CN114018257B - 一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法 - Google Patents

一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114018257B
CN114018257B CN202111304999.5A CN202111304999A CN114018257B CN 114018257 B CN114018257 B CN 114018257B CN 202111304999 A CN202111304999 A CN 202111304999A CN 114018257 B CN114018257 B CN 114018257B
Authority
CN
China
Prior art keywords
polarization
inertia
vector
carrier system
initial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111304999.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114018257A (zh
Inventor
乔建忠
王善澎
黄盼盼
郭雷
杨健
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hangzhou Innovation Research Institute of Beihang University
Original Assignee
Hangzhou Innovation Research Institute of Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hangzhou Innovation Research Institute of Beihang University filed Critical Hangzhou Innovation Research Institute of Beihang University
Priority to CN202111304999.5A priority Critical patent/CN114018257B/zh
Publication of CN114018257A publication Critical patent/CN114018257A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114018257B publication Critical patent/CN114018257B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

本发明公开一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法，适用于偏振传感器与惯性测量单元固连在一起的组合导航系统。首先将偏振传感器指向散射角为90±30度的天空区域，摇摆晃动组合导航系统并保存偏振传感器与惯性测量单元量测数据；然后利用纯惯性积分将所有时刻偏振传感器坐标系下的偏振矢量转换到初始时刻载体系下，计算初始时刻载体系下太阳高度角初值、太阳方位角初值；最后，根据瑞利散射模型中太阳矢量与偏振矢量垂直关系，建立非线性最小二乘优化目标函数，利用非线性优化算法求解偏振/惯性安装误差。本发明较现有方法可以不依赖任何外部参考基准进行偏振/惯性安装矩阵误差，具有计算简便、便于实施等优点。

Description

一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法
技术领域
本发明属于仿生组合导航领域，具体涉及一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法。
背景技术
地球大气具有稳定的偏振光分布场，自然界中许多生物具有可以感知天空偏振光的复眼结构，以此实现迁徙、觅食、归巢等行为。近年来，研究学者和工程人员将仿生偏振导航技术应用于导航领域，大幅提升了组合导航系统自主性和抗电磁干扰能力。目前，现有的偏振导航传感器大部分只关注内部安装误差、光强增益系数等内部参数的标定，然而在组合导航应用中偏振传感器与惯性器件的安装误差对导航系统精度也尤为重要。现有专利《一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法CN201911251994.3》虽提供了一种偏振传感器与惯性器件的标定方法，但是需要借助外部高精度姿态与航向基准，其使用场景有限。
发明内容
本发明解决的技术问题是，如何不通过外部姿态与航向参考基准实现惯性器件与偏振导航传感器安装误差的自主标定。
本发明的技术解决方案为：一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法，其特征在于，具体实现步骤如下：
(1)将偏振传感器指向散射角90±30度的天空区域，摇摆晃动偏振/惯性系统采集天空区域中不同散射方向的偏振分布信息，同时保存惯性测量单元原始量测数据；
(2)利用纯惯性积分将所有时刻偏振传感器坐标系下的偏振矢量转换到初始时刻载体系下，根据瑞利散射模型中太阳矢量与偏振矢量垂直关系，求得初始时刻载体系下的太阳矢量/>得到初始时刻载体系下太阳高度角初值/>太阳方位角初值/>
(3)根据瑞利散射模型中太阳矢量与偏振矢量垂直关系，以太阳矢量与偏振矢量内积最小为优化目标，建立非线性最小二乘优化目标函数e，待估计参数设置为偏振/惯性三轴安装误差角φx,φy,φz以及初始时刻载体系下太阳高度角与太阳方位角最终利用非线性优化算法求解偏振/惯性安装误差。
在所述步骤(2)中，初始时刻载体系下偏振矢量计算方法为：
其中，为通过纯惯性积分得到的tn时刻到初始时刻t0的姿态转换矩阵，/>为理想的偏振/惯性安装矩阵，/>为偏振传感器坐标系下tn时刻的偏振矢量，具体为 为tn时刻偏振传感器测量得到的原始偏振角；
初始时刻载体系下的太阳矢量初值为两个矩阵点乘之后的最小特征值所对应的特征向量；初始时刻载体系下的太阳高度角初值/>太阳方位角初值/>分别为：
式中，分别为太阳矢量初值/>中的第1/2/3个元素。
在所述步骤(3)中，目标函数e为：
式中，表示tn时刻载体系b系下的太阳矢量，假设标定过程内太阳矢量为常值，即/> 为tn时刻到初始时刻t0的姿态转换矩阵，由陀螺仪积分得到，/>为待标定的偏振/惯性安装矩阵；
利用非线性最小二乘方法对偏振/惯性安装矩阵进行标定优化，待标定的目标函数未知数共5个，为：
其中，φx,φy,φz分别为三轴安装误差角，为初始时刻载体系下的太阳高度角与太阳方位角；
目标函数的Jacobi矩阵为：
其中：
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)不借助任何外部姿态与航向参考基准，即可实现惯性器件与偏振导航传感器安装误差的无依托自主标定。
(2)标定过程简便，计算方法简单，通过惯性器件与偏振导航传感器安装误差标定，可大幅提升仿生偏振组合导航系统精度。
附图说明
图1为本发明一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及实例对本发明具体实施方式进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明设计一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法。
具体实现步骤如下：
(1)将偏振传感器指向散射角90±30度的天空区域，摇摆晃动偏振/惯性系统采集天空区域中不同散射方向的偏振分布信息，同时保存惯性测量单元原始量测数据；
(2)利用纯惯性积分将所有时刻偏振传感器坐标系下的偏振矢量转换到初始时刻载体系下，根据瑞利散射模型中太阳矢量与偏振矢量垂直关系，求得初始时刻载体系下的太阳矢量/>得到初始时刻载体系下太阳高度角初值/>太阳方位角初值/>
(3)根据瑞利散射模型中太阳矢量与偏振矢量垂直关系，以太阳矢量与偏振矢量内积最小为优化目标，建立非线性最小二乘优化目标函数e，待估计参数设置为偏振/惯性三轴安装误差角φx,φy,φz以及初始时刻载体系下太阳高度角与太阳方位角最终利用非线性优化算法求解偏振/惯性安装误差。
在所述步骤(2)中，初始时刻载体系下偏振矢量计算方法为：
其中，为通过纯惯性积分得到的tn时刻到初始时刻t0的姿态转换矩阵，/>为理想的偏振/惯性安装矩阵，/>为偏振传感器坐标系下tn时刻的偏振矢量，具体为 为tn时刻偏振传感器测量得到的原始偏振角；
初始时刻载体系下的太阳矢量初值为两个矩阵点乘之后的最小特征值所对应的特征向量；
初始时刻载体系下的太阳高度角初值太阳方位角初值/>分别为：
式中，分别为太阳矢量初值/>中的第1/2/3个元素。
在所述步骤(3)中，目标函数e为：
式中，表示tn时刻载体系b系下的太阳矢量，假设标定过程内太阳矢量为常值，即/> 为tn时刻到初始时刻t0的姿态转换矩阵，由陀螺仪积分得到，/>为待标定的偏振/惯性安装矩阵；
利用非线性最小二乘方法对偏振/惯性安装矩阵进行标定优化，待标定的目标函数未知数共5个，为：
其中，φx,φy,φz分别为三轴安装误差角，为初始时刻载体系下的太阳高度角与太阳方位角；
目标函数的Jacobi矩阵为：
其中：

