CN109459015A - 一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，首先，设计仿复眼结构的偏振罗盘，获取多个观测点的偏振度信息；其次，结合偏振观测点在空间中的位置关系，智能获取全天域最大偏振度信息；再次，根据全空域最大偏振度求取地理坐标系下的观测太阳高度角；最后，通过测量不同时刻的观测太阳高度角，利用高度差法求取载体的位置信息。本方法相比于现有方法所需步骤简单，自主性强，不需要其他辅助传感器就能进行全球定位，可用于舰船、无人机等领域。

Description

一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法

技术领域

本发明涉及载体导航定位领域，尤其涉及一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，该方法可用于海上舰船或地面移动车辆的自主导航定位。

背景技术

载体在运动过程中需要实时确定自身的位置及姿态信息，导航定位技术就是获取载体的位置信息的一种技术。高稳定和高可靠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、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，视觉导航及地型匹配导航不受电磁干扰，但由于受已知图库的限制，更适用于熟悉环境中。

天空中的大气偏振信息蕴涵着丰富的导航信息，通过对偏振信息的提取分析，可以得到太阳矢量信息，进而获取载体本身的位置信息，实现偏振定位功能。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不可用时，代替卫星导航实现导航定位功能，也可用于陌生未知环境下的导航定位。

目前偏振光导航大多用于对载体姿态信息的获取，而现有的偏振光导航定位方式多是利用偏振方位角信息，如已申请的中国专利201310037586.4，“基于偏振光仿生导航的定位系统及其定位方法”、已申请的中国专利CN 103822629，“基于多方向偏振光导航传感器的定位系统及其定位方法”，都是通过测量天空偏振方位角信息求取位置信息，没有用到偏振度信息，且是通过求取太阳矢量信息反演位置信息，上述两个专利的算法流程为一次算法，没有通过迭代提高精度。另外，上述定位方法需要结合其他的导航设备，如电子罗盘、地磁罗盘等来辅助偏振导航系统完成定位。但是电子罗盘、地磁罗盘容易受到磁干扰，其应用会受到限制。本发明相比于已有的偏振定位方法，不需要其他的辅助设备即可确定在全球的位置信息，自主性高。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：提供了一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，通过设计偏振导航传感器获取天空偏振信息，建立各观测点偏振度信息与全空域最大偏振度的关系，进而解算观测太阳高度角，由初始估计位置信息求取当前时刻计算太阳的高度角和太阳方位角，利用高度差法解算载体的经纬度位置信息。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，实现步骤如下：

步骤(1)、设计由偏振导航传感器构成的仿复眼偏振罗盘，实时获取三个观测点偏振度信息d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)；

步骤(2)、根据仿复眼偏振罗盘结构及所测得的偏振度信息，建立观测点偏振度信息d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)与全空域最大偏振度d_max(t)的关系；

步骤(3)、地理坐标系下，根据Rayleigh散射理论，建立全空域最大偏振度d_max(t)与观测太阳高度角H_o ^t(t)的关系；

步骤(4)、根据太阳天文年历，计算得到相应的太阳高度角及太阳方位角

步骤(5)、通过测量不同时刻的观测太阳高度角，利用高度差法求取载体的位置信息(LAT，LON)。

所述步骤(1)设计由偏振导航传感器构成的仿复眼偏振罗盘，实时获取三个观测点偏振度信息d₁(t),d₂(t),d₃(t)，具体实现如下：

仿复眼偏振罗盘由三个基于分光棱镜的偏振传感器组成，三个偏振传感器阵列式安装在同一观测平面内，其中M₁为主传感器，位于三个传感器中间，M₂，M₃与M₁之间安装角度为η，分别对称安装于M₁两侧，以三个偏振传感器的三条主轴线的交点O为原点，偏振传感器M₁所在轴为Z轴，偏振传感器M₂在XOY平面的投影为X轴，Y轴由右手定则确定，构成传感器坐标系。将传感器坐标系XOY平面保持水平状态，实时获取三个偏振传感器的偏振度测量值d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)。

