CN110887477A - 一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的自主定位方法 - 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自主定位方法，将图像式偏振传感器水平放置，采集全天空区域偏振图像，计算得到天空中各个方向散射点偏振角及E矢量；多次重复上述步骤操作，根据每两次拍摄时间间隔计算天空中各散射点旋转角速度，遍历找到所拍摄的偏振图像中的旋转角速度为15度/小时的北极点，计算载体系下北极点高度角；根据E矢量垂直于太阳矢量的关系，构造载体系下E矢量矩阵，计算载体系下太阳高度角；由北极点高度角确定载体纬度，根据太阳高度角并结合太阳天文年历最终确定经度。本发明利用天空偏振光计算得到的太阳矢量和北极点矢量确定载体地理位置，相比传统天文导航方法计算过程更为简便，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自主定位方法

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自主定位方法，适用于海上舰船或地面车辆、无人系统的自主导航定位。

背景技术

从大航海时代开始，人们就开始使用指南针、六分仪等工具确定自己的航向与位置。进入现代以来，导航定位技术逐渐成为航空、航海、航天等领域的共性关键技术。目前，卫星导航是最常见的全球定位技术，然而在复杂电磁干扰环境下易受到干扰，无法正常定位。

近年来，科研人员从沙蚁、帝王蝶等昆虫利用天空偏振光导航的本领中受到启发，逐渐将偏振光导航发展成为一种新型的导航方式。偏振光导航不但可以确定载体的姿态，还可以用来定位。目前，通过天空偏振光信息确定载体位置的方法有：已授权中国专利CN201310037586.4《基于偏振光仿生导航的定位系统的定位方法》，定位过程需要长时间的偏振观测，无法实现实时定位；已授权中国专利CN201410088363.5《一种基于多方向偏振光导航传感器的定位系统》，其定位过程中需要借助外部罗盘，在载体航向不确定的情况下无法实现自主定位。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有天空偏振光定位技术的不足，提出一种全自主的偏振光定位方法，不需要借助其他手段解决载体自主定位问题。

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自主定位方法，包括如下步骤：

步骤(1)、将图像式偏振传感器水平放置，采集全天空区域偏振图像，计算得到天空中各个方向散射点偏振角

i＝1,2,3,…,n及E矢量e_i,i＝1,2,3,…,n，n为图像式偏振传感器像素数；

步骤(2)、多次重复步骤(1)操作，根据每两次拍摄时间间隔计算天空中各散射点旋转角速度ω_i，遍历找到所拍摄的偏振图像中的旋转角速度为15度/小时的点坐标(x_p,y_p)，该点即为北极点P，计算载体系下北极点高度角

步骤(3)、根据E矢量垂直于太阳矢量的关系，构造载体系下E矢量矩阵E^b，计算载体系下太阳高度角

步骤(4)、由北极点高度角

确定载体纬度Lat，根据太阳高度角

并结合太阳天文年历最终确定经度Lon。

进一步的，所述步骤(1)中，天空中各散射点的在图像坐标系下的E矢量e_i为：

其中，

为偏振角。

进一步的，所述步骤(2)中，若遍历找到的北极点P在偏振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，载体系下北极点高度角

为：

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由相机标定得到。

进一步的，所述步骤(3)中，载体系下E矢量矩阵E^b具体为：

式中，n为图像式偏振传感器像素数，

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由相机标定得到；

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；设计算得到的载体系b下太阳矢量s^b为[x y z]^T,则载体系下太阳高度角

为arcsin(z)。

进一步的，所述步骤(4)中，北极点高度角

即为载体纬度Lat，载体经度Lon为：

式中，δ为太阳赤纬，GHA为太阳格林时角，通过查询天文年年历得到。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明不需要借助其他手段确定载体航向，仅利用太阳矢量及北极点的高度角信息，在航向不确定的情况下仍能进行定位。

