CN115683091A - 一种基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法 - Google Patents
一种基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115683091A CN115683091A CN202310010273.3A CN202310010273A CN115683091A CN 115683091 A CN115683091 A CN 115683091A CN 202310010273 A CN202310010273 A CN 202310010273A CN 115683091 A CN115683091 A CN 115683091A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- polarization
- observation
- time
- vector
- solar
- 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.)
- Granted
Links
Images
Abstract
本发明涉及一种基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法,针对当前偏振罗盘导航系统的自主定位的实现需依赖外部提供水平基准的问题,首先,基于太阳偏振分布模式反演解算得到太阳矢量与偏振中性点,进而联立天顶方向建立偏振中性面模型;其次,基于不同观测时间获得的偏振中性面,实现偏振中性面分时反演重构,建立偏振天顶方向优化求解模型;最后,基于偏振天顶方向,计算分时重构后各个偏振中性面的太阳高度角,建立偏振罗盘定位优化求解模型,得到位置经纬度信息。
Description
技术领域
本发明属于仿生偏振光自主导航领域,具体涉及一种基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法。
背景技术
作为一种应用于地球大气层内的自主导航仪器,偏振自主定位技术一直是世界各国不断研究,探索和寻求突破的一项关键性技术。这项技术可以解决卫星导航拒止或干扰情况下高精度载体位置信息的获取问题。
当前,由于缺乏位置信息与太阳偏振信息之间的三维量测关系,为了实现偏振罗盘的高精度自主定向与定位,现有的偏振罗盘自主导航方法多依赖于其他设备如地平仪、磁强计、重力摆、惯导系统或倾角仪提供水平基准量测信息。专利号为CN109459015A的《一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法》借助于外部水平基准获得观测地理坐标系下的观测太阳高度角,而后建立位置信息求解模型,获得位置信息。专利号为CN111595329A的《一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法》借助于外部陀螺得到载体姿态信息,而后利用偏振信息建立定位求解模型,实现偏振定位。
然而,现有这些依赖于外部水平基准信息的理论方法存在以下问题:首先,外部水平测量仪器(如倾角仪、惯导等)必然会引入水平测量系统误差;同时,偏振罗盘与载体的安装误差,水平仪器的安装误差也参与到定位计算过程中;最后,偏振定位的解算精度受限于水平测量仪器的对太阳高度角的求解精度。
综上所述,现有偏振罗盘自主定位方法的实现需依赖外部仪器提供水平基准信息,亟需突破外部水平基准仪器对于偏振罗盘自主导航的限制。
发明内容
为克服现有偏振罗盘自主定位技术的实现需依赖外部仪器提供水平基准信息这一难题,本发明提供一种基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法,可以在不依赖外部水平基准仪器的条件下,实现高精度偏振自主定向与定位。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法,包括以下步骤:
第一步,基于太阳偏振分布模式反演解算得到太阳矢量与偏振中性点,进而联立天顶方向建立偏振中性面模型;
第二步,基于不同观测时间获得的偏振中性面,实现偏振中性面分时反演重构,建立偏振天顶方向优化求解模型;
