CN111412916B - 一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，属于仿生偏振光导航领域，适用于从海上大气偏振光场图中提取有效的航海导航定位信息。本发明方法结合偏振光导航技术和航海天文知识，利用三维电子罗盘、成像式偏振传感器、光流传感器，得到偏振方位角图和偏振度图，构成海上大气偏振光场图，采用大气偏振光场信息融合方法，将偏振方位角图和偏振度图进行信息融合，结合鱼眼镜头成像理论，计算得到太阳高度角，根据解析式太阳移线法，结合航向航程，计算得到船只所在的经纬度。该航海导航定位方法，具有测量范围广、鲁棒性强、导航精度高，且能够充分利用天空偏振方位角和偏振度信息的优点。

Description

一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法

技术领域

本发明涉及仿生偏振光导航技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法。

背景技术

当太阳光经过大气层时，大气中的气体分子和气溶胶粒子等成分使入射光发生散射和吸收等作用，使得天空中形成随时间、空间相对稳定分布的大气偏振光场。自然界中的沙蚁、蜜蜂、蝗虫、螳螂虾等生物，能利用它们独特的眼部结构，感知并利用大气的偏振光场。生物的这种偏振视觉现象启发了学者们利用大气偏振光场实现导航定位的仿生技术研究。仿生偏振光导航技术具有抗干扰性强、不累积误差、隐蔽性强等特点，适用于复杂环境下的长时间、远距离的导航，在航海导航领域具有广阔的前景。

传统的天文航海技术，是在某一时刻，利用六分仪等仪器对星体方位高度进行测量，通过测量不同时刻的两条天文船位线的交点，求得船位坐标，实现定位。但现代远洋船舶航速达二、三十海里，而传统的绘制时间需要三十分钟，无法实现实时的高精度定位，且在海上有雾、多云等天气条件下，雾、云层等干扰源对观测者造成很大影响，这使得六分仪的适用性有限且精度不高。

而偏振作为光学信息的第四维特征，有“弱光强化、强光弱化”的特点，天空光随太阳高度角的变化，呈现出稳定的实时偏振分布。因此将偏振场模式图作为偏振导航的信息源，结合传统的天文航海技术，可以实现测量范围广、鲁棒性强、导航精度高的实时导航定位。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法。本发明主要通过对天空中的偏振光场信息进行成像测量，识别太阳偏振子午线等偏振信息特征，结合偏振图像和鱼眼镜头成像理论实现太阳高度角的精确计算，进而绘制船位线并实现船位的经纬度计算。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，包括如下步骤：

S1、校准大气偏振光场，采用专用夹具将成像式偏振传感器固定于船只，利用三维电子罗经盘实时测量成像式偏振传感器水平基准面的翻滚角γ、俯仰角ζ和航向角α；

S2、测量大气偏振光场：使用成像式偏振传感器进行测量，得到偏振方位角图和偏振度图，构成T1时刻的海上大气偏振光场图；同理，测量得到T2时刻的海上大气偏振光场图；

S3、采用大气偏振光场信息融合方法，将偏振方位角图和偏振度图进行信息融合，利用设定阈值从偏振方位角图中分割出太阳偏振子午线候选区域，利用设定阈值从偏振度图中分割出太阳偏振环候选区域；

S4、根据天空偏振场的对称性计算所述太阳偏振子午线候选区域和太阳偏振环候选区域的重合区域像素形心坐标；根据鱼眼镜头成像原理，计算T1、时刻的太阳高度角；同理，计算T2时刻的太阳高度角；

S5、根据T1时刻推测地理坐标E₀，结合所述计算得到的T1时刻的太阳高度角，在海图坐标系中绘制T1时刻的船位线；根据三维电子罗经盘获取航向信息，根据光流传感器获取速度信息，通过速度积分获取航向航程，计算得到T2时刻的推测地理坐标E₁；结合所述计算得到的T2时刻的太阳高度角，在海图坐标系中绘制T2时刻的船位线；采用太阳移线解析法求得船只所在的经纬度。