所述步骤(2)根据仿复眼偏振罗盘结构及所测得的偏振度信息，建立观测点偏振度信息d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)与全空域最大偏振度d_max(t)的关系，具体实现如下：

基于Rayleigh散射理论，观测点的偏振度与散射角有如下关系：

其中，d_n(t)为第n个偏振传感器所测观测点偏振度，为三个观测点偏振度的最大值，θ_n(t)为第n个偏振传感器观测方向与太阳矢量的夹角，θ_n(t)∈[0，π]；

以坐标原点O为球心构造单位天球，三个偏振传感器的观测点在单位天球上的投影分别为Q₁，Q₂，Q₃，三个偏振传感器M₁，M₂，M₃的观测方向OQ₁，OQ₂，OQ₃与太阳矢量OS的夹角分别为θ₁(t)，θ₂(t)，θ₃(t)，在球面三角形ΔQ₂Q₁S和ΔQ₃Q₁S中利用球面三角形余弦定理可得：

根据步骤(1)所设计的偏振导航传感器结构，OQ₁，OQ₂，OQ₃在同一平面内，则∠SQ₁Q₂+∠SQ₁Q₃＝π，θ₁(t)，θ₂(t)，θ₃(t)之间的关系可表示为：

cosθ₂(t)+cosθ₃(t)＝2cosηcosθ₁(t) (3)

根据公式(1)-(3)，即可求取全天域最大偏振度d_max(t)；

所述步骤(3)在地理坐标系下，根据Rayleigh散射理论，建立全空域最大偏振度d_max(t)与观测太阳高度角H_o ^t(t)的关系，具体实现如下：

首先根据步骤(2)所确定的全空域最大偏振度d_max(t)，得到主偏振传感器M₁的偏振观测角θ₁(t)：

其中，±表示θ₁可能小于π/2也可能大于π/2，+或-的选择可由外界附加光强传感器或者重力传感器来进行判断。

根据步骤(1)主偏振传感器M₁的安装方式以及观测太阳高度角与散射角θ₁(t)之间的关系，得到地理坐标系下的观测太阳高度角为：

所述步骤(4)根据太阳天文年历，计算得到相应的太阳高度角及太阳方位角具体实现如下：

根据估计或已知的载体初始位置信息LON_AP、LAT_AP，结合当前时刻天文年历得到的太阳赤纬Dec和地方时角LHA，由天文导航算法求取T₁和T₂时刻地理坐标系下的计算太阳高度角和太阳方位角

所述步骤(5)通过测量不同时刻的观测太阳高度角，利用高度差法求取载体的位置信息(LAT，LON)，具体实现如下：

利用T₁和T₂时刻的计算太阳高度角和偏振导航传感器测量得到的观测太阳高度角计算太阳高度差ΔH₁(t)，ΔH₂(t)：

由太阳高度差ΔH₁(t)，ΔH₂(t)和太阳方位角构造辅助量A(t)，B(t)，C(t)，D(t)，E(t)，G(t)：

则载体经纬度位置信息LON、LAT求解如下：

本发明的原理是：通过偏振导航传感器测量天空偏振信息，由测量得到的偏振度信息建立与全空域最大偏振度的关系，求解观测太阳高度角，利用载体的初始位置信息及时间信息求取计算太阳高度角和太阳方位角，基于天文导航的解析高度差法构造辅助量求取载体的位置信息，通过迭代进一步提高精度。

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最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，该方法通过大气偏振度信息求取载体位置信息，无需观测太阳方位信息，所需步骤简单，可通过迭代算法提高定位精度；

(2)本发明无需其他辅助传感器，为系统提供航向信息，自主性强。

附图说明

图1为本发明一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法的流程图；

图2为本发明涉及仿复眼偏振罗盘结构示意图；

图3为本发明涉及偏振观测方向与太阳矢量关系示意图。

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，本发明一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法的具体实现步骤如下：