第三步,基于天顶方向,计算分时反演重构后的各个偏振中性面的太阳高度角,建立偏振罗盘定位优化求解模型,得到最终观测位置经纬度信息。
进一步地,所述第一步的实现步骤如下:
(a1) 利用偏振罗盘完成对大气层中偏振光场信息的测量,所述偏振光场信息包括偏振度DOP与偏振方向AOP;
(a2) 基于不同观测方向的偏振方向AOP,建立偏振E矢量在观测坐标系B系下的解算模型:
式中,γ p 和ɑ p 分别为观测位置P在观测坐标系B系中的方位角与天顶角;
(a3) 由于偏振E矢量与太阳矢量互相垂直,因此由多个方向的偏振E矢量建立在观测坐标系B系下的太阳矢量SB优化求解模型:
式中,S B 为太阳矢量,[E B ]为偏振方向图像上不同偏振计算单元对应的偏振E矢量的集合,arg min()为目标取最小值时的求解变量值;s.t.为约束条件;
(a4) 基于偏振光场信息中的偏振度DOP的图像,利用偏振度阈值分割与均值聚类估计法,计算偏振度DOP的图像中偏振度最小的区域中心,进而获得偏振中性点矢量N P ;
(a5) 假设天顶方向在观测坐标系B系下的方向矢量为U B ,联立太阳矢量S B 建立观测时刻对应的偏振中性面模型:
进一步地,所述第二步的实现步骤如下:
(b2) 对连续时刻内的偏振中性面进行反演重构并统一映射在地理坐标系下,连续时刻内的偏振中性面相交于观测位置的天顶方向在观测坐标系B系下的方向矢量U B ,即,式中t i 与t j 分别为不同的观测时间,为平面交集;
(b3)假设天顶方向在观测坐标系B系下的方向矢量U B 在偏振罗盘成像面的映射位置坐标为X U ,Y U ,偏振罗盘焦距为f,其映射位置表示为U B (X U ,Y U ,f);基于天顶方向到各个偏振中性面最小映射距离原则,建立天顶映射位置的优化求解模型,即,其中N为观测偏振中性面的个数,t i 为第i个观测时刻。
进一步地,所述第三步的实现步骤如下:
(c1) 基于第二步中求得的天顶方向在观测坐标系B系下的方向矢量U B 在偏振罗盘成像面的映射位置为U B (X U ,Y U ,f),计算不同观测时刻t的偏振中性面的太阳矢量S B (t)的太阳高度角,即;
式中,θ h(t)为t时刻太阳矢量的高度角,arccos[]为反余弦函数;
(c2) 基于球面导航三角形,建立观测位置经纬度与太阳高度角之间的位置关系模型为:sin[θ h(t)]=sinϕsinδ+cosϕcosδcos(λ+15(UT+E)-180°);
其中,ϕ为观测位置纬度,λ为观测位置经度,δ和E分布为观测时刻t对应的太阳赤纬与赤经,UT为观测时间t对应的世界时;
(c3) 当观测时刻t个数大于2时,根据不同观测时刻t的位置关系模型对观测位置经度λ、观测位置纬度ϕ解算;
当观测时刻t的分时个数为N时,建立偏振罗盘定位优化求解模型为:
式中,r p 与r e 分别为地球的极地半径与赤道半径。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1) 现有技术的缺点主要在于其依赖外部仪器提供水平基准信息,从而限制了偏振自主定向与定位方法的精度。首先,外部水平测量仪器(如倾角仪、惯导等)必然会引入水平测量系统误差;同时,偏振罗盘与载体的安装误差,水平仪器的安装误差也参与到定位计算过程中;最后,偏振定位的解算精度受限于水平测量仪器的对太阳高度角的求解精度;
(2) 与现有技术的缺点相比,本发明不依赖外部仪器提供水平基准信息;
(3) 与现有技术的缺点相比,发明适用于静态环境下具有高自主定位精度需求的军用或民用载体;
(4) 本发明之所有存在上述优点,是由于本发明提出通过分时重构建立长时间的偏振中性面观测系统,从而无需借助外部水平基准仪器,实现偏振罗盘的自主定位。
附图说明
图1为本发明一种太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法的设计流程图;
图2为本发明一种太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法的中性面重构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示,本发明公开了一种太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法。该方法提出通过分时重构建立长时间的偏振中性面观测系统,从而无需借助外部水平基准仪器,实现偏振罗盘的自主定位。
