CN111595329B - 一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法，首先，由月光大气偏振传感器获取夜间天空月光的偏振度和偏振方位角信息；其次，根据天空各点月光偏振度均值确定偏振度阈值并筛选出可用于计算的天空观测点；接着利用夜间天空月光的偏振度和偏振方位角解算出当前时刻的月亮高度角；最后使用两个固定时间间隔的月亮高度角计算出载体位置。该方法具有夜间自主定位能力，增强了偏振定位技术全天时工作的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法，可在夜间环境下利用月光偏振信息实现自主定位。本发明不依赖卫星信号和其他电磁信号，是一种无源自主定位方式，可应用于地面机器人、无人机、舰船等载体，提高其夜间环境下的自主定位能力。
背景技术
对载体进行定位是实现导航的基础。目前，对载体的定位技术应用最多的是卫星导航，其可以获取载体的绝对位置，提供精确的载体经纬度信息和高度信息等，但是极易受到电磁干扰导致卫星信号失锁，难以在复杂电子对抗环境下持续稳定地为载体提供定位信息。
近年来，随着对大气偏振光的研究，科研人员发现大气偏振模式在一定时间内始终处于一种相对稳定的状态，可以作为偏振罗盘使用。自然界中的许多昆虫和动物如沙蚁、帝王蝶和鸽子等都可以在白天利用偏振太阳光辅助导航，蜣螂等昆虫可以在夜间利用偏振月光辅助导航。科研人员进一步的研究发现，偏振罗盘不仅可以为载体提供姿态信息，也可以为载体提供位置信息。
现如今基于偏振信息实现载体定位的方法有：已授权中国专利CN201611041702.X《一种基于单中性点模型的天空偏振定位方法》需要先利用GPS和全站仪测得偏振传感器的姿态信息才可以解算出载体的位置信息。在复杂电磁干扰环境下GPS信号极易失锁，导致无法工作。已授权中国专利CN201410012966.7《一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法》利用天空偏振光分布模式计算出太阳高度角和方位角，和理论值进行匹配后得出载体位置。该方法需要预先建立偏振方位角和偏振度数据库，工作量大。论文《一种偏振光自定位方法的分析及实现》需要借助电子罗盘测量载体航向角，容易受到电磁干扰导致无法工作。同时，以上专利和论文只能在白天环境下通过提取太阳光大气偏振模式使用，无法在夜间环境下利用月光的大气偏振模式实现自主定位。
发明内容
本发明要解决的问题是:克服现有偏振定位技术只能在白天基于太阳光的大气偏振模式实现载体定位，无法全天时工作的缺陷。通过在夜间环境下静止测量两个间隔固定时刻的月光大气偏振模式，计算得到月亮高度角，借助天文导航中的双星定位原理可以计算得到载体的经纬度信息，从而确定载体位置。该方法可以在夜间工作，增强了偏振导航技术的自主性和全天时性。
本发明的技术解决方案为：一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法，其实现步骤如下：
(1)通过月光大气偏振传感器获取多组夜间天空观测点的月光偏振度di和偏振方位角
i＝1,2,...,n，n为传感器能够测得的天空观测点总数，然后根据各天空观测点月光偏振度均值设定偏振度阈值dt，筛选出偏振度大于阈值dt的天空观测点偏振信息用于下一步计算，这些筛选后的天空观测点的偏振度和偏振方位角分别记为dj和
j＝1,2,...,N，N为筛选后能用于计算的天空点观测点总数，N＜n，完成月光偏振信息初始化；
(2)在载体坐标系b系下，建立筛选后各天空观测点散射月光的偏振e矢量
与月亮矢量mb方向的垂直关系：
利用步骤(1)筛选出的天空观测点偏振度dj和偏振方位角
解算出载体系下的月亮高度角
通过陀螺仪测量出载体姿态并获取姿态转换矩阵
后，将载体系下的月亮高度角
转换为地理系t系下的月亮高度角
完成月亮高度角信息初始化；
(3)月亮高度角信息初始化完成后，提取地理系下两个不同时刻的月亮高度角
和
然后通过天文年历分别求出这两个时刻的月亮格林时角GHA和GHA'，地方时角LHA和LHA'，完成载体定位信息预提取；
(4)将两个不同时刻的月亮作为两颗星体，利用天文导航双星定位原理，计算出载体的经度λ和纬度φ。
进一步的，所述步骤(1)中，将月光大气偏振传感器静止放置，然后连续采样预定时间ΔT，分别获取多组夜间天空观测点的月光偏振度di和偏振方位角
i＝1,2,...,n，n为传感器能够测得的天空观测点总数；首先需对测得的天空观测点按偏振度大小进行筛选，先设定偏振度阈值dt，偏振度阈值dt由所有观测点的偏振度取平均值得到，即：
确定偏振度阈值dt后，将小于该阈值dt的天空观测点剔除，将剩余天空观测点的偏振度dj和偏振方位角
保留，j＝1,2,...,N，N为筛选后能够用于计算的天空点观测点总数，N＜n。