1、设计偏振导航传感器构成大气偏振检测结构，获取三个观测点偏振度信息d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)，仿复眼偏振罗盘由三个基于分光棱镜的偏振传感器组成，三个偏振传感器阵列式安装在同一观测平面内，其中M₁为主传感器，位于三个传感器中间，M₂、M₃与M₁之间安装角度为η，分别对称安装于M₁两侧，以三个偏振传感器的三条主轴线的交点O为原点，偏振传感器M₁所在轴为Z轴，偏振传感器M₂在XOY平面的投影为X轴，Y轴由右手定则确定，构成传感器坐标系。将传感器坐标系XOY平面保持水平状态，实时获取三个偏振传感器的偏振度测量值d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)。仿复眼偏振罗盘结构示意图如图2所示。

2、根据仿复眼偏振罗盘结构及所测得的偏振度信息，建立观测点偏振度信息d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)与全空域最大偏振度d_max(t)的关系：

图3为偏振观测方向与太阳矢量关系示意图。基于Rayleigh散射理论，观测点的偏振度与散射角有如下关系：

其中，d_n(t)为第n个偏振传感器所测观测点偏振度，为三个观测点偏振度的最大值，θ_n(t)为第n个偏振传感器观测方向与太阳矢量的夹角，θ_n(t)∈[0，π]；

以坐标原点O为球心构造单位天球，三个偏振传感器的观测点在单位天球上的投影分别为Q₁，Q₂，Q₃，三个偏振传感器M₁，M₂，M₃的观测方向OQ₁，OQ₂，OQ₃与太阳矢量OS的夹角分别为θ₁(t)，θ₂(t)，θ₃(t)，在球面三角形ΔQ₂Q₁S和ΔQ₃Q₁S中利用球面三角形余弦定理可得：

根据步骤(1)所设计的偏振导航传感器结构，OQ₁，OQ₂，OQ₃在同一平面内，则∠SQ₁Q₂+∠SQ₁Q₃＝π，θ₁(t)，θ₂(t)，θ₃(t)之间的关系可表示为：

cosθ₂(t)+cosθ₃(t)＝2cosηcosθ₁(t) (3)

根据公式(1)-(3)，即可求取全天域最大偏振度d_max(t)；

3、在地理坐标系下，根据Rayleigh散射理论，建立全空域最大偏振度d_max(t)与观测太阳高度角的关系：

首先根据步骤(2)所确定的全空域最大偏振度d_max(t)，得到主偏振传感器M₁的偏振观测角θ₁(t)：

其中，±表示θ₁可能小于π/2也可能大于π/2，+或-的选择可由外界附加光强传感器或者重力传感器来进行判断。

根据步骤(1)主偏振传感器M₁的安装方式以及观测太阳高度角与散射角θ₁(t)之间的关系，得到地理坐标系下的观测太阳高度角为：

4、根据太阳天文年历，计算得到相应的太阳高度角及太阳方位角

根据估计或已知的载体初始位置信息LON_AP、LAT_AP，结合当前时刻天文年历得到的太阳赤纬Dec和地方时角LHA，由天文导航算法求取T₁和T₂时刻地理坐标系下的计算太阳高度角和太阳方位角

5、通过测量不同时刻的观测太阳高度角，利用高度差法求取载体的位置信息(LAT,LON)：

利用T₁和T₂时刻的计算太阳高度角和偏振导航传感器测量得到的观测太阳高度角计算太阳高度差ΔH₁(t),ΔH₂(t)：

由太阳高度差ΔH₁(t)，ΔH₂(t)和太阳方位角构造辅助量A(t)，B(t)，C(t)，D(t)，E(t)，G(t)：

则载体经纬度位置信息LON、LAT求解如下:

Claims (6)

1.一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，其特征在于：该方法实现步骤如下：

步骤(1)、设计由偏振导航传感器构成的仿复眼偏振罗盘，实时获取三个观测点偏振度信息d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)；

步骤(2)、根据仿复眼偏振罗盘结构及所测得的偏振度信息，建立观测点偏振度信息d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)与全空域最大偏振度d_max(t)的关系；

步骤(3)、地理坐标系下，根据Rayleigh散射理论，建立全空域最大偏振度d_max(t)与观测太阳高度角的关系；

步骤(4)、根据太阳天文年历，计算得到相应的太阳高度角及太阳方位角

步骤(5)、通过测量不同时刻的观测太阳高度角，利用高度差法求取载体的位置信息(LAT，LON)。

2.根据权利要求1所述的一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，其特征在于：所述步骤(1)设计偏振导航传感器构成大气偏振检测结构，获取三个观测点偏振度信息d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)，具体实现如下：

