CN113834464A - 一种具有偏振罗盘的测距望远镜定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有偏振罗盘的测距望远镜定位方法，包括：利用偏振罗盘获取载体系下的偏振矢量；人工获取当地的经纬度信息，利用时钟模块获取时间信息，计算地理系下的太阳矢量；利用加速度计模块计算望远镜的水平姿态，将偏振矢量转换到水平坐标系下；利用偏振矢量与太阳矢量的垂直关系，计算出当前望远镜观测目标的方位；利用望远镜中的分划板或激光测距仪计算目标的距离；最终根据获得的目标方位及距离实现对观测目标的定位，并展现在显示模块上。本发明的方法可以实现对可观测目标绝对方位的测量，代替传统望远镜目测目标方位的方式，结合分划板或激光测距仪的测距功能，提高了对观测目标的定位精度，具有精度高、集成度高、使用方便的优点。

Description

一种具有偏振罗盘的测距望远镜定位方法
技术领域
本发明属于导航定位领域，尤其涉及一种具有偏振罗盘的测距望远镜定位方法，可用于对观测目标绝对方位的测量，结合分划板或激光测距仪的测距功能，实现对观测目标的定位和导航，提高对观测目标的定位精度。
背景技术
望远镜可以放大远处物体，可用于户外旅游，电力巡检，救援搜救，射击观靶等目标探查领域。在目标观测过程中，对观测目标的定位方法是望远镜的一项关键技术。对观测目标的高精度定位有利于观测者对观测目标相对距离及方位的判断。
望远镜的定位精度主要由测距与测向精度决定。目前测距方法普遍采用分划板，专利“一种望远镜分划板（申请号：CN201520686623.9）”公开了一种设有角度刻线、密位线和测距线的分划板，可以完成对预定目标的快速测距。专利“具有激光测距仪的功能望远镜（申请号：CN201410390973.0）”以及“双筒望远镜式激光测距测速仪（申请号：CN200410060449.3）”公开了一种基于激光测距仪的望远镜，内部集成了激光发射与接收装置，可实现对观测目标的准确测距。论文“带分划板的连续变倍双筒望远镜设计”介绍了在连续变倍的双筒望远镜中，通过分划板实现对远距离目标的测距。现有对望远镜的研究中描述了如何对观测目标进行距离的测定，尚未研究如何实现对观测目标方位的准确测量。目标的精确定位需要同时具备准确的距离以及准确的方位。因此，如何在现有测距功能上，实现望远镜的准确测向功能，代替传统望远镜依靠人眼判方位的方式，提高望远镜对观测目标的定位精度，具有重要的工程意义与发展前景。
发明内容
为了解决上述问题，克服现有技术的不足，本发明提出一种具有偏振罗盘的测距望远镜定位方法，利用偏振罗盘实现对观测目标绝对方位的测量，结合望远镜分划板或激光测距仪的测距功能，实现对预定目标的精确定位，提高对观测目标的定位精度。
本发明的技术解决方案为：一种具有偏振罗盘的测距望远镜定位方法，其定位算法包括以下步骤：
S1：通过偏振罗盘获取载体系下的偏振矢量信息：
Figure 884574DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 970342DEST_PATH_IMAGE002
代表偏振角。
S2：通过加速度计获取望远镜当前的水平姿态角γ,β。得到当前的水平姿态转换矩阵
Figure 791668DEST_PATH_IMAGE003
。
Figure 452325DEST_PATH_IMAGE004
（1）
其中，
Figure 624680DEST_PATH_IMAGE003
的下标代表载体系，上标代表水平坐标系。
S3：利用S2得到的
Figure 514139DEST_PATH_IMAGE003
，将S1获取的偏振矢量p b 转换到水平坐标系下，得到p h 。
Figure 721129DEST_PATH_IMAGE005
（2）
S4：利用当地的经纬度及时钟模块提供的时间信息，得到地理系下的太阳矢量s n 。
S5：利用偏振矢量与太阳矢量的垂直关系，得到观测目标的方位信息
Figure 303420DEST_PATH_IMAGE006
。
偏振矢量与太阳矢量的垂直关系可以表述为：
Figure 949690DEST_PATH_IMAGE007
（3）
其中，
Figure 908419DEST_PATH_IMAGE008
表示s n 的转置，s n 可由步骤S4求的；p h 可由步骤S3求的；
Figure 438757DEST_PATH_IMAGE009
为关于目标方位角的方向余弦矩阵。
通过公式（6）可整理得到：
Figure 191949DEST_PATH_IMAGE010
（4）
其中，H 1和H 2是中间变量，具体表达形式为：
Figure 73318DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 85005DEST_PATH_IMAGE012
代表地理系下太阳矢量的第一个和第二个元素；p h (1)，p h (2)代表水平坐标系下偏振矢量的第一个和第二个元素。