进一步地，所述步骤S1中成像式偏振传感器的0角度参考方向与船体轴线水平重合。

进一步地，所述翻滚角γ、俯仰角ζ用于补偿图像误差，补偿太阳高度角为Δh，补偿公式如下：

进一步地，所述步骤S2具体为：

S31、在偏振方位角图中，通过将阈值ε₁设置为0.1°，将偏振方位角ψ为90°-ε₁≤ψ≤90°和-90°≤ψ≤-90°+ε₁的区域分割出来，赋予灰度值A，定义为太阳偏振子午线候选区域；

S32、在偏振度图中，通过将阈值ε₂设置为0.1，将偏振度d为0.05≤d≤0.05+ε₂的区域分割出来，赋予灰度值A，定义为太阳偏振环候选区域。

进一步地，所述步骤S4具体为：

S41、使用像素形心公式计算太阳偏振子午线候选区域和太阳偏振环候选区域重合区域的形心坐标

定义为理论太阳位置p₂，像素形心公式如下：

其中，x_i代表像素值为A_i的横坐标，y_i代表像素值为A_i的纵坐标，则理论太阳位置p₂相对于图像中心的欧式距离r为：

m为图像中心横坐标，n为图像中心纵坐标；

S42、根据鱼眼镜头成像原理，计算T1时刻的太阳高度角h₁如下：

其中，f为鱼眼镜头的焦距，Δr为鱼眼镜头的成像误差，Δh为补偿太阳高度角；

S43、同理，计算T2时刻的太阳高度角。

进一步地，所述步骤S5具体为：

S51、计算太阳高度角的差值：在地球坐标系下，G为太阳直射点，N、S分别为地球南北极，T1时刻的推测地理坐标

T2时刻的推测地理坐标/>

在天文三角形NGE₀中，通过球面三角形边的余弦公式，推算高度角h_C1得到：

其中，δ表示观测太阳赤纬，t表示子午圈角；

S52、通过球面三角形边的余弦公式，推算太阳方位角A_C1，如下所示：

S53、同理，计算得到T2时刻的推算高度角h_C2、太阳方位角A_C2，如下所示：

S54、在海上大气偏振光场图上以T1时刻的推测地理坐标

为原点，以此时刻的地理正东为横轴正方向，建立笛卡尔直角坐标系；

S55、通过电子罗盘测得的航向角α和光流传感器测得的速度值v，获取实际的航向航程，根据推算高度角h_C1的公式，计算T2时刻的推测地理坐标

S56、根据上述计算得到的T1、T2时刻的太阳高度角与T1、T2时刻的推算高度角的差值以及T1、T2时刻的太阳方位角，计算得到特征点

和/>

的坐标：

S57、分别过K₁和K₂作E₁K₁和E₂K₂的垂线，即为T1、T2时刻的船位线Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ，船位线Ⅱ-Ⅱ公式如下：

η-η₂＝-tanA_c2(φ-φ₂)

S58、利用T2时刻的推测地理坐标点E₂为参考，简化移线操作，绘制出T1时刻的船位线Ⅰ-Ⅰ的参考移线Ⅰ′-Ⅰ′，公式如下所示：

η-η₃＝-tanA_c1(φ-φ₃)

S59、计算参考移线Ⅰ′-Ⅰ′和T2时刻的船位线Ⅱ-Ⅱ的交点M，即为船只所在的经纬度

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，结合偏振光导航技术和航海天文知识，利用三维电子罗盘、成像式偏振传感器、光流传感器，得到偏振方位角图和偏振度图，构成海上大气偏振光场图，采用大气偏振光场信息融合方法，将偏振方位角图和偏振度图进行信息融合，结合鱼眼镜头成像理论，计算得到太阳高度角，根据解析式太阳移线法，结合航向航程，计算得到船只所在的经纬度。该航海导航定位方法，具有测量范围广、鲁棒性强、导航精度高，且能够充分利用天空偏振方位角和偏振度信息的优点。

