CN110887475B - 一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，使用图像式偏振传感器以固定时间间隔连续采集多张全天空区域偏振图像，提取天空中各散射点的偏振角，根据拍摄时间间隔计算天空中每个散射点的平均旋转角速度；遍历找到图像中平均旋转角速度为15度/小时的北极点，根据图像式偏振传感器相机成像模型与相机安装矩阵，确定载体系下北极点矢量；确定天空中各散射点的E矢量，构造载体系下E矢量矩阵，计算载体系下太阳矢量；分别根据地理系和载体系下的北极点矢量及地理系和载体系下的太阳矢量，计算姿态转移矩阵，以此完成静基座初始对准。本发明使用天空偏振光信息确定运载体三维姿态，计算过程简便，具有较好的自主性与鲁棒性。

Description

一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法

技术领域

本发明涉及天空偏振光导航领域，尤其涉及一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，适用于地面车辆、无人机等初始三维姿态确定。

背景技术

运载体在开始进行导航之前首先应进行初始对准，确定最初的三维姿态。现有的初始对准方法通常借助惯导系统、GNSS、磁罗盘等设备，在某些环境下存在一定局限性，例如惯性导航设备进行初始对准时需要借助高精度的陀螺仪，设备成本较高，方位角对准精度不高且对准时间较长；磁罗盘、GNSS设备在电磁干扰情况下极易受到干扰、自主性差，难以进行初始对准。

近年来，仿生偏振光导航逐渐发展成一种新的导航方式。偏振导航不易受到电磁等环境干扰，具有较强的自主性与鲁棒性，其误差不随时间积累。现有借助天空偏振光信息确定运载体三维姿态、进行初始对准的方法有：已受理中国专利CN201611052227.6提出一种基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法，该方法利用加速度计测得重力矢量与偏振传感器测得太阳矢量进行初始粗对准，由于粗对准阶段加速度计零偏无法估计，因此粗对准结果存在常值误差；已受理中国专利CN201611078923.4提出一种基于双中性点矢量的天空偏振三维定姿方法，该方法中所提到的中性点容易受到天气干扰，在某些情况下难以同时找到两个中性点，导致无法确定三维姿态。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有初始对准技术的不足，提出在电磁干扰等复杂情况下一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，借助天空偏振光信息解决运载体初始姿态的静基座快速对准问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，通过下列步骤实现：

步骤(1)、使用图像式偏振传感器以时间间隔ΔT连续采集n张全天空区域偏振图像，提取天空中各个方向散射点的偏振角

m为图像式偏振传感像素数，根据拍摄时间间隔ΔT计算天空中每个散射点的平均旋转角速度ω_i；

步骤(2)、遍历找到图像中平均旋转角速度ω_i为15度/小时的北极点P，根据图像式偏振传感器相机成像模型与相机安装矩阵，确定载体系下北极点P矢量p^b；

步骤(3)、根据偏振角

确定天空中各散射点的E矢量e_i，构造载体系下E矢量矩阵E^b，计算载体系下太阳矢量s^b；

步骤(4)、根据地理系n下的北极点矢量pⁿ,和载体系b下的北极点矢量p^b，以及地理系n下的太阳矢量sⁿ,和载体系b下的太阳矢量s^b，计算姿态转移矩阵

以此完成静基座初始对准。

进一步的，所述步骤(2)中，若遍历找到的北极点P在图像坐标系中的坐标为(x_p,y_p)，根据图像式偏振传感器相机成像模型与相机安装矩阵，载体系b下北极点矢量p^b表示为：

p^b＝[sinγ_p cosα_p sinγ_p sinα_p cosγ_p]^T,

其中，α_p,γ_p分别为北极点P的在相机坐标系下的观测方位角与高度角，由下式计算得到：

tanα_p＝(y_p-c_y)/(x_p-c_x)