(2)相比以往的天空偏振光定位方法，可以直接利用北极点高度角信息快速确定载体纬度，实施简单、计算量小。

附图说明

图1为本发明方法实现流程图；

图2为本发明所述的定位方法具体示意图。

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。

根据本发明的一个实施例，本发明的方法适用于海上舰船或地面车辆、无人系统等载体的自主导航定位，载体上安装有图像式偏振传感器。

如图1所示，本发明的具体实现步骤如下：

步骤(1)将图像式偏振传感器水平放置，采集全天空区域偏振图像，计算得到天空中各个方向散射点偏振角

i＝1,2,3,…,n及E矢量e_i,i＝1,2,3,…,n，n为图像式偏振传感器像素数；

步骤(2)多次重复步骤(1)操作，根据每两次拍摄时间间隔计算天空中各散射点旋转角速度ω_i，遍历找到所拍摄的偏振图像中的旋转角速度为15度/小时(即15°/h)的点坐标(x_p,y_p)，该点即为北极点P，计算载体系下北极点高度角

步骤(3)根据E矢量垂直于太阳矢量的关系，构造载体系下E矢量矩阵E^b，计算载体系下太阳高度角

步骤(4)由北极点高度角

确定载体纬度Lat，根据太阳高度角

并结合太阳天文年历最终确定经度Lon。

所述步骤(1)中，天空中各散射点的在图像坐标系下的E矢量e_i为

其中，

为偏振角。

所述步骤(2)中，若遍历找到的北极点P在偏振图像坐标系中的坐标为(x_p,y_p)，根据事先标定好的图像式偏振传感器相机成像模型与相机安装矩阵，载体系下北极点高度角

为：

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可由相机标定得到。

所述步骤(3)中，载体系下E矢量矩阵E^b具体为：

式中，n为图像式偏振传感器像素数，

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可由相机标定得到；

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；设计算得到的载体系b下太阳矢量s^b为[x y z]^T,则载体系下太阳高度角

为arcsin(z)。

所述步骤(4)中，北极点高度角

即为载体纬度Lat，载体经度Lon为：

式中，δ为太阳赤纬，GHA为太阳格林时角，通过查询天文年年历得到。

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 (5)

1.一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的自主定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、将图像式偏振传感器水平放置，采集全天空区域偏振图像，计算得到天空中各个方向散射点偏振角

及E矢量e_i,i＝1,2,3,…,n，n为图像式偏振传感器像素数；

步骤(2)、多次重复步骤(1)操作，根据每两次拍摄时间间隔计算天空中各散射点旋转角速度ω_i，遍历找到所拍摄的偏振图像中的旋转角速度为15度/小时的点坐标(x_p,y_p)，该点即为北极点P，计算载体系下北极点高度角

步骤(3)、根据E矢量垂直于太阳矢量的关系，构造载体系下E矢量矩阵E^b，计算载体系下太阳高度角

步骤(4)、由北极点高度角

确定载体纬度Lat，根据太阳高度角

并结合太阳天文年历最终确定经度Lon。

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自主定位方法，其特征在于：

所述步骤(1)中，天空中各散射点的在图像坐标系下的E矢量e_i为：

其中，

为偏振角。

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自主定位方法，其特征在于：

所述步骤(2)中，若遍历找到的北极点P在偏振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，载体系下北极点高度角

为：

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由相机标定得到。

4.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自主定位方法，其特征在于：

所述步骤(3)中，载体系下E矢量矩阵E^b具体为：

式中，n为图像式偏振传感器像素数，

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由相机标定得到；

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；设计算得到的载体系b下太阳矢量s^b为[x y z]^T,则载体系下太阳高度角

为arcsin(z)。

5.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自主定位方法，其特征在于：

所述步骤(4)中，北极点高度角

即为载体纬度Lat，载体经度Lon为：

式中，δ为太阳赤纬，GHA为太阳格林时角，通过查询天文年年历得到。

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