基于上述理由本发明可在仿生偏振光导航等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图。

图2(a)为本发明中用于计算理论太阳位置的偏振方位角图。

图2(b)为本发明中用于计算理论太阳位置的偏振度图。

图3(a)为本发明的偏振方位角图中的太阳偏振子午线候选区域。

图3(b)为本发明的偏振度图中太阳偏振环候选区域。

图4为本发明的太阳偏振子午线候选区域和太阳偏振环候选区域的重合区域，其中图中十字坐标点代表理论太阳位置p2，实心坐标点代表图像中心点O。

图5为本发明的鱼眼镜头的成像原理图。

图6为本发明的解析式太阳移线法示意图。

图7为本发明的解析式太阳移线法的天文三角形示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明的成像式偏振传感器由CMOS成像单元、偏振片、鱼眼镜头组成。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)成像单元上方分别设置相对于参考轴0°、45°、90°、135°四个不同方向的偏振片，偏振片上方设置鱼眼镜头。

如图1所示，本发明提供了一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，包括如下步骤：

S1、校准大气偏振光场，采用专用夹具将成像式偏振传感器固定于船只，利用三维电子罗经盘实时测量成像式偏振传感器水平基准面的翻滚角γ、俯仰角ζ和航向角α；

进一步地，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中成像式偏振传感器的0角度参考方向与船体轴线水平重合。

进一步地，作为本发明优选的实施方式，所述翻滚角γ、俯仰角ζ用于补偿图像误差，补偿太阳高度角为Δh，补偿公式如下：

S2、测量大气偏振光场：使用成像式偏振传感器进行测量，计算偏振方位角和偏振度，构成T1时刻的海上大气偏振光场图；同理，测量得到T2时刻的海上大气偏振光场图；

作为本发明优选的实施方式，计算偏振方位角和偏振度具体如下：

S21、在成像平面上，设β为偏振片的相对于参考轴的角度，则观测得到的天空光强为：

S22、通过四个不同角度测量，可求得斯托克斯矢量的I、Q、U、V四个分量。其中I是成像单元上方的天空光强，Q是0°方向偏振分量的光强，U是45°方向偏振分量光强，V是圆偏振分量光强。偏振度d和偏振方位角ψ公式如下：

S23、实际测量中，V分量很小，可忽略不计。通过对四个角度的同时测量，将0°、45°、90°、135°带入天空光强的公式中，计算得到：

S24、将上式化简可得：

S25、将计算得到的I、Q、U带入偏振度d和偏振方位角ψ的公式中，得出偏振方位角ψ和偏振度d处理结果如图2(a)和图2(b)。

S3、采用大气偏振光场信息融合方法，将偏振方位角图和偏振度图进行信息融合，利用设定阈值从偏振方位角图中分割出太阳偏振子午线候选区域，利用设定阈值从偏振度图中分割出太阳偏振环候选区域；

进一步地，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3具体为：

S31、在偏振方位角图中，通过将阈值ε₁设置为0.1°，将偏振方位角ψ为90°-ε₁≤ψ≤90°和-90°≤ψ≤-90°+ε₁的区域分割出来，赋予灰度值A，定义为太阳偏振子午线候选区域；如图3(a)所示。

S32、在偏振度图中，通过将阈值ε₂设置为0.1，将偏振度d为0.05≤d≤0.05+ε₂的区域分割出来，赋予灰度值A，定义为太阳偏振环候选区域，如图3(b)所示。

S4、根据天空偏振场的对称性计算所述太阳偏振子午线候选区域和太阳偏振环候选区域的重合区域像素形心坐标；根据鱼眼镜头成像原理，计算T1、时刻的太阳高度角；同理，计算T2时刻的太阳高度角；

进一步地，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S4具体为：

S41、使用像素形心公式计算太阳偏振子午线候选区域和太阳偏振环候选区域重合区域的形心坐标

定义为理论太阳位置p₂，像素形心公式如下：

其中，x_i代表像素值为A_i的横坐标，y_i代表像素值为A_i的纵坐标，则理论太阳位置p₂相对于图像中心的欧式距离r为：

m为图像中心横坐标，n为图像中心纵坐标；图4为本发明的太阳偏振子午线候选区域和太阳候环选区域的重合区域，其中，图中十字坐标点代表理论太阳位置p₂。

S42、如图5所示，根据鱼眼镜头成像原理，考虑鱼眼镜头的成像误差Δr和校准补偿角度Δh，由直角三角形的正切公式，计算T1时刻的太阳高度角h₁如下：

其中，f为鱼眼镜头的焦距，Δr为鱼眼镜头的成像误差，Δh为补偿太阳高度角；

S43、同理，计算T2时刻的太阳高度角。根据天文航海导航原理，将成像式偏振传感器获取的T1、T2两个不同时刻的太阳高度角作为导航信息源。

S5、根据T1时刻推测地理坐标E₀，结合所述计算得到的T1时刻的太阳高度角，在海图坐标系中绘制T1时刻的船位线；根据三维电子罗经盘获取航向信息，根据光流传感器获取速度信息，通过速度积分获取航向航程，计算得到T2时刻的推测地理坐标E₁；结合所述计算得到的T2时刻的太阳高度角，在海图坐标系中绘制T2时刻的船位线；采用太阳移线解析法求得船只所在的经纬度。

进一步地，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S5具体为：

S51、计算太阳高度角的差值：在地球坐标系下，如图6所示，G为太阳直射点，N、S分别为地球南北极，T1时刻的推测地理坐标

T2时刻的推测地理坐标/>

在天文三角形NGE₀中，通过球面三角形边的余弦公式，推算高度角h_C1得到：

其中，δ表示观测太阳赤纬，t表示子午圈角；两个参数均可根据观测时刻，通过天文历查询求得。

S52、通过球面三角形边的余弦公式，推算太阳方位角A_C1，如下所示：

S53、同理，计算得到T2时刻的推算高度角h_C2、太阳方位角A_C2，如下所示：

S54、在海上大气偏振光场图上以T1时刻的推测地理坐标

为原点，以此时刻的地理正东为横轴正方向，建立笛卡尔直角坐标系；如图7所示。

S55、通过电子罗盘测得的航向角α和光流传感器测得的速度值v，获取实际的航向航程，根据推算高度角h_C1的公式，计算T2时刻的推测地理坐标

S56、根据上述计算得到的T1、T2时刻的太阳高度角与T1、T2时刻的推算高度角的差值以及T1、T2时刻的太阳方位角，计算得到特征点

和/>

的坐标：

S57、分别过K₁和K₂作E₁K₁和E₂K₂的垂线，即为T1、T2时刻的船位线Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ，船位线Ⅱ-Ⅱ公式如下：

η-η₂＝-tanA_c2(φ-φ₂)

S58、利用T2时刻的推测地理坐标点E₂为参考，简化移线操作，绘制出T1时刻的船位线Ⅰ-Ⅰ的参考移线Ⅰ′-Ⅰ′，公式如下所示：

η-η₃＝-tanA_c1(φ-φ₃)

S59、计算参考移线Ⅰ′-Ⅰ′和T2时刻的船位线Ⅱ-Ⅱ的交点M，即为船只所在的经纬度

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、校准大气偏振光场，采用专用夹具将成像式偏振传感器固定于船只，利用三维电子罗经盘实时测量成像式偏振传感器水平基准面的翻滚角γ、俯仰角ζ和航向角α；

S2、测量大气偏振光场：使用成像式偏振传感器进行测量，得到偏振方位角图和偏振度图，构成T1时刻的海上大气偏振光场图；同理，测量得到T2时刻的海上大气偏振光场图；

S3、采用大气偏振光场信息融合方法，将偏振方位角图和偏振度图进行信息融合，利用设定阈值从偏振方位角图中分割出太阳偏振子午线候选区域，利用设定阈值从偏振度图中分割出太阳偏振环候选区域；