Claims (1)

1.一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法，其特征在于，具体实现步骤如下：
(1)将偏振传感器指向散射角90±30度的天空区域，摇摆晃动偏振/惯性系统采集天空区域中不同散射方向的偏振分布信息，同时保存惯性测量单元原始量测数据；
(2)利用纯惯性积分将所有时刻偏振传感器坐标系下的偏振矢量转换到初始时刻载体系下，根据瑞利散射模型中太阳矢量与偏振矢量垂直关系，求得初始时刻载体系下的太阳矢量/>得到初始时刻载体系下太阳高度角初值/>太阳方位角初值/>
在所述步骤(2)中，初始时刻载体系下偏振矢量计算方法为：
其中，为通过纯惯性积分得到的tn时刻到初始时刻t0的姿态转换矩阵，/>为理想的偏振/惯性安装矩阵，/>为偏振传感器坐标系下tn时刻的偏振矢量，具体为 为tn时刻偏振传感器测量得到的原始偏振角；
初始时刻载体系下的太阳矢量初值为两个矩阵点乘之后的最小特征值所对应的特征向量；
初始时刻载体系下的太阳高度角初值太阳方位角初值/>分别为：
式中，分别为太阳矢量初值/>中的第1/2/3个元素；
(3)根据瑞利散射模型中太阳矢量与偏振矢量垂直关系，以太阳矢量与偏振矢量内积最小为优化目标，建立非线性最小二乘优化目标函数e，待估计参数设置为偏振/惯性三轴安装误差角φx,φy,φz以及初始时刻载体系下太阳高度角与太阳方位角最终利用非线性优化算法求解偏振/惯性安装误差；
在所述步骤(3)中，目标函数e为：
式中，表示tn时刻载体系b系下的太阳矢量，假设标定过程内太阳矢量为常值，即 为tn时刻到初始时刻t0的姿态转换矩阵，由陀螺仪积分得到，/>为待标定的偏振/惯性安装矩阵；
利用非线性最小二乘方法对偏振/惯性安装矩阵进行标定优化，待标定的目标函数未知数共5个，为：
其中，φx,φy,φz分别为三轴安装误差角，为初始时刻载体系下的太阳高度角与太阳方位角；
目标函数的Jacobi矩阵为：
其中：
CN202111304999.5A 2021-11-05 2021-11-05 一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法 Active CN114018257B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111304999.5A CN114018257B (zh) 2021-11-05 2021-11-05 一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111304999.5A CN114018257B (zh) 2021-11-05 2021-11-05 一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114018257A CN114018257A (zh) 2022-02-08
CN114018257B true CN114018257B (zh) 2024-05-24

