CN114018242A - 一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法 - Google Patents

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CN114018242A CN202111305836.9A CN202111305836A CN114018242A CN 114018242 A CN114018242 A CN 114018242A CN 202111305836 A CN202111305836 A CN 202111305836A CN 114018242 A CN114018242 A CN 114018242A
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Abstract

本发明涉及一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，包括步骤：量化偏振信息、太阳高度角与航向精度之间的关系，确定偏振度阈值以及太阳高度角阈值；在基于偏振矢量和太阳矢量垂直关系的量测模型中引入偏振角误差匹配项，结合惯导误差方程建立状态方程；获取载体系下偏振矢量与太阳矢量以及导航系下太阳矢量，计算当前时刻太阳高度角；基于偏振度阈值与太阳高度角阈值，判断当前姿态更新的组合模式，建立智能匹配规则，分别进行基于偏振量测、基于偏振量测和太阳量测与基于太阳量测的姿态更新；最后，基于滤波融合算法更新惯导解算姿态。本发明可应用于运动载体自主导航，实现卫星导航拒止和非结构化环境下的自主姿态确定。

Description

一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法
技术领域
本发明涉及导航领域，尤其是一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法。
背景技术
在运动过程中，载体需要实时获得自身姿态信息，高稳定和高可靠的自主导航能力是保障载体顺利完成作业或者执行任务的核心技术。目前，惯性测量单元是航姿参考系统中应用最为广泛的部件。由于惯性测量单元的工作原理，会不可避免的产生随时间累积的误差。引入磁强计与惯性测量单元进行融合是一种常用的姿态确定方法。磁强计通过测量地磁场强度和方向获得载体航向信息，但其测量精度易受外部磁干扰的影响，较难保障载体姿态连续稳定的估计。
仿生偏振导航是一种新兴的、有效的自主导航技术，具有无源、无辐射、自主性强、抗干扰能力强等特点，能够为复杂环境下的导航定姿任务提供新的解决思路。目前，基于仿生偏振的定姿方法，大多利用大气偏振模式的对称性，以及理想环境下的大气瑞利散射模型作为导航依据。例如，已授权专利“一种基于偏振光传感器的航姿测定方法”，专利号201410628075.4，就是通过对基于瑞利散射和实际测量的入射光最大偏振方向之间的误差进行互补滤波，从而获得航向角，但是没有考虑到偏振信息不可用的情况。
由于不需要对太阳进行直接观测，可观测天空任意区域即可获得偏振量测信息。因此，基于仿生偏振的定姿方法具有强抗干扰、强环境适应性的特点，能够保证在一定的云雾干扰下仍具备良好的自主定姿能力。但当太阳高度角较高时，大气偏振分布模式稳定性降低，偏振量测信息可靠性较低，而且由于地面反射、太阳直射杂光等造成目前常用的基于瑞利散射的偏振量测模型，即偏振矢量和太阳矢量信息的垂直关系模型，难以满足载体运动中连续稳定的姿态估计需求。已授权专利“一种基于太阳矢量的偏振辅助导航方法”，专利号201510295505.X，利用大气偏振模式得到太阳矢量进行辅助导航，但是没有针对偏振矢量与太阳矢量之间的非垂直误差进行匹配与修正。
太阳敏感器可以直接获得太阳矢量信息，以确定载体的姿态信息，具有高精度、强自主性的优点。但是当太阳高度角较低时，受低层大气温差、压强、水汽等产生的大气折射误差影响，太阳量测信息精度较低而且当有云层遮挡时存在失效的风险。已受理专利“一种基于偏振/天文信息融合的航向与姿态确定方法”，专利号201911252069.2，虽然将偏振信息与天文信息进行了融合，但是没有考虑到在不同应用条件下二者信息之间的智能匹配问题。美国专利“SKY POLARIZATION AND SUN SENSOR SYSTEM AND METHOD”，专利号US10408918B2，利用偏振信息与太阳信息确定天顶位置与太阳方位角，从而实现定向功能，但是没有考虑到在获取不同量测信息时，各种组合方式之间的判断和选择问题；同时，该专利在确定航向时，也没有考虑到偏振信息量测方程中的偏振角误差项，不能在只有偏振矢量量测的条件下确定载体航向。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提出了一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，利用偏振量测信息与太阳量测信息的匹配特性确定相应的姿态更新组合模式，建立智能匹配规则，通过仿生偏振传感器和太阳敏感器量测信息修正惯性测量单元的姿态累积误差。量化分析基于偏振矢量解算航向精度和太阳矢量解算姿态精度，与偏振度、太阳高度角之间的关系，确定使用偏振矢量和太阳矢量量测进行姿态更新的偏振度和太阳高度角阈值，实现定姿过程中偏振/太阳/惯性不同组合模式的智能匹配。同时，在误差状态中引入偏振角误差匹配项，降低偏振量测信息和太阳量测信息不匹配性对姿态估计的影响。该定姿方法可保障白天全时段连续性和稳定性的载体姿态估计，提高载体姿态估计的可靠性与环境适应性，是一种可用于在卫星导航信号拒止或电磁干扰等复杂环境下载体的自主定姿方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，包括如下步骤：
步骤1、建立基于偏振矢量解算的航向精度与偏振度之间的量化关系，确定偏振矢量用于姿态更新的偏振度阈值thrpol；建立基于太阳矢量解算的姿态精度与太阳高度角之间的量化关系，确定太阳矢量用于姿态更新的太阳高度角阈值
Figure BDA0003340077880000021
；建立基于偏振矢量解算的航向精度与太阳高度角之间的量化关系，确定偏振矢量用于姿态更新的太阳高度角阈值
Figure BDA0003340077880000022
步骤2、在基于偏振矢量和太阳矢量垂直关系的量测模型中，引入偏振角误差匹配项Δφ，结合惯导误差方程，建立包含Δφ的误差状态方程；
步骤3、利用偏振传感器采集偏振度信息和偏振角信息，获得载体系即b系下的偏振矢量pb；利用太阳敏感器测量得到b系下的太阳矢量sb；根据载体内置的时钟信息和载体的地理位置信息，结合天文年历计算出当前时刻太阳的赤经RA和赤纬δ，得到导航系即n系下太阳矢量sn，计算当前时刻n系下的太阳高度角；
步骤4、建立信息融合的智能匹配规则：
(4.1)若太阳高度角小于阈值
Figure BDA0003340077880000031
，并且偏振度大于阈值thrpol，则利用b系下pb与sb之间的垂直关系，进行基于偏振量测的姿态更新；
(4.2)若太阳高度角大于阈值
Figure BDA0003340077880000032
且小于阈值
Figure BDA0003340077880000033
，其中
Figure BDA0003340077880000034
，当偏振度小于阈值thrpol时，利用sn与sb之间的坐标转换关系，进行基于太阳量测的姿态更新，而当偏振度大于阈值thrpol时，进行基于偏振量测和太阳量测的姿态更新；
(4.3)若太阳高度角大于阈值
Figure BDA0003340077880000035
，则进行基于太阳量测的姿态更新；
步骤5、基于滤波融合算法对误差状态进行估计，更新惯导解算姿态
Figure BDA0003340077880000036
，最终输出基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿结果。
在所述步骤1中，通过量化分析基于偏振矢量解算的航向精度与偏振度之间的关系，确定偏振度阈值thrpol，当观测方向的偏振度小于阈值thrpol时，不进行基于偏振量测的姿态更新；否则进行姿态更新；
通过量化分析基于太阳矢量解算的姿态精度与太阳高度角的关系，确定太阳高度角阈值
Figure BDA0003340077880000037
当太阳高度小于阈值
Figure BDA0003340077880000038
时，表示当前时刻太阳矢量的观测精度较低，不进行基于太阳矢量量测的姿态更新；否则进行姿态更新；
通过量化分析基于偏振矢量解算的航向精度与太阳高度角之间的关系，确定太阳高度角阈值