进一步的，所述步骤(2)中，载体坐标系b系中，天空中每一点散射月光的偏振e矢量
方向都垂直于月亮矢量mb方向，即:
j＝1,......,N，N为步骤(1)筛选后的能用天空观测点总数；求
最小特征值所对应的特征向量，其最优解即为月亮矢量mb，将偏振度dj作为权值ωj加入到该式
中，即为：
求
最小特征值和特征向量，求出的特征向量即为月亮矢量mb，从月亮矢量mb中取出载体系下的月亮高度角
通过陀螺仪测得载体的姿态角，获取姿态转换矩阵
即可将载体系下的月亮高度角
转换为地理系下的月亮高度角
进一步的，所述步骤(3)中，偏振信息和月亮高度角信息初始化完成后，继续进行测量，取出t1时刻初始化的月亮高度角
和t1+△t时刻测量并计算出的月亮高度角
其中，0＜△t＜△T；并结合此时的时间信息，根据天文年历查询这两个时刻的月亮格林时角GHA和GHA’，然后计算这两个时刻包含经度信息的地方时角LHA和LHA':
LHA＝λ+GHA
LHA'＝λ+GHA'
其中，λ为载体所处的经度。
进一步的，所述步骤(4)中，利用天文导航中同时观测两颗天体的位置能够确定载体的经纬度的原理，选取单一星体月亮作为观测对象，选取相隔固定时间间隔Δt的两个时刻t1和t1+△t，以t1时刻和t1+△t时刻月亮位置作为假想的两颗天体，联立并求解下列两式获取载体以经纬度表示的位置：
其中，
和
分别是t1时刻和t1+△t时刻的月亮高度角，φ是载体所在的纬度，DEC和DEC'是第一个时刻t1和第二个时刻t1+△t的月亮赤纬角，LHA和LHA’是由步骤(3)计算出的t1时刻和t1+△t时刻的月亮地方时角；两式联立解出载体的经纬度，从而确定载体位置，完成载体自主定位。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可以在夜间环境下基于观测月光大气偏振模式实现自主定位，将偏振定位技术推广到夜间环境，提升了偏振定位技术的全天时性能。本发明只需要计算两个不同时刻的月亮高度角即可解算出载体的位置，不需要月亮方位角信息，无需有源器件辅助，提高了载体定位的自主性和抗干扰性。
附图说明
图1为本发明的设计流程图；
图2为本发明所述的定位方法原理示意图。
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：
(1)通过月光大气偏振传感器获取多组夜间天空观测点的月光偏振度di和偏振方位角
i＝1,2,...,n，n为传感器能够测得的天空观测点总数，然后根据各天空观测点月光偏振度均值设定偏振度阈值dt，筛选出偏振度大于阈值dt的天空观测点偏振信息用于下一步计算，这些筛选后的天空观测点的偏振度和偏振方位角分别记为dj和
j＝1,2,...,N，N为筛选后能用于计算的天空点观测点总数，N＜n，完成月光偏振信息初始化；
(2)在载体坐标系b系下，建立筛选后各天空观测点散射月光的偏振e矢量
与月亮矢量mb方向的垂直关系：
利用步骤(1)筛选出的天空观测点偏振度dj和偏振方位角
解算出载体系下的月亮高度角
通过陀螺仪测量出载体姿态并获取姿态转换矩阵
后，将载体系下的月亮高度角
转换为地理系t系下的月亮高度角
完成月亮高度角信息初始化；
(3)月亮高度角信息初始化完成后，提取地理系下两个不同时刻的月亮高度角
和
然后通过天文年历分别求出这两个时刻的月亮格林时角GHA和GHA'，地方时角LHA和LHA'，完成载体定位信息预提取；
(4)将两个不同时刻的月亮作为两颗星体，利用天文导航双星定位原理，计算出载体的经度λ和纬度φ。
所述步骤(1)中，将月光大气偏振传感器静止放置，然后连续采样预定时间ΔT，分别获取多组夜间天空观测点的月光偏振度di和偏振方位角
i＝1,2,...,n，n为传感器能够测得的天空观测点总数；首先需对测得的天空观测点按偏振度大小进行筛选，先设定偏振度阈值dt，偏振度阈值dt由所有观测点的偏振度取平均值得到，即：
确定偏振度阈值dt后，将小于该阈值dt的天空观测点剔除，将剩余天空观测点的偏振度dj和偏振方位角
保留，j＝1,2,...,N，N为筛选后能够用于计算的天空点观测点总数，N＜n。
所述步骤(2)中，载体坐标系b系中，天空中每一点散射月光的偏振e矢量
方向都垂直于月亮矢量mb方向，即:
j＝1,......,N，N为步骤(1)筛选后的能用天空观测点总数；求
最小特征值所对应的特征向量，其最优解即为月亮矢量mb，将偏振度dj作为权值ωj加入到该式
中，即为：
求
最小特征值和特征向量，求出的特征向量即为月亮矢量mb，从月亮矢量mb中取出载体系下的月亮高度角
通过陀螺仪测得载体的姿态角，获取姿态转换矩阵
即可将载体系下的月亮高度角
转换为地理系下的月亮高度角
所述步骤(3)中，偏振信息和月亮高度角信息初始化完成后，继续进行测量，取出t1时刻初始化的月亮高度角
