息。

所述步骤(1)，利用仿复眼偏振传感器获取全天域各观测点的偏振度信息，仿复眼偏振传感器结构为一个半球结构，偏振传感器阵列式的分布在半球表面的经度圈和纬度圈上。以半球球心为坐标原点o，半球截面为xoy面，选取任意轴为x轴，球心与半球顶点连线为z轴，由右手定则建立传感器坐标系(s系)，安装时传感器坐标系与载体坐标系固联，固联矩阵为每个偏振传感器对应的观测点可表示为P_mn，所对应的偏振度信息为d_mn，其中m表示为从半球顶点向下第m个纬度圈，n表示为以y轴为起点顺时针方向第n个观测点。此观测点的观测坐标均可由其在传感器坐标系下的方位角和高度角来表示 为观测点在传感器系下的方位角，h_mn为观测点在传感器系下的高度角；

所述步骤(2)中，选取仿复眼偏振传感器所测得的偏振度信息最优的三个观测点P_iu,P_jw,P_kv，三个观测点的坐标在传感器坐标系下可分别表示为所对应的偏振度为d_iu,d_jw,d_kv。选取方法如下：对所有观测点的偏振度信息按从大到小排序，依次选取偏振度最大的三个观测点，判断三个观测点两两之间的夹角是否在区间，若满足条件，则选取这三点为最优观测点，否则，去掉不满足条件的偏振度较小的观测点，重新按偏振度信息从大到小的顺序排列，继续判断，直到找到满足条件的三个观测点。将此三个最优观测点的偏振度信息作为解算输入信息，结合三个观测点在传感器坐标系下的空间几何关系及瑞利散射理论可建立如下方程组：

其中，d_max为全天域最大偏振度，θ_iu、θ_jw、θ_kv为三个最优观测点所对应的散射角，为太阳矢量在传感器坐标系下的高度角和方位角。

则载体系下的单位太阳矢量S^b可表示为：

所述步骤(3)中，由姿态传感器解算得到当前时刻载体的三维姿态信息横滚角γ，俯仰角θ，偏航角ψ，建立地理坐标系与载体坐标系的姿态转换矩阵

所述步骤(4)利用步骤(3)得到的地理坐标系与载体坐标系之间的姿态转换矩阵以及步骤(2)得到的载体坐标系下的单位太阳矢量S^b，解算地理坐标系下的单位太阳矢量：

所述步骤(5)通过天文年历查询得到当前时刻的太阳赤纬δ和真太阳时时差t₀，结合当前时刻已得到的地理系下的太阳矢量信息S^t，求取当前时刻载体的经纬度位置信息，具体实现如下：

基于天文导航算法：

其中L为地理纬度、λ为地理经度为最终待求量，t为观测点在T时刻的太阳时角，t＝λ+15(T+t₀)-180，为地理系下的太阳高度角和太阳方位角为已求量，则通过求解上式可得到当前时刻载体的经纬度位置信息。

本发明的原理是：基于瑞利散射理论的大气偏振分布模式具有稳定的分布规律，全天域的偏振化方向和偏振度分布在某一时刻某一地点具有固定的分布特性，通过设计仿复眼偏振传感器结构，实时测量得到全天域偏振度信息，建立全空域偏振信息与单位太阳矢量信息之间的表征关系，得到载体坐标系下的单位太阳矢量信息，通过姿态传感器测量解算当前时刻载体的三维姿态信息，求取姿态转换矩阵，利用坐标转换技术建立载体坐标系下单位太阳矢量与地理坐标系下单位太阳矢量之间的关系，得到地理系下单位太阳矢量信息，最后，通过天文年历查询系统求取当前时刻载体的经纬度位置信息。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所提出的一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法，通过仿复眼偏振传感器实时测量得到全天域的偏振度信息，选取最优的三个偏振度信息结合当前时刻姿态传感器提供的姿态信息，实时解算载体当前时刻的位置信息，该方法具有较强的环境适应性，稳定性好，可实现三维定位。

(2)本发明所提出的一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法具有无辐射、隐蔽性好、适应性强、等优点，可适用于卫星导航信号受到干扰甚至不可用情况下的自主导航定位领域。

附图说明

图1为本发明一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法的流程图；

图2为本发明涉及的仿复眼偏振传感器示意图；

图3为本发明涉及的载体坐标系下观测矢量及单位太阳矢量几何关系图。

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，本发明一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法的具体实现步骤如下：

1、传感器坐标系下的仿复眼偏振传感器由偏振传感器阵列式的分布在半球表面的经度圈和纬度圈上，整体视角可达180°(如图2所示)。每个偏振传感器对应的观测点可表示为P_mn，所对应的偏振度信息为d_mn，其中m表示为从半球顶点向下第m个纬度圈，n表示为以y轴为起点顺时针方向第n个观测点。此观测点的观测坐标均可由其在传感器坐标系下的方位角和高度角来表示 为观测点在传感器系下的方位角，h_mn为观测点在传感器系下的高度角(如图3所示)。仿复眼偏振传感器安装时将传感器坐标系(s系)与载体坐标系(b系)重合安装，则传感器坐标系到载体坐标系的转换矩阵，也即偏振传感器安装矩阵

2、仿复眼偏振传感器测量得到所有观测点的偏振度信息d_mn后，将各观测点的偏振度信息按从大到小的顺序排列，依次选取偏振度最大的三个观测点，判断三个观测点两两之间的夹角是否在区间，若满足条件，则选取这三点为最优观测点，否则，去掉不满足条件的偏振度较小的观测点，重新按偏振度信息从大到小顺序排列，继续判断，直到找到满足条件的三个观测点，将此三个观测点作为最优的三个观测点P_iu,P_jw,P_kv，三个观测点的坐标在传感器坐标系下可表示为所对应的偏振度为d_iu,d_jw,d_kv，将此三个最优观测点的偏振度作为解算输入信息，结合三个观测点在传感器系下的空间几何关系及瑞利散射理论，传感器坐标系下的太阳高度角和方位角可由如下方程组求得：