式中，c_x,c_y为图像式偏振传感器镜头光轴在图像中的投影坐标，f为相机焦距，上述参数c_x,c_y,f通过相机标定得到。

进一步的，所述步骤(3)中，天空中各散射点的E矢量e_i由偏振角

来表示：

载体系b下E矢量矩阵E^b具体为：

式中，m为图像式偏振传感器像素点个数，

由天空中各散射点的E矢量e_i经过以下转换得到：

其中：

tanα_i＝(y_i-c_y)/(x_i-c_x),

式中，α_i,γ_i分别为各散射点在相机坐标系下的观测方位角与高度角，x_i,y_i为天空中各散射点的E矢量e_i在图像坐标系的像素坐标，c_x,c_y为图像式偏振传感器镜头光轴在图像中的投影坐标，f为相机焦距，上述参数c_x,c_y,f通过相机标定得到；

载体系b下太阳矢量s^b的解为矩阵[(E^b)(E^b)^T]_3×3的最小特征值所对应的特征向量。

进一步的，所述步骤(4)中，姿态转移矩阵

计算公式为：

pⁿ为地理系下北极点矢量，具体为：

pⁿ＝[0 cos L sin L]^T,

其中，L为当地纬度；

sⁿ为地理系下太阳矢量，具体为：

其中，

为太阳高度角，

为太阳方位角，太阳高度角和方位角均能够由天文年历计算得到。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明借助大气偏振模式确定运载体的三维姿态，相比传统的初始对准方法，实施简单、计算量小，在强电磁干扰的情况下仍能准确快速地确定初始姿态。

(2)利用大气偏振模式绝对空间基准，没有初始对准常值误差。相比以往的天空偏振光姿态确定方法，具有较好的自主性与鲁棒性。

附图说明

图1为本发明方法实现流程图；

图2为本发明北极点确定三维姿态示意图。

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。

以无人机静基座初始粗对准为例，阐述本发明具体实施步骤。事先将图像式偏振传感器的XYZ轴与无人机坐标系的XYZ轴重合安装，让图像式偏振传感器观测整个天空。如图1所示，一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，具体实现步骤如下：

步骤(1)使用图像式偏振传感器以时间间隔ΔT连续采集n张全天空区域偏振图像，提取天空中各个方向散射点的偏振角

m为图像式偏振传感像素数，根据拍摄时间间隔ΔT计算天空中每个散射点的平均旋转角速度ω_i；

步骤(2)遍历找到图像中平均旋转角速度ω_i为15度/小时(即15°/h)的北极点P，根据图像式偏振传感器相机成像模型与相机安装矩阵，确定载体系下北极点P矢量p^b；

步骤(3)根据偏振角

确定天空中各散射点的E矢量e_i，构造载体系下E矢量矩阵E^b，计算载体系下太阳矢量s^b；

步骤(4)根据地理系n下的北极点矢量pⁿ,和载体系b下的北极点矢量p^b，以及地理系n下的太阳矢量sⁿ,和载体系b下的太阳矢量s^b，计算姿态转移矩阵

以此完成静基座初始对准。

所述步骤(2)中，若遍历找到的北极点P在图像坐标系中的坐标为(x_p,y_p)，根据图像式偏振传感器相机成像模型与相机安装矩阵，载体系b下北极点矢量p^b表示为：

p^b＝[sinγ_p cosα_p sinγ_p sinα cosγ_p]^T,

其中，α_p,γ_p分别为北极点P的在相机坐标系下的观测方位角与高度角，由下式计算得到：

tanα_p＝(y_p-c_y)/(x_p-c_x).