Figure 469850DEST_PATH_IMAGE013
代表地理系下太阳矢量的第三个元素；p h (3)代表水平坐标系下偏振矢量的第三个元素；
根据公式（4），观测目标的方位角
Figure 128364DEST_PATH_IMAGE014
可表示为：
Figure 497029DEST_PATH_IMAGE015
（5）
其中，
Figure 781249DEST_PATH_IMAGE016
。由于偏振矢量计算的方位角具有模糊性，同时方位角的范 围为[-180°,180°]，因此，另外两个方位角可表示为：
Figure 817338DEST_PATH_IMAGE017
（6）
综上，真正的方位角在
Figure 646753DEST_PATH_IMAGE018
之间，并且三个值之间相差180°。此时，可以通过当前的时间及太阳位置，建立出以偏东向为x轴，偏北向为y轴的坐标系，判断出观测目标在哪个象限内，取
Figure 502714DEST_PATH_IMAGE019
在接近此象限的值为真正的目标方位角。
S6：根据分划板或激光测距仪的测距功能，可以测量观测目标与观察者的距离r。以r为半径，以观测者为圆心o画圆，得到观测目标所在的圆形区域。结合S5得到的目标方位信息，可以确定圆上的一点，即为观测目标。
本发明与现有技术相比的优点在于：
提出了一种利用偏振罗盘实现望远镜对观测目标测向的方法，代替传统望远镜依靠人眼判别观测目标方位的方式。在此基础上，结合分划板或激光测距仪的测距功能，实现了对预定目标的精确定位，提高了传统望远镜对观测目标的定位精度。
附图说明
图1为本发明一种具有偏振罗盘的测距望远镜定位方法的定位流程框图。
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。
传统望远镜依赖于人眼判别观测目标的方位，尚没有对观测目标的绝对方位进行准确测量的手段。本发明的一种具有偏振罗盘的测距望远镜定位方法，可利用偏振罗盘实现对预定目标的绝对定向，结合望远镜中分划板或激光测距仪的测距功能，实现对观测目标的准确定位。
如图1所示，一种具有偏振罗盘的测距望远镜定位方法，其定位算法包括以下步骤：
S1：通过偏振罗盘获取载体系下的偏振矢量信息：
Figure 590625DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 215641DEST_PATH_IMAGE002
代表偏振角。
S2：通过加速度计获取望远镜当前的水平姿态角γ,β。得到当前的水平姿态转换矩阵
Figure 747116DEST_PATH_IMAGE003
。
Figure 824794DEST_PATH_IMAGE004
（1）
其中，
Figure 467128DEST_PATH_IMAGE003
的下标代表载体系，上标代表水平坐标系。
S3：利用S2得到的
Figure 212230DEST_PATH_IMAGE003
，将S1获取的偏振矢量p b 转换到水平坐标系下，得到p h 。
Figure 629786DEST_PATH_IMAGE005
（2）
S4：利用当地的经纬度及时钟模块提供的时间信息，得到地理系下的太阳矢量s n 。
S5：利用偏振矢量与太阳矢量的垂直关系，得到观测目标的方位信息
Figure 194760DEST_PATH_IMAGE006
。
偏振矢量与太阳矢量的垂直关系可以表述为：
Figure 375205DEST_PATH_IMAGE007
（3）
其中，
Figure 692923DEST_PATH_IMAGE008
表示s n 的转置，s n 可由步骤S4求的；p h 可由步骤S3求的；
Figure 566201DEST_PATH_IMAGE009
为关于目标方位角的方向余弦矩阵。
通过公式（3）可整理得到：
Figure 618471DEST_PATH_IMAGE010
（4）
其中，H 1和H 2是中间变量，具体表达形式为：
Figure 337028DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 56722DEST_PATH_IMAGE012
代表地理系下太阳矢量的第一个和第二个元素；p h (1)，p h (2)代表水平坐标系下偏振矢量的第一个和第二个元素。
Figure 350169DEST_PATH_IMAGE013
代表地理系下太阳矢量的第三个元素；p h (3)代表水平坐标系下偏振矢量的第三个元素；
根据公式（4），观测目标的方位角
Figure 889735DEST_PATH_IMAGE014
可表示为：
Figure 677562DEST_PATH_IMAGE015
（5）
其中，
Figure 986184DEST_PATH_IMAGE016
。由于偏振矢量计算的方位角具有模糊性，同时方位角的范 围为[-180°,180°]，因此，另外两个方位角可表示为：