Figure BDA0003340077880000039
，当太阳高度角高于阈值
Figure BDA00033400778800000310
时，表示基于偏振矢量解算的航向精度较低，不进行基于偏振量测的姿态更新；否则进行姿态更新。
在步骤2中，在垂直关系模型中引入偏振角误差匹配项Δφ；
利用惯性测量单元解算b系与n系之间的姿态转换矩阵
Figure BDA00033400778800000311
，结合惯导误差状态方程：
Figure BDA00033400778800000312
其中，取导航系n系为东北天地理坐标系，δp表示位置误差，δv表示速度误差，
Figure BDA00033400778800000313
表示失准角误差，
Figure BDA00033400778800000314
分别表示其导数；bg表示陀螺三个轴的随机常值漂移，ba表示加速度计三个轴的随机常值偏置，δba表示加速度计三个轴的随机常值误差，δbg表示陀螺仪三个轴的随机常值误差，
Figure BDA0003340077880000041
与
Figure BDA0003340077880000042
分别表示其导数；wa与wg分别表示加速度计与陀螺仪的系统噪声；na与ng分别表示加速度计与陀螺仪的量测噪声，fm表示加速计量测量，ωm表示陀螺量测量。
在惯导误差状态中引入偏振角误差匹配项Δφ，建立状态向量：
Figure BDA00033400778800000412
Δφ的状态方程表示为
Figure BDA0003340077880000043
其中wp表示偏振传感器的系统噪声，则以上误差状态方程的矩阵形式简化为：
Figure BDA0003340077880000044
其中，F表示状态转移矩阵，G表示噪声转移矩阵，w表示系统噪声。
在所述步骤3中，根据天文年历，n系下太阳高度角由下式计算得到：
Figure BDA0003340077880000045
其中，
Figure BDA0003340077880000046
为n系下太阳高度角，L为地理纬度，δ为太阳赤纬，Ω为太阳时角；n系下太阳方位角由以下公式得到：
Figure BDA0003340077880000047
其中，
Figure BDA0003340077880000048
以正南方向为0，由南向西为正，由南向东为负，则n系下太阳矢量sn表示为：
Figure BDA0003340077880000049
在所述步骤4中，当进行偏振量测时根据下式进行量测更新：
Figure BDA00033400778800000410
其中，nn表示导航系下的量测噪声；
当进行太阳量测信息时根据下式进行量测更新：
Figure BDA00033400778800000411
其中，nb表示载体系下的量测噪声，ns表示太阳敏感器的量测噪声。
最终，通过量化分析以及设定太阳高度角和偏振度的阈值，引入偏振角误差匹配项Δφ，实现了基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法。根据上述量测模型便可完成偏振/太阳/惯性信息的智能匹配，实现不依赖GNSS的自主航向与姿态确定。
本发明与现有技术相比的优点在于：
为实现载体白天全时段连续稳定的姿态自主估计，提出了一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法；通过量化分析基于偏振矢量解算航向精度和太阳矢量解算姿态精度，与偏振度、太阳高度角之间的关系，确定使用偏振矢量量测和太阳矢量量测进行姿态更新的偏振度和太阳高度角阈值；根据不同的太阳高度角阈值和偏振度阈值，实现偏振、太阳和惯性不同组合模式的智能匹配；在此基础上，引入了偏振角误差匹配项，实现偏振量测信息和太阳量测信息的不匹配性误差补偿，同时保障在太阳敏感器失效的情况下，仅利用偏振信息进行载体姿态估计的稳定性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合说明书附图，如图1所示，对本发明的具体实现步骤说明如下：
步骤1、建立基于偏振矢量解算的航向精度与偏振度之间的量化关系，确定偏振矢量用于姿态更新的偏振度阈值thrpol；建立基于太阳矢量解算的姿态精度与太阳高度角之间的量化关系，确定太阳矢量用于姿态更新的太阳高度角阈值
Figure BDA0003340077880000051
建立基于偏振矢量解算的航向精度与太阳高度角之间的量化关系，确定偏振矢量用于姿态更新的太阳高度角阈值
Figure BDA0003340077880000052
步骤2、在基于偏振矢量和太阳矢量垂直关系的量测模型中，引入偏振角误差匹配项Δφ，结合惯导误差方程，建立包含Δφ的误差状态方程；
步骤3、利用偏振传感器采集偏振度信息和偏振角信息，获得载体系即b系下的偏振矢量pb；利用太阳敏感器测量得到b系下的太阳矢量sb；根据载体内置的时钟信息和载体的地理位置信息，结合天文年历计算出当前时刻太阳的赤经RA和赤纬δ，得到导航系即n系下太阳矢量sn，计算当前时刻n系下的太阳高度角；
步骤4、建立信息融合的智能匹配规则：
(4.1)若太阳高度角小于阈值
Figure BDA0003340077880000053
并且偏振度大于阈值thrpol，则利用b系下pb与sb之间的垂直关系，进行基于偏振量测的姿态更新；
(4.2)若太阳高度角大于阈值
Figure BDA0003340077880000054
且小于阈值
Figure BDA0003340077880000055
其中
Figure BDA0003340077880000056
当偏振度小于阈值thrpol时，利用sn与sb之间的坐标转换关系，进行基于太阳量测的姿态更新，而当偏振度大于阈值thrpol时，进行基于偏振量测和太阳量测的姿态更新；
(4.3)若太阳高度角大于阈值
Figure BDA0003340077880000061
则进行基于太阳量测的姿态更新；
步骤5、基于滤波融合算法对误差状态进行估计，更新惯导解算姿态
Figure BDA0003340077880000062
最终输出基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿结果。
在具体实施过程中，在步骤1中，通过量化分析基于偏振矢量解算的航向精度与偏振度之间的关系，确定偏振度阈值thrpol，当观测方向的偏振度小于阈值thrpol时，不进行基于偏振量测的姿态更新；否则进行姿态更新；
通过量化分析基于太阳矢量解算的姿态精度与太阳高度角的关系，确定太阳高度角阈值
Figure BDA0003340077880000063
当太阳高度小于阈值
Figure BDA0003340077880000064
时，表示当前时刻太阳矢量的观测精度较低，不进行基于太阳矢量量测的姿态更新；否则进行姿态更新；
通过量化分析基于偏振矢量解算的航向精度与太阳高度角之间的关系，确定太阳高度角阈值
Figure BDA0003340077880000065
当太阳高度角高于阈值
Figure BDA0003340077880000066
时，表示基于偏振矢量解算的航向精度较低，不进行基于偏振量测的姿态更新；否则进行姿态更新。
进一步的，在步骤2中，在垂直关系模型中引入偏振角误差匹配项Δφ；
利用惯性测量单元解算b系与n系之间的姿态转换矩阵
Figure BDA0003340077880000067
结合惯导误差状态方程：
Figure BDA0003340077880000068
其中，取导航系n系为东北天地理坐标系，δp表示位置误差，δv表示速度误差，
Figure BDA0003340077880000069
表示失准角误差，
Figure BDA00033400778800000610
分别表示其导数；bg表示陀螺三个轴的随机常值漂移，ba表示加速度计三个轴的随机常值偏置，δba表示加速度计三个轴的随机常值误差，δbg表示陀螺仪三个轴的随机常值误差，
Figure BDA00033400778800000611
与
Figure BDA00033400778800000612
分别表示其导数；wa与wg分别表示加速度计与陀螺仪的系统噪声；na与ng分别表示加速度计与陀螺仪的量测噪声，fm表示加速计量测量，ωm表示陀螺量测量。
在惯导误差状态中引入偏振角误差匹配项Δφ，建立状态向量：
Figure BDA00033400778800000613
Δφ的状态方程表示为
Figure BDA0003340077880000071
其中wp表示偏振传感器的系统噪声，则以上误差状态方程的矩阵形式简化为：
Figure BDA0003340077880000072
其中，F表示状态转移矩阵，G表示噪声转移矩阵，w表示系统噪声。