式中，c_x,c_y为图像式偏振传感器镜头光轴在图像中的投影坐标，f为相机焦距，上述参数c_x,c_y,f可通过相机标定得到。

所述步骤(3)中，天空中各散射点的E矢量e_i由偏振角

来表示：

载体系b下E矢量矩阵E^b具体为：

式中，m为图像式偏振传感器像素点个数，

由天空中各散射点的E矢量e_i经过以下转换得到：

其中：

tanα_i＝(y_i-c_y)/(x_i-c_x),

式中，α_i,γ_i分别为各散射点在相机坐标系下的观测方位角与高度角，x_i,y_i为天空中各散射点的E矢量e_i在图像坐标系的像素坐标，c_x,c_y为图像式偏振传感器镜头光轴在图像中的投影坐标，f为相机焦距，上述参数c_x,c_y,f可通过相机标定得到；

载体系b下太阳矢量s^b的解为矩阵[(E^b)(E^b)^T]_3×3的最小特征值所对应的特征向量。

所述步骤(4)中，姿态转移矩阵

计算公式为：

pⁿ为地理系下北极点矢量，具体为：

pⁿ＝[0 cos L sin L]^T,

其中，L为当地纬度；

sⁿ为地理系下太阳矢量，具体为：

其中，

为太阳高度角，

为太阳方位角，太阳高度角和方位角均能够由天文年历计算得到。

以上是所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改动应视为本发明的保护范围。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 (3)

1.一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、使用图像式偏振传感器以时间间隔△T连续采集n张全天空区域偏振图像，提取天空中各个方向散射点的偏振角

m为图像式偏振传感器像素数，根据拍摄时间间隔△T计算天空中每个散射点的平均旋转角速度ω_i；

步骤(2)、遍历找到图像中平均旋转角速度ω_i为15度/小时的北极点P，根据图像式偏振传感器相机成像模型与相机安装矩阵，确定载体系b下北极点P矢量p^b；

步骤(3)、根据偏振角

确定天空中各散射点的E矢量e_i，构造载体系b下E矢量矩阵E^b，计算载体系b下太阳矢量s^b；

步骤(4)、根据地理系n下的北极点矢量pⁿ,和载体系b下的北极点矢量p^b，以及地理系n下的太阳矢量sⁿ,和载体系b下的太阳矢量s^b，计算姿态转移矩阵

以此完成静基座初始对准；

所述步骤(4)中，姿态转移矩阵

计算公式为：

pⁿ为地理系n下北极点矢量，具体为：

pⁿ＝[0 cosL sinL]^T,

其中，L为当地纬度；

sⁿ为地理系n下太阳矢量，具体为：

其中，

为太阳高度角，

为太阳方位角，太阳高度角和方位角均能够由天文年历计算得到。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，其特征在于：

所述步骤(2)中，若遍历找到的北极点P在图像坐标系中的坐标为(x_p,y_p)，根据图像式偏振传感器相机成像模型与相机安装矩阵，载体系b下北极点矢量p^b表示为：

p^b＝[sinγ_pcosα_p sinγ_psinα_p cosγ_p]^T,

其中，α_p,γ_p分别为北极点P的在相机坐标系下的观测方位角与高度角，由下式计算得到：

tanα_p＝(y_p-c_y)/(x_p-c_x)

式中，c_x,c_y为图像式偏振传感器镜头光轴在图像中的投影坐标，f为相机焦距，上述参数c_x,c_y,f通过相机标定得到。

3.根据权利要求1所述的一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，其特征在于：

所述步骤(3)中，天空中各散射点的E矢量e_i由偏振角

来表示：

载体系b下E矢量矩阵E^b具体为：

式中，m为图像式偏振传感器像素点个数，

由天空中各散射点的E矢量e_i经过以下转换得到：

其中：

tanα_i＝(y_i-c_y)/(x_i-c_x),

式中，α_i,γ_i分别为各散射点在相机坐标系下的观测方位角与高度角，x_i,y_i为天空中各散射点的E矢量e_i在图像坐标系的像素坐标，c_x,c_y为图像式偏振传感器镜头光轴在图像中的投影坐标，f为相机焦距，上述参数c_x,c_y,f通过相机标定得到；

载体系b下太阳矢量s^b的解为矩阵[(E^b)(E^b)^T]_3×3的最小特征值所对应的特征向量。

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