S4、根据天空偏振场的对称性计算所述太阳偏振子午线候选区域和太阳偏振环候选区域的重合区域像素形心坐标；根据鱼眼镜头成像原理，计算T1时刻的太阳高度角；同理，计算T2时刻的太阳高度角；

S5、根据T1时刻推测地理坐标E₁，结合所述计算得到的T1时刻的太阳高度角，在海图坐标系中绘制T1时刻的船位线；根据三维电子罗经盘获取航向信息，根据光流传感器获取速度信息，通过速度积分获取航向航程，计算得到T2时刻的推测地理坐标E₂；结合所述计算得到的T2时刻的太阳高度角，在海图坐标系中绘制T2时刻的船位线；采用太阳移线解析法求得船只所在的经纬度。

2.根据权利要求1所述的基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，其特征在于，所述步骤S1中成像式偏振传感器的0角度参考方向与船体轴线水平重合。

3.根据权利要求1所述的基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，其特征在于，所述翻滚角γ、俯仰角ζ用于补偿图像误差，补偿太阳高度角为Δh，补偿公式如下：

4.根据权利要求1所述的基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

S31、在偏振方位角图中，通过将阈值ε₁设置为0.1°，将偏振方位角ψ为90°-ε₁≤ψ≤90°和-90°≤ψ≤-90°+ε₁的区域分割出来，赋予灰度值A，定义为太阳偏振子午线候选区域；

S32、在偏振度图中，通过将阈值ε₂设置为0.1，将偏振度d为0.05≤d≤0.05+ε₂的区域分割出来，赋予灰度值A，定义为太阳偏振环候选区域。

5.根据权利要求1所述的基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

S41、使用像素形心公式计算太阳偏振子午线候选区域和太阳偏振环候选区域重合区域的形心坐标

定义为理论太阳位置p₂，像素形心公式如下：

其中，x_i代表像素值为A_i的横坐标，y_i代表像素值为A_i的纵坐标，则理论太阳位置p₂相对于图像中心的欧式距离r为：

m为图像中心横坐标，n为图像中心纵坐标；

S42、根据鱼眼镜头成像原理，计算T1时刻的太阳高度角h₁如下：

其中，f为鱼眼镜头的焦距，Δr为鱼眼镜头的成像误差，Δh为补偿太阳高度角；

S43、同理，计算T2时刻的太阳高度角。

6.根据权利要求1所述的基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

S51、计算太阳高度角的差值：在地球坐标系下，G为太阳直射点，N、S分别为地球南北极，T1时刻的推测地理坐标

T2时刻的推测地理坐标/>

在天文三角形NGE₀中，通过球面三角形边的余弦公式，推算高度角h_C1得到：

其中，δ表示观测太阳赤纬，λ表示子午圈角；

S52、通过球面三角形边的余弦公式，推算太阳方位角A_C1，如下所示：

S53、同理，计算得到T2时刻的推算高度角h_C2、太阳方位角A_C2，如下所示：

S54、在海上大气偏振光场图上以T1时刻的推测地理坐标

为原点，以此时刻的地理正东为横轴正方向，建立笛卡尔直角坐标系；

S55、通过电子罗经盘测得的航向角α和光流传感器测得的速度值v，获取实际的航向航程，根据推算高度角h_C1的公式，计算T2时刻的推测地理坐标

S56、根据上述计算得到的T1、T2时刻的太阳高度角与T1、T2时刻的推算高度角的差值以及T1、T2时刻的太阳方位角，计算得到特征点

和/>

的坐标：

S57、分别过K₁和K₂作E₁K₁和E₂K₂的垂线，即为T1、T2时刻的船位线Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ，船位线Ⅱ-Ⅱ公式如下：

S58、利用T2时刻的推测地理坐标点E₂为参考，简化移线操作，绘制出T1时刻的船位线Ⅰ-Ⅰ的参考移线Ⅰ′-Ⅰ′，公式如下所示：

η-η₃＝-tanA_c1(φ-φ₃)

S59、计算参考移线Ⅰ′-Ⅰ′和T2时刻的船位线Ⅱ-Ⅱ的交点M，即为船只所在的经纬度

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