Figure 935686DEST_PATH_IMAGE017
（6）
综上，真正的方位角在
Figure 211815DEST_PATH_IMAGE018
之间，并且三个值之间相差180°。此时，可以通过当前的时间及太阳位置，建立出以偏东向为x轴，偏北向为y轴的坐标系，判断出观测目标在哪个象限内，取
Figure 537754DEST_PATH_IMAGE019
在接近此象限的值为真正的目标方位角。
S6：根据分划板或激光测距仪的测距功能，可以测量观测目标与观察者的距离r以r为半径，以观测者为圆心o画圆，得到观测目标所在的圆形区域。结合S5得到的目标方位信息，可以确定圆上的一点，即为观测目标。
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 (2)

1.一种具有偏振罗盘的测距望远镜定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过偏振罗盘获取载体系下的偏振矢量：
Figure 517513DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 169075DEST_PATH_IMAGE002
代表所观测偏振光的偏振角；
S2：通过加速度计获取望远镜当前的水平姿态角γ,β，得到当前的水平姿态转换矩阵
Figure 666921DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 796551DEST_PATH_IMAGE004
（1）
其中，
Figure 345344DEST_PATH_IMAGE005
的下标b代表载体系，上标h代表水平坐标系；
S3：利用步骤S2得到的
Figure 636648DEST_PATH_IMAGE005
，将步骤S1获取的偏振矢量p b 转换到水平坐标系下，得到水平坐标系下的偏振矢量p h ；
Figure 638102DEST_PATH_IMAGE006
（2）
S4：利用当地的经纬度及时钟模块提供的时间信息，得到地理系下的太阳矢量s n ；
S5：利用水平坐标系下的偏振矢量与太阳矢量的垂直关系，得到观测目标的方位角
Figure 571423DEST_PATH_IMAGE007
，水平坐标系下的偏振矢量与太阳矢量的垂直关系表述为：
Figure 223990DEST_PATH_IMAGE008
（3）
其中，
Figure 951775DEST_PATH_IMAGE009
表示s n 的转置，s n 由步骤S4求的；p h 由步骤S3求得；
Figure 174946DEST_PATH_IMAGE010
为关于目标方位的方向余弦矩阵；
S6：根据分划板或激光测距仪的测距功能，测量观测目标与观察者的距离r，以r为半径，以观测者为圆心o画圆，得到观测目标所在的圆形区域，结合步骤S5得到的目标方位角
Figure 646378DEST_PATH_IMAGE011
，确定圆上的一点，即为观测目标。
2.根据权利要求1所述的一种具有偏振罗盘的测距望远镜定位方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：
Figure 638605DEST_PATH_IMAGE012
（4）
其中，H 1和H 2是中间变量，具体表达形式为：
Figure 802870DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 762605DEST_PATH_IMAGE014
代表地理系下太阳矢量的第一个和第二个元素；p h (1)，p h (2)代表水平坐标系下偏振矢量的第一个和第二个元素；
Figure 772149DEST_PATH_IMAGE015
代表地理系下太阳矢量的第三个元素；p h (3)代表水平坐标系下偏振矢量的第三个元素；
根据公式（4），观测目标的方位角
Figure 150041DEST_PATH_IMAGE016
表示为：
Figure 219628DEST_PATH_IMAGE017
（5）
其中，
Figure 417391DEST_PATH_IMAGE018
，同时方位角的范围为[-180°,180°]，因此，另外两个方位角表 示为：
Figure 230626DEST_PATH_IMAGE019
（6）
真正的目标方位角在
Figure 449643DEST_PATH_IMAGE020
之间，并且三个值之间相差180°，通过当前的时间及太阳位置，建立出以偏东向为x轴，偏北向为y轴的坐标系，判断出观测目标在哪个象限内，取
Figure 955710DEST_PATH_IMAGE021
在接近此象限的值为真正的目标方位角。
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