和t1+△t时刻测量并计算出的月亮高度角
其中，0＜△t＜△T；并结合此时的时间信息，根据天文年历查询这两个时刻的月亮格林时角GHA和GHA’，然后计算这两个时刻包含经度信息的地方时角LHA和LHA':
LHA＝λ+GHA
LHA'＝λ+GHA'
其中，λ为载体所处的经度。
所述步骤(4)中，利用天文导航中同时观测两颗天体的位置能够确定载体的经纬度的原理，选取单一星体月亮作为观测对象，选取相隔固定时间间隔Δt的两个时刻t1和t1+△t，以t1时刻和t1+△t时刻月亮位置作为假想的两颗天体，原理如图2所示，以t1时刻为例，地球质心为O，天球的北天极为P，月亮所在位置为M，载体位置为Z，其中，北天极、月亮和载体三者构成一个球面三角形，三条边分别为赤纬的余角90°-DEC，月亮天顶角
和载体纬度的余角90°-φ，步骤(3)中得到地方时角LHA后，应用球面三角中边的余弦定理，则有：
化简后可得，
同理，将t1+△t时刻的球面三角形应用球面三角中边的余弦定理，也可以得到类似等式。
联立并求解下列两式获取载体以经纬度表示的位置：
其中，
和
分别是t1时刻和t1+△t时刻的月亮高度角，φ是载体所在的纬度，DEC和DEC'是第一个时刻t1和第二个时刻t1+△t的月亮赤纬角，LHA和LHA’是由步骤(3)计算出的t1时刻和t1+△t时刻的月亮地方时角；两式联立解出载体的经纬度，从而确定载体位置，完成载体自主定位。
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 (4)
1.一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法，其特征在于，实现步骤如下：
(1)通过月光大气偏振传感器获取多组夜间天空观测点的月光偏振度di和偏振方位角
n为传感器能够测得的天空观测点总数，然后根据各天空观测点月光偏振度均值设定偏振度阈值dt，筛选出偏振度大于阈值dt的天空观测点偏振信息用于下一步计算，这些筛选后的天空观测点的偏振度和偏振方位角分别记为dj和
N为筛选后能用于计算的天空点观测点总数，N<n，完成月光偏振信息初始化；
(2)在载体坐标系b系下，建立筛选后各天空观测点散射月光的偏振e矢量
与月亮矢量mb方向的垂直关系：
利用步骤(1)筛选出的天空观测点偏振度dj和偏振方位角
解算出载体系下的月亮高度角
通过陀螺仪测量出载体姿态并获取姿态转换矩阵
后，将载体系下的月亮高度角
转换为地理系t系下的月亮高度角
完成月亮高度角信息初始化；
(3)月亮高度角信息初始化完成后，提取地理系下两个不同时刻的月亮高度角
和
然后通过天文年历分别求出这两个时刻的月亮格林时角GHA和GHA'，地方时角LHA和LHA'，完成载体定位信息预提取；
(4)将两个不同时刻的月亮作为两颗星体，利用天文导航双星定位原理，计算出载体的经度λ和纬度φ。
2.根据权利要求1所述的一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体实现如下：
将月光大气偏振传感器静止放置，然后连续采样预定时间ΔT，分别获取多组夜间天空观测点的月光偏振度di和偏振方位角
首先需对测得的天空观测点按偏振度大小进行筛选，先设定偏振度阈值dt，偏振度阈值dt由所有观测点的偏振度取平均值得到，即：
确定偏振度阈值dt后，将小于该阈值dt的天空观测点剔除，将剩余天空观测点的偏振度dj和偏振方位角
保留，j＝1,2,...,N。
3.根据权利要求1所述的一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体实现如下：
载体坐标系b系中，天空中每一点散射月光的偏振e矢量
方向都垂直于月亮矢量mb方向，即:
求
最小特征值所对应的特征向量，其最优解即为月亮矢量mb，将偏振度dj作为权值ωj加入到该式
中，即为：
求
最小特征值和特征向量，求出的特征向量即为月亮矢量mb，从月亮矢量mb中取出载体系下的月亮高度角
通过陀螺仪测得载体的姿态角，获取姿态转换矩阵
即将载体系下的月亮高度角
转换为地理系下的月亮高度角
λ为载体的经度。
4.根据权利要求1所述的一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体实现如下：
偏振信息和月亮高度角信息初始化完成后，继续进行测量，取出t1时刻初始化的月亮高度角
和t1+△t时刻测量并计算出的月亮高度角
其中，0<△t<△T；并结合此时的时间信息，根据天文年历查询这两个时刻的月亮格林时角GHA和GHA’，然后计算这两个时刻包含经度信息的地方时角LHA和LHA':
LHA＝λ+GHA
LHA'＝λ+GHA'
其中，λ为载体所处的经度。
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