Family

ID=80061322

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111304999.5A Active CN114018257B (zh) 2021-11-05 2021-11-05 一种偏振/惯性安装误差无依托自标定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114018257B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104880191A (zh) * 2015-06-02 2015-09-02 北京航空航天大学 一种基于太阳矢量的偏振辅助导航方法
CN109459027A (zh) * 2018-11-09 2019-03-12 北京航空航天大学 一种基于偏振-地磁矢量紧组合的导航方法
CN109556632A (zh) * 2018-11-26 2019-04-02 北方工业大学 一种基于卡尔曼滤波的ins/gnss/偏振/地磁组合导航对准方法
CN110887509A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法
CN110887475A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法
CN110887472A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种偏振-地磁信息深度融合全自主姿态解算方法
CN110887478A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种基于偏振/天文辅助的自主导航定位方法
CN110887477A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的自主定位方法
CN112129288A (zh) * 2020-11-24 2020-12-25 中国人民解放军国防科技大学 一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3060880A4 (en) * 2013-10-22 2017-07-05 Polaris Sensor Technologies, Inc. Sky polarization and sun sensor system and method

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104880191A (zh) * 2015-06-02 2015-09-02 北京航空航天大学 一种基于太阳矢量的偏振辅助导航方法
CN109459027A (zh) * 2018-11-09 2019-03-12 北京航空航天大学 一种基于偏振-地磁矢量紧组合的导航方法
CN109556632A (zh) * 2018-11-26 2019-04-02 北方工业大学 一种基于卡尔曼滤波的ins/gnss/偏振/地磁组合导航对准方法
CN110887509A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法
CN110887475A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法
CN110887472A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种偏振-地磁信息深度融合全自主姿态解算方法
CN110887478A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种基于偏振/天文辅助的自主导航定位方法
CN110887477A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的自主定位方法
CN112129288A (zh) * 2020-11-24 2020-12-25 中国人民解放军国防科技大学 一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Method and Implementation of a Bioinspired Polarization-Based Attitude and Heading Reference System by Integration of Polarization Compass and Inertial Sensors;Jian Yang，等;《IEEE Transactions on Industrial Electronics》;20191115;第67卷(第11期);全文 *
仿生偏振视觉定位定向机理与实验;王玉杰;胡小平;练军想;张礼廉;何晓峰;;光学精密工程;20160915(第09期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114018257A (zh) 2022-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Vasconcelos et al. Geometric approach to strapdown magnetometer calibration in sensor frame
CN111426318B (zh) 基于四元数-扩展卡尔曼滤波的低成本ahrs航向角补偿方法
CN100356139C (zh) 用于微小卫星的微型组合姿态测量系统
CN110160554B (zh) 一种基于寻优法的单轴旋转捷联惯导系统标定方法
CN109459027B (zh) 一种基于偏振-地磁矢量紧组合的导航方法
CN112630813B (zh) 基于捷联惯导和北斗卫星导航系统的无人机姿态测量方法
CN108362288B (zh) 一种基于无迹卡尔曼滤波的偏振光slam方法
CN108225370B (zh) 一种运动姿态传感器的数据融合与解算方法
CN112697138B (zh) 一种基于因子图优化的仿生偏振同步定位与构图的方法
CN104792340A (zh) 一种星敏感器安装误差矩阵与导航系统星地联合标定与校正的方法
CN108225336B (zh) 一种基于置信度的偏振自主组合导航方法
CN106679645A (zh) 基于多方向偏振光的实时导航装置
CN104698485A (zh) 基于bd、gps及mems的组合导航系统及导航方法
CN101712381A (zh) 一种基于多敏感器的定姿系统
CN110887509B (zh) 一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法
CN111189474A (zh) 基于mems的marg传感器的自主校准方法
CN107728106A (zh) 一种微阵列式偏振光罗盘的定向方法
CN112129288B (zh) 一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统
He et al. A combination orientation compass based on the information of polarized skylight/geomagnetic/MIMU
CN111207773B (zh) 一种用于仿生偏振光导航的姿态无约束优化求解方法
CN116448145A (zh) 一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法
Liu et al. Tightly coupled modeling and reliable fusion strategy for polarization-based attitude and heading reference system
CN110887472B (zh) 一种偏振-地磁信息深度融合全自主姿态解算方法
CN112325879A (zh) 一种基于多源传感器集成的仿生复合导航授时微系统
CN110887476A (zh) 基于偏振-天文夹角信息观测的自主航向与姿态确定方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant