CN110887473B - 一种基于偏振度加权的仿生偏振自主组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于偏振度加权的仿生偏振自主组合导航方法，首先，利用仿复眼偏振传感器获取全天域各观测点的偏振信息；其次，提取偏振度在指定阈值内的观测点偏振信息作为可用信息；再次，根据观测点偏振度大小设置该观测点所获得的偏振矢量的权值；最后，基于瑞利散射原理，建立惯性/偏振组合导航系统模型，利用卡尔曼滤波解算载体的姿态信息。本方法采用加权算法将偏振度信息和偏振矢量信息融合，具有较强的环境适应性及可靠性。

Description

一种基于偏振度加权的仿生偏振自主组合导航方法

技术领域

本发明涉及偏振光导航领域，尤其涉及一种基于偏振度加权的仿生偏振自主组合导航方法，可应用于飞行器导航系统的姿态确定，提高导航系统的精度及可靠性。

背景技术

仿生偏振光导航是通过研究生物对天空偏振光的感知机理及大气偏振分布模式发展起来的新型导航方法，相比于传统的惯性导航，偏振光导航具有误差不随时间积累的优点，而与卫星导航相比，偏振光导航具有无源、无辐射，隐蔽性好的优点，与地磁导航相比，偏振光导航不受电磁干扰，不需要预先加载磁图，可应用于陌生环境。因此，偏振光导航越来越受到研究机构的重视，是一种具有潜在应用价值的新型导航方式。

现有的偏振光导航技术研究主要分为大气偏振分布模式的研究、偏振导航机理的研究、偏振传感器的设计及误差分析、偏振光二维定向、三维定姿及定位方法研究，偏振光组合导航方法研究等，而有关偏振光导航与其他导航方式组合导航的方法研究较少，现有偏振光导航方法没有用到偏振度信息的融合，环境适应性差。已授权中国专利CN103217159“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”及已授权中国专利CN103323005“一种SINS/GPS/偏振光组合导航系统多目标优化抗干扰滤波方法”都是利用偏振矢量建立的组合导航模型，没有融合偏振度信息，对环境适应性差，复杂环境下精度较低。论文“偏振光/地磁/GPS/SINS组合导航方法”中也仅用到了偏振矢量信息，而没有用到偏振度信息。

发明内容

针对复杂环境下偏振光导航存在的问题，本发明提出一种基于偏振度加权的仿生偏振自主组合导航方法，该方法通过仿复眼偏振传感器获取全天域偏振信息，根据导航环境设置偏振度阈值，选取符合条件的观测点偏振信息进行加权处理并建立惯性/偏振组合导航系统模型，该算法可提高组合导航系统的精度及可靠性，具有较好的适用性。

本发明的坐标系选择为：仿复眼偏振传感器坐标系(s系)，以半球球心为坐标原点o，半球底面为xoy平面，在xoy平面上确定一轴为x轴，球心与半球顶点连线为z轴，由右手定则确定y轴。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o₁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)固联在载体上，原点为载体的质心o₁，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；每个观测点的模块坐标系(m_i系)为以半球球心为原点o，观测点方向矢量为z_i轴，x_i轴由单个传感器通道具体安装确定；本发明在仿复眼偏振传感器安装时将仿复眼偏振传感器坐标系与载体坐标系重合安装，即安装矩阵

为单位矩阵。

本发明的技术解决方案为：一种基于偏振度加权的仿生偏振自主组合导航方法，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信息(d_i,a_i)，其中d_i为第i个观测点的偏振度，a_i为第i个观测点的偏振矢量，i为观测点的编号,全天域观测点的数量由仿复眼偏振传感器的通道数决定；

(2)设置偏振度阈值d，筛选并提取各观测点偏振度d_i在指定阈值d内的观测点的偏振信息(d_k,a_k)，其中，d_k为所提取观测点的偏振度，a_k为所提取观测点的偏振矢量，k为所提取的观测点的编号；

(3)根据所提取观测点的偏振度大小设置各观测点所获得的偏振矢量a_k的权值λ_k＝d_k/D，D为所提取观测点的偏振度之和；

(4)根据所提取观测点的偏振矢量a_k和对应的权值λ_k，基于瑞利散射原理及惯性导航原理建立惯性/偏振组合导航系统模型，利用卡尔曼滤波解算载体的姿态信息。

进一步的，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信息(d_i,a_i)；仿复眼偏振传感器为一半球面结构，多个偏振传感器通道阵列式分布在半球表面上。以半球球心为原点o，半球底面为xoy平面，球心与半球顶点连线为z轴，建立仿复眼偏振传感器坐标系s，即s系；每个偏振传感器通道为一独立观测点并表示为P_i，所测得的偏振信息包括偏振度d_i和偏振矢量a_i，该观测点在仿复眼偏振传感器坐标系下的坐标为