仿复眼偏振罗盘由三个基于分光棱镜的偏振传感器组成，三个偏振传感器阵列式安装在同一观测平面内，其中M₁为主传感器，位于三个传感器中间，M₂、M₃与M₁之间安装角度为η，分别对称安装于M₁两侧，以三个偏振传感器的三条主轴线的交点O为原点，偏振传感器M₁所在轴为Z轴，偏振传感器M₂在XOY平面的投影为X轴，Y轴由右手定则确定，构成传感器坐标系；将传感器坐标系XOY平面保持水平状态，实时获取三个偏振传感器的偏振度测量值d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)。

3.根据权利要求1所述的一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，其特征在于：所述步骤(2)根据仿复眼偏振罗盘结构及所测得的偏振度信息，建立观测点偏振度信息d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)与全空域最大偏振度d_max(t)的关系，具体实现如下：

基于Rayleigh散射理论，观测点的偏振度与散射角有如下关系：

其中，d_n(t)为第n个偏振传感器所测观测点偏振度， 为三个观测点偏振度的最大值，θ_n(t)为第n个偏振传感器观测方向与太阳矢量的夹角，θ_n(t)∈[0，π]；

以坐标原点O为球心构造单位天球，三个偏振传感器的观测点在单位天球上的投影分别为Q₁，Q₂，Q₃，三个偏振传感器M₁，M₂，M₃的观测方向OQ₁，OQ₂，OQ₃与太阳矢量OS的夹角分别为θ₁(t)，θ₂(t)，θ₃(t)，在球面三角形ΔQ₂Q₁S和ΔQ₃Q₁S中利用球面三角形余弦定理可得：

根据步骤(1)所设计的偏振导航传感器结构，OQ₁，OQ₂，OQ₃在同一平面内，则∠SQ₁Q₂+∠SQ₁Q₃＝π，θ₁(t)，θ₂(t)，θ₃(t)之间的关系可表示为：

cosθ₂(t)+cosθ₃(t)＝2cosηcosθ₁(t) (3)

根据公式(1)-(3)，即可求取全天域最大偏振度d_max(t)。

4.根据权利要求1所述的一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，其特征在于：所述步骤(3)在地理坐标系下，根据Rayleigh散射理论，建立全空域最大偏振度d_max(t)与观测太阳高度角的关系，具体实现如下：

首先根据步骤(2)所确定的全空域最大偏振度d_max(t)，得到主偏振传感器M₁的偏振观测角θ₁(t)：

其中，±表示θ₁可能小于π/2也可能大于π/2，+或-的选择可由外界附加光强传感器或者重力传感器来进行判断；

根据步骤(1)主偏振传感器M₁的安装方式以及观测太阳高度角与散射角θ₁(t)之间的关系，得到地理坐标系下的观测太阳高度角为：

5.根据权利要求1所述的一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，其特征在于：所述步骤(4)根据太阳天文年历，计算得到相应的太阳高度角及太阳方位角具体实现如下：

根据估计或已知的载体初始位置信息LON_AP、LAT_AP，结合当前时刻天文年历得到的太阳赤纬Dec和地方时角LHA，由天文导航算法求取T₁和T₂时刻地理坐标系下的计算太阳高度角和太阳方位角

6.根据权利要求1所述的一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，其特征在于：所述步骤(5)通过测量不同时刻的观测太阳高度角，利用高度差法求取载体的位置信息(LAT,LON)，具体实现如下：

利用T₁和T₂时刻的计算太阳高度角和偏振导航传感器测量得到的观测太阳高度角计算太阳高度差ΔH₁(t),ΔH₂(t)：

由太阳高度差ΔH₁(t)，ΔH₂(t)和太阳方位角构造辅助量A(t)，B(t)，C(t)，D(t)，E(t)，G(t)：

则载体经纬度位置信息LON、LAT求解如下：