再进一步的，在所述步骤3中，根据天文年历，n系下太阳高度角由下式计算得到：
Figure BDA0003340077880000073
其中，
Figure BDA0003340077880000074
为n系下太阳高度角，L为地理纬度，δ为太阳赤纬，Ω为太阳时角；n系下太阳方位角由以下公式得到：
Figure BDA0003340077880000075
其中，
Figure BDA0003340077880000076
以正南方向为0，由南向西为正，由南向东为负，则n系下太阳矢量sn表示为：
Figure BDA0003340077880000077
具体的，在所述步骤4中，当进行偏振量测时根据下式进行量测更新：
Figure BDA0003340077880000078
其中，nn表示导航系下的量测噪声；
当进行太阳量测信息时根据下式进行量测更新：
Figure BDA0003340077880000079
其中，nb表示载体系下的量测噪声，ns表示太阳敏感器的量测噪声。
最终，通过量化分析以及设定太阳高度角和偏振度的阈值，引入偏振角误差匹配项Δφ，实现了基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法。根据上述量测模型便可完成偏振/太阳/惯性信息的智能匹配，实现不依赖GNSS的自主航向与姿态确定。
该系统主要用来实时确定载体的姿态，通过利用偏振矢量与太阳矢量信息进行量测更新，至此完成基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法。
本发明考虑太阳敏感器工作频率较低，且受到云层等遮挡失效的情况，结合偏振/惯性组合导航方法，提高载体组合定姿的抗干扰能力和环境适应性；考虑基于瑞利散射的偏振量测模型误差，利用太阳矢量信息有效修正偏振信息中存在的误差，有效提高偏振信息辅助载体定姿的精度；基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法同时可保障在太阳敏感器或偏振传感器失效的情况下，载体姿态连续稳定的估计。
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。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，以便于熟悉本技术领域的技术人员理解本发明，但本发明的保护范围并不局限于此，其他任意可由熟悉本技术领域的技术人员轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、建立基于偏振矢量解算的航向精度与偏振度之间的量化关系，确定偏振矢量用于姿态更新的偏振度阈值thrpol；建立基于太阳矢量解算的姿态精度与太阳高度角之间的量化关系，确定太阳矢量用于姿态更新的太阳高度角阈值thr1 sun；建立基于偏振矢量解算的航向精度与太阳高度角之间的量化关系，确定偏振矢量用于姿态更新的太阳高度角阈值
Figure FDA0003340077870000011
步骤2、在基于偏振矢量和太阳矢量垂直关系的量测模型中，引入偏振角误差匹配项Δφ，结合惯导误差方程，建立包含Δφ的误差状态方程；
步骤3、利用偏振传感器采集偏振度信息和偏振角信息，获得载体系即b系下的偏振矢量pb；利用太阳敏感器测量得到b系下的太阳矢量sb；根据载体内置的时钟信息和载体的地理位置信息，结合天文年历计算出当前时刻太阳的赤经RA和赤纬δ，得到导航系即n系下太阳矢量sn，计算当前时刻n系下的太阳高度角；
步骤4、建立信息融合的智能匹配规则：
(4.1)若太阳高度角小于阈值thr1 sun，并且偏振度大于阈值thrpol，则利用b系下pb与sb之间的垂直关系，进行基于偏振量测的姿态更新；
(4.2)若太阳高度角大于阈值thr1 sun且小于阈值
Figure FDA0003340077870000012
其中
Figure FDA0003340077870000013
当偏振度小于阈值thrpol时，利用sn与sb之间的坐标转换关系，进行基于太阳量测的姿态更新，而当偏振度大于阈值thrpol时，进行基于偏振量测和太阳量测的姿态更新；
(4.3)若太阳高度角大于阈值
Figure FDA0003340077870000014
则进行基于太阳量测的姿态更新；
步骤5、基于滤波融合算法对误差状态进行估计，更新惯导解算姿态
Figure FDA0003340077870000015
最终输出基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，其特征在于：
在所述步骤1中，通过量化分析基于偏振矢量解算的航向精度与偏振度之间的关系，确定偏振度阈值thrpol，当观测方向的偏振度小于阈值thrpol时，不进行基于偏振量测的姿态更新；否则进行姿态更新；
通过量化分析基于太阳矢量解算的姿态精度与太阳高度角的关系，确定太阳高度角阈值thr1 sun，当太阳高度小于阈值thr1 sun时，表示当前时刻太阳矢量的观测精度较低，不进行基于太阳矢量量测的姿态更新；否则进行姿态更新；
通过量化分析基于偏振矢量解算的航向精度与太阳高度角之间的关系，确定太阳高度角阈值
Figure FDA0003340077870000021
当太阳高度角高于阈值
Figure FDA0003340077870000022
时，表示基于偏振矢量解算的航向精度较低，不进行基于偏振量测的姿态更新；否则进行姿态更新。
3.根据权利要求1所述的一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，其特征在于：
在步骤2中，在垂直关系模型中引入偏振角误差匹配项Δφ；
利用惯性测量单元解算b系与n系之间的姿态转换矩阵
Figure FDA0003340077870000023
结合惯导误差状态方程：
Figure FDA0003340077870000024
其中，取导航系n系为东北天地理坐标系，δp表示位置误差，δv表示速度误差，
Figure FDA0003340077870000025
表示失准角误差，
Figure FDA0003340077870000026
分别表示其导数；bg表示陀螺三个轴的随机常值漂移，ba表示加速度计三个轴的随机常值偏置，δba表示加速度计三个轴的随机常值误差，δbg表示陀螺仪三个轴的随机常值误差，
Figure FDA0003340077870000027
与
Figure FDA0003340077870000028
分别表示其导数；wa与wg分别表示加速度计与陀螺仪的系统噪声；na与ng分别表示加速度计与陀螺仪的量测噪声，fm表示加速计量测量，ωm表示陀螺量测量；
在惯导误差状态中引入偏振角误差匹配项Δφ，建立状态向量：
Figure FDA00033400778700000211
Δφ的状态方程表示为
Figure FDA0003340077870000029
其中wp表示偏振传感器的系统噪声，则以上误差状态方程的矩阵形式简化为：
Figure FDA00033400778700000210
其中，F表示状态转移矩阵，G表示噪声转移矩阵，w表示系统噪声。
4.根据权利要求1所述的一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，其特征在于：
在所述步骤3中，根据天文年历，n系下太阳高度角由下式计算得到：
Figure FDA0003340077870000031
其中，
Figure FDA0003340077870000032
为n系下太阳高度角，L为地理纬度，δ为太阳赤纬，Ω为太阳时角；n系下太阳方位角由以下公式得到：
Figure FDA0003340077870000033
或
Figure FDA0003340077870000034
其中，
Figure FDA0003340077870000035
以正南方向为0，由南向西为正，由南向东为负，则n系下太阳矢量sn表示为：
Figure FDA0003340077870000036
5.根据权利要求1所述的一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，其特征在于：
在所述步骤4中，当进行偏振量测时根据下式进行量测更新：
Figure FDA0003340077870000037
其中，nn表示导航系下的量测噪声；
当进行太阳量测信息时根据下式进行量测更新：
Figure FDA0003340077870000038
其中，nb表示载体系下的量测噪声，ns表示太阳敏感器的量测噪声。
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