为观测点在仿复眼偏振传感器坐标系下的方位角，h_i为观测点在仿复眼偏振传感器坐标系下的高度角；以半球球心为原点o，观测点方向矢量为z_i轴，构成观测点模块坐标系，即m_i系，观测点模块坐标系到仿复眼偏振传感器坐标系的转换矩阵

由偏振传感器通道安装矩阵决定，仿复眼偏振传感器安装时将仿复眼偏振传感器坐标系与载体坐标系重合安装，即安装矩阵

为单位矩阵。

进一步的，所述步骤(2)中，设置偏振度阈值d，提取偏振度在阈值d内的观测点的偏振信息作为可用信息；选取过程如下：设置偏振度阈值d∈[μd_max,d_max]，μ∈(0,1]根据载体的实际运动环境选取，d_max∈(0,1]为全天域最大偏振度，通过实际测量得到；遍历仿复眼偏振传感器所有观测点所测得的偏振度，筛选并提取偏振度在偏振度阈值内的每个观测点的所有信息，包括偏振度d_k，偏振矢量a_k，观测点在仿复眼偏振传感器坐标系下的坐标

观测点模块坐标系相对于仿复眼偏振传感器坐标系的坐标转换矩阵

将所有符合条件的观测点信息作为可用信息存储待用。

进一步的，所述步骤(3)中，根据所选取观测点的偏振度信息设置各观测点所获得的偏振矢量的权值；权值设置方法如下，经过步骤(2)所设置的偏振度阈值d筛选后，设有l个观测点的偏振度符合阈值条件，将这l个观测点的偏振度之和记为D，则第k个观测点的权值可表示为

该权值λ_k即为观测点所获得的偏振矢量的权值。

进一步的，所述步骤(4)中，根据所提取观测点的偏振矢量a_k和对应的权值λ_k，基于瑞利散射原理及惯性导航原理建立惯性/偏振组合导航系统量测模型：

上式化简为：

其中sⁿ表示导航坐标系下的单位太阳矢量，由天文年历查询得到，

为载体坐标系b到导航坐标系n的真实姿态转换矩阵，

为计算得到的带有误差的姿态转换矩阵，向量

为载体坐标系下的加权偏振矢量，

为第k个观测点观测得到的带有误差的偏振矢量，a_k为第k个观测点的真实偏振矢量，向量v为加权后的偏振矢量误差，

为第k个观测点所在模块坐标系到载体坐标系的转换矩阵，φ＝(φ_x,φ_y,φ_z)^T为惯性导航系统的平台误差角，φ×表示向量φ的反对称矩阵，a^b×表示向量a^b的反对称矩阵，导航坐标系n，即n系，选取地理坐标系t，即t系，地理坐标系t采用东北天坐标系，载体坐标系b系固联在载体上；

则基于偏振度加权的惯性/偏振组合导航系统量测模型如下：

其中，z_pol为惯性/偏振组合导航系统量测量，

表示惯性/偏振组合导航系统量测矩阵，x＝φ为惯性/偏振组合导航系统的状态向量，

表示惯性/偏振组合导航系统量测噪声，下标pol表示与偏振相关的信息；

惯性/偏振组合导航系统的状态方程选取惯性导航系统的误差方程:

为惯性/偏振组合导航系统的状态量对时间的导数，F为惯性/偏振组合导航系统状态转移矩阵，G为惯性/偏振组合导航系统噪声转移矩阵，w为惯性/偏振组合导航系统干扰矩阵；

则惯性/偏振组合导航系统模型表示为：

基于以上模型采用卡尔曼滤波方法解算载体的姿态信息。

本发明与现有技术相比优点在于：

(1)根据导航需求设置偏振度筛选阈值，利用偏振度加权的算法建立偏振量测模型，该算法具有较高的精度及环境适应性。

(2)该算法充分利用了观测点的偏振度信息与偏振矢量信息，充分考虑了偏振度信息受环境影响较大，而偏振矢量具有较高的稳定性的特点。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

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系下各观测点与太阳矢量关系示意图。

具体实施方式

下面将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，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的具体实现步骤如下：

本发明的坐标系选择为：仿复眼偏振传感器坐标系(s系)，以半球球心为坐标原点o，半球底面为xoy平面，在xoy平面上确定一轴为x轴，球心与半球顶点连线为z轴，由右手定则确定y轴。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o₁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)固联在载体上，原点为载体的质心o₁，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；每个观测点的模块坐标系(m_i系)为以半球球心为原点o，观测点方向矢量为z_i轴，x_i轴由单个传感器通道具体安装确定；本发明在仿复眼偏振传感器安装时将仿复眼偏振传感器坐标系与载体坐标系重合安装，即安装矩阵