其中，d_max为全天域最大偏振度，θ_iu、θ_jw、θ_kv为三个最优观测点所对应的散射角，为太阳矢量在传感器坐标系下的高度角和方位角。

则载体系下的单位太阳矢量S^b可表示为：

3、由三轴姿态传感器得到当前时刻载体的三维姿态信息横滚角γ，俯仰角θ，偏航角ψ，经过三次基本旋转求取姿态转换矩阵则：

4、选取地理坐标系(t系)为导航坐标系(n系)，即利用地理坐标系与载体坐标系之间的坐标转换关系，得到地理坐标系下的单位太阳矢量S^t：

参数a₁、a₂、a₃为地理坐标系下的单位太阳矢量S^t的三个坐标值，又由于地理坐标系下的单位太阳矢量可表示为：

则地理坐标系下的太阳方位角地理坐标系下的太阳高度角

5、基于天文导航算法：

其中，太阳方位角太阳高度角在上面已求得，L为地理纬度、λ为地理经度为最终待求量，t为观测点在T时刻的太阳时角，t＝λ+15(T+t₀)-180，δ为太阳赤纬、t₀为真太阳时时差可通过天文年历查询得到，则通过求解上式即可得到当前时刻载体的经纬度位置信息λ、L。

Claims (6)

1.一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法，其特征在于，实现步骤如下：

(1)利用仿复眼偏振传感器获取全天域各观测点的偏振度信息d_mn；

(2)选取偏振度信息最优的三个观测点，将此三个观测点的偏振度作为解算输入信息；结合所选取的三个观测点在空间中几何关系，求取载体系下的单位太阳矢量信息S^b；

(3)由姿态传感器得到当前时刻载体的三维姿态信息，获取载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵

(4)利用载体坐标系与地理坐标系之间的关系，建立单位太阳矢量由载体坐标系到地理坐标系的坐标转换关系，得到地理坐标系下的单位太阳矢量S^t；

(5)通过天文年历查询得到当前时刻的太阳赤纬δ和真太阳时时差t₀，结合当前时刻已得到的地理系下的太阳矢量信息S^t，求取当前时刻载体的经纬度位置信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中，利用仿复眼偏振传感器获取全天域各观测点的偏振度信息，仿复眼偏振传感器结构为一个半球结构，偏振传感器阵列式的分布在半球表面的经度圈和纬度圈上；以半球球心为坐标原点o，半球截面为xoy面，选取任意轴为x轴，球心与半球顶点连线为z轴，y轴由右手定则确定，建立传感器坐标系(s系)，安装时传感器坐标系与载体坐标系固联，固联矩阵为

每个偏振传感器对应的观测点可表示为P_mn，所对应的偏振度信息为d_mn，其中m表示为从半球顶点向下第m个纬度圈，n表示为以y轴为起点顺时针方向第n个观测点，此观测点的观测坐标均可由其在传感器坐标系下的方位角和高度角来表示 为观测点在传感器系下的方位角，h_mn为观测点在传感器系下的高度角。

3.根据权利要求1所述的一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中，选取仿复眼偏振传感器所测得的偏振度信息最优的三个观测点P_iu,P_jw,P_kv，三个观测点的坐标在传感器坐标系下可分别表示为所对应的偏振度为d_iu,d_jw,d_kv，选取方法如下：对所有观测点的偏振度信息按从大到小排序，依次选取偏振度最大的三个观测点，判断三个观测点两两之间的夹角是否在区间，若满足条件，则选取这三点为最优观测点，否则，去掉不满足条件的偏振度较小的观测点，重新按偏振度信息从大到小的顺序排列，继续判断，直到找到满足条件的三个观测点，将此三个最优观测点的偏振度信息作为解算输入信息，结合三个观测点在传感器系下的空间几何关系及瑞利散射理论可建立如下方程组：

其中，d_max为全天域最大偏振度，θ_iu、θ_jw、θ_kv为三个最优观测点所对应的散射角，h_s为太阳矢量在传感器坐标系下的高度角和方位角；

则载体系下的单位太阳矢量S^b可表示为：

4.根据权利要求1所述的一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法，其特征在于：所述步骤(3)由姿态传感器解算得到当前时刻载体的三维姿态信息横滚角γ，俯仰角θ，偏航角ψ，建立地理坐标系与载体坐标系的姿态转换矩阵

5.根据权利要求1所述的基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法，其特征在于：所述步骤(4)利用步骤(3)得到的地理坐标系与载体坐标系之间的姿态转换矩阵以及步骤(2)得到的载体坐标系下的单位太阳矢量S^b，解算地理坐标系下的单位太阳矢量：

6.根据权利要求1所述的基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法，其特征在于：所述步骤(5)通过天文年历查询得到当前时刻的太阳赤纬δ和真太阳时时差t₀，结合当前时刻步骤(4)得到的地理系下的太阳矢量信息S^t，求取当前时刻载体的经纬度位置信息，具体实现如下：

基于天文导航算法：

其中L为地理纬度、λ为地理经度为最终待求量，t为观测点在T时刻的太阳时角，t＝λ+15(T+t₀)-180，为地理系下的太阳高度角和太阳方位角为已求量，则通过求解上式可得到当前时刻载体的经纬度位置信息。