为单位矩阵。

本发明可应用于高空长航时无人机、飞艇、浮空器等飞行器自主组合导航领域，通过引入偏振光信息，利用偏振度加权的仿生偏振自主组合导航算法提高惯性/偏振组合导航系统的导航精度及可靠性。

步骤1、仿复眼偏振传感器为一半球面结构，共127个偏振传感器通道阵列式的分布在半球表面的纬度圈上，整体视角可达180°，其中，在0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的纬度圈上分别分布于1、6、12、18、24、30、36个偏振传感器通道(如图2所示)。每个偏振传感器通道为一独立观测点并表示为P_i，所测得的偏振信息包括偏振度d_i和偏振矢量a_i，各观测点在仿复眼偏振传感器坐标系下的坐标可表示为

(如图3所示)，

为观测点在仿复眼偏振传感器坐标系下的方位角，h_i为观测点在仿复眼偏振传感器坐标系下的高度角。以半球球心为原点o，观测点方向矢量为z_i轴，构成观测点模块坐标系m_i，观测点模块坐标系到仿复眼偏振传感器坐标系的转换矩阵

由偏振传感器通道安装矩阵决定。

步骤2、仿复眼偏振传感器获取所有观测点的偏振信息(d_i,a_i)后，设置偏振度筛选阈值d∈[μd_max,d_max]，μ∈(0,1]，根据载体的实际运动环境对μ值进行设定，例如，当载体飞行在晴朗天气条件下时μ＝0.3，当载体飞行在多云天气条件下时μ＝0.5，d_max∈(0,1]为全天域最大偏振度可通过实际测量得到。将仿复眼偏振传感器所测得的所有观测点的偏振度与所设偏振度阈值进行对比，提取偏振度在偏振度阈值内的每个观测点的所有信息，包括偏振度、偏振矢量、仿复眼偏振传感器坐标系下的坐标、观测点模块坐标系相对于仿复眼偏振传感器坐标系的坐标转换矩阵。

步骤3、经过所设置的偏振度阈值d筛选后，设有l个观测点的偏振度符合阈值条件，将这l个观测点的偏振度之和记为D，则第k个观测点的权值可表示为

该权值λ_k即为观测点所获得的偏振矢量的权值。其中，d_k为筛选后的第k个观测点的偏振度，a_k为筛选后的第k个观测点在该模块坐标系下的偏振矢量，D为l个符合阈值条件观测点的偏振度之和。

步骤4、基于瑞利散射原理，各观测点的偏振矢量与太阳矢量垂直，向量内积为零，则利用太阳矢量垂直于偏振矢量的关系建立偏振量测模型：

单偏振传感器通道观测时，理论上有：

其中，sⁿ表示导航坐标系下的单位太阳矢量，由天文年历查询得到，

为载体坐标系b到导航坐标系n的真实姿态转换矩阵，

为观测点在载体系下的真实偏振矢量。

实际上，由于实际误差的存在，忽略地理系下的太阳矢量计算误差，将计算姿态转换矩阵

与实际测量观测点偏振矢量

代入可得：

其中，ν_p表示单偏振传感器测得的偏振矢量误差，

I表示单位矩阵，φ×表示向量φ的反对称矩阵，φ＝(φ_x,φ_y,φ_z)^T为惯性导航系统的平台误差角，也即惯性/偏振组合导航系统的状态向量。

则采用仿复眼偏振传感器的偏振度加权算法可得：

上式化简为：

其中，向量

为载体坐标系下的加权偏振矢量，

为第k个观测点观测得到的带有误差的偏振矢量，a_k为第k个观测点的真实偏振矢量，

为第k个观测点所在模块坐标系到载体坐标系的转换矩阵，向量

为加权后的偏振矢量误差，a^b×表示向量a^b的反对称矩阵。

则基于偏振度加权的惯性/偏振组合导航系统量测模型如下：

其中，z_pol为惯性/偏振组合导航系统量测量，

表示惯性/偏振组合导航系统量测矩阵，x＝φ为惯性/偏振组合导航系统的状态向量，

表示惯性/偏振组合导航系统量测噪声，下标pol表示与偏振相关的信息；

惯性/偏振组合导航系统的状态方程选取惯性导航系统的误差方程:

为惯性/偏振组合导航系统的状态量对时间的导数，F为惯性/偏振组合导航系统状态转移矩阵，G为惯性/偏振组合导航系统噪声转移矩阵，w为惯性/偏振组合导航系统干扰矩阵。

则惯性/偏振组合导航系统模型可表示为：

基于以上模型采用卡尔曼滤波方法解算载体的姿态信息。

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。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于偏振度加权的仿生偏振自主组合导航方法，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信息(d_i,a_i)，其中d_i为第i个观测点的偏振度，a_i为第i个观测点的偏振矢量，i为观测点的编号,全天域观测点的数量由仿复眼偏振传感器的通道数决定；

(2)设置偏振度阈值d，筛选并提取各观测点偏振度d_i在指定阈值d内的观测点的偏振信息(d_k,a_k)，其中，d_k为所提取观测点的偏振度，a_k为所提取观测点的偏振矢量，k为所提取的观测点的编号；

(3)根据所提取观测点的偏振度大小设置各观测点所获得的偏振矢量a_k的权值λ_k＝d_k/D，D为所提取观测点的偏振度之和；

(4)根据所提取观测点的偏振矢量a_k和对应的权值λ_k，基于瑞利散射原理及惯性导航原理建立惯性/偏振组合导航系统模型，利用卡尔曼滤波解算载体的姿态信息；

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信息(d_i,a_i)；仿复眼偏振传感器为一半球面结构，多个偏振传感器通道阵列式分布在半球表面上；以半球球心为原点o，半球底面为xoy平面，球心与半球顶点连线为z轴，建立仿复眼偏振传感器坐标系s，即s系；每个偏振传感器通道为一独立观测点并表示为P_i，所测得的偏振信息包括偏振度d_i和偏振矢量a_i，该观测点在仿复眼偏振传感器坐标系下的坐标为(

h_i)，

为观测点在仿复眼偏振传感器坐标系下的方位角，h_i为观测点在仿复眼偏振传感器坐标系下的高度角；以半球球心为原点o，观测点方向矢量为z_i轴，构成观测点模块坐标系，即m_i系，观测点模块坐标系到仿复眼偏振传感器坐标系的转换矩阵

由偏振传感器通道安装矩阵决定，仿复眼偏振传感器安装时将仿复眼偏振传感器坐标系s与载体坐标系b重合安装，即安装矩阵

I表示单位矩阵；

所述步骤(2)中，设置偏振度阈值d，提取偏振度在阈值d内的观测点的偏振信息作为可用信息；选取过程如下：设置偏振度阈值d∈[μd_max,d_max]，μ∈(0,1]根据载体的实际运动环境选取，d_max∈(0,1]为全天域最大偏振度，通过实际测量得到；遍历仿复眼偏振传感器所有观测点所测得的偏振度，筛选并提取偏振度在偏振度阈值内的每个观测点的所有信息，包括偏振度d_k、偏振矢量a_k、观测点在仿复眼偏振传感器坐标系下的坐标(

h_k)、观测点模块坐标系相对于仿复眼偏振传感器坐标系的坐标转换矩阵

将所有符合条件的观测点信息作为可用信息存储待用；

所述步骤(3)中，根据所选取观测点的偏振度信息设置各观测点所获得的偏振矢量的权值；权值设置方法如下，经过步骤(2)所设置的偏振度阈值d筛选后，设有l个观测点的偏振度符合阈值条件，将这l个观测点的偏振度之和记为D，则第k个观测点的权值可表示为

该权值λ_k即为观测点所获得的偏振矢量的权值；

所述步骤(4)中，根据所提取观测点的偏振矢量a_k和对应的权值λ_k，基于瑞利散射原理及惯性导航原理建立惯性/偏振组合导航系统量测模型：

上式化简为：

其中，sⁿ表示导航坐标系下的单位太阳矢量，由天文年历查询得到，

为载体坐标系b到导航坐标系n的真实姿态转换矩阵，

为计算得到的带有误差的姿态转换矩阵，向量

为载体坐标系下的加权偏振矢量，

为第k个观测点观测得到的带有误差的偏振矢量，a_k为第k个观测点的真实偏振矢量，向量v为加权后的偏振矢量误差，

为第k个观测点所在模块坐标系到载体坐标系的转换矩阵，φ＝(φ_x,φ_y,φ_z)^T为惯性导航系统的平台误差角，φ×表示向量φ的反对称矩阵，a^b×表示向量a^b的反对称矩阵，导航坐标系n，即n系，选取地理坐标系t，即t系，地理坐标系t采用东北天坐标系，载体坐标系b系固联在载体上；

则基于偏振度加权的惯性/偏振组合导航系统量测模型如下：

其中，z_pol为惯性/偏振组合导航系统量测量，

表示惯性/偏振组合导航系统量测矩阵，x＝φ为惯性/偏振组合导航系统的状态向量，

表示惯性/偏振组合导航系统量测噪声，下标pol表示与偏振相关的信息；

惯性/偏振组合导航系统的状态方程选取惯性导航系统的误差方程:

为惯性/偏振组合导航系统的状态量对时间的导数，F为惯性/偏振组合导航系统状态转移矩阵，G为惯性/偏振组合导航系统噪声转移矩阵，w为惯性/偏振组合导航系统干扰矩阵；

则惯性/偏振组合导航系统模型表示为：

基于以上模型采用卡尔曼滤波方法解算载体的姿态信息。

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