太阳光在地球大气层中与大气分子或气溶胶等粒子相互作用发生散射而产生偏振。假设偏振罗盘对大气偏振场成像检偏方向分别为0°,45°,90°和135°时的成像灰度值分别为I(0°),I(45°),I(90°)和I(135°),那么对应的偏振光场信息中偏振度DOP与偏振方向AOP为:
在偏振感光坐标系(I系)下,对应的偏振E矢量可以有偏振方向AOP得到:
假设偏振成像位置P对应的在观测坐标系B系的方向矢量为:
式中,γ p 和ɑ p 分别为观测位置P在B系中的方位角与天顶角。
然后,在B系中偏振E矢量由其与观测方向之间的垂直关系即E B ⊥P B 求解得到:
在偏振罗盘中考虑不同的观测方向的E矢量与太阳矢量垂直即E B ⊥S B ,那么可使用最小二乘优化对太阳矢量在B系中的方向求解:
式中,S B 为太阳矢量,[E B ]为不同观测方向的偏振E矢量集合[E B ]=[E B,1,E B,2,E B,3, ... ],arg min()为目标取最小值时的求解变量值。
同时基于偏振度DOP信息,利用偏振度阈值分割与均值聚类估计法,计算偏振度图像中偏振度最小的区域中心,进而获得偏振中性点矢量N P :
式中, Zeh NP 与Azi NP 分别为中性点区域中心的天顶角与方位角。
如图2所示,On为观测坐标系原点,S为太阳矢量在观测系下的方向。假设天顶方向在在观测坐标系B系下的方向矢量为U B ,联立太阳矢量S B 建立该观测时刻对应的偏振中性面模型:
将连续时刻内的偏振中性面进行反演重构,统一映射在地理坐标系下(东-北-天坐标系)。它们相交于观测位置的天顶方向U B ,即:
假设天顶方向U B 在偏振罗盘成像面的映射位置坐标为X U ,Y U ,偏振罗盘焦距为f,天顶方向表示为U B (X U ,Y U ,f)。基于天顶方向坐标到各个偏振中性面最小映射距离原则,建立天顶映射位置的优化求解模型,即:
其中N为观测偏振中性面的个数。
基于天顶方向U B 在偏振罗盘成像面的映射位置为(X U ,Y U ,f),通过计算太阳矢量与天顶方向之间的夹角获得计算不同时刻t对应的偏振中性面的太阳矢量S B (t)的高度角:
式中,θ h(t)为t时刻太阳矢量的高度角,arccos[]为反余弦函数。
基于球面天文导航三角形,建立观测位置经纬度与太阳高度角之间的位置关系模型为:
sin[θ h(t)]=sinϕsinδ+cosϕcosδcos(λ+15(UT+E)-180°)
其中,ϕ为观测位置纬度,λ为观测位置经度,δ和E分别为观测时刻的太阳赤纬与赤经(由太阳星历得到),UT为观测时间对应的世界时;
当观测时刻t个数大于2时,不同观测时刻t的位置关系模型可对观测位置纬度ϕ与观测位置经度λ解算。当观测时刻t分时个数为N时,建立偏振罗盘定位优化求解模型为:
式中,r p 与r e 分别为地球的极地半径与赤道半径。
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公知的现有技术。本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步,基于太阳偏振分布模式反演解算得到太阳矢量与偏振中性点,进而联立天顶方向建立偏振中性面模型;
第二步,基于不同观测时间获得的偏振中性面,实现偏振中性面分时反演重构,建立偏振天顶方向优化求解模型;
第三步,基于偏振天顶方向,计算分时反演重构后的各个偏振中性面的太阳高度角,建立偏振罗盘定位优化求解模型,得到最终观测位置经纬度信息。
2.根据权利要求1所述的基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法,其特征在于:所述第一步的实现步骤如下:
(a1)利用偏振罗盘完成对大气层中偏振光场信息的测量,所述偏振光场信息包括偏振度DOP与偏振方向AOP;
(a2) 基于不同观测方向的偏振方向AOP,建立偏振E矢量在观测坐标系B系下的解算模型:
式中,γ p 和ɑ p 分别为观测位置P在观测坐标系B系中的方位角与天顶角;
(a3) 由于偏振E矢量与太阳矢量互相垂直,因此由多个方向的偏振E矢量建立在观测坐标系B系下的太阳矢量SB优化求解模型:
式中,S B 为太阳矢量,[E B ]为偏振方向图像上不同偏振计算单元对应的偏振E矢量的集合,arg min()为目标取最小值时的求解变量值;s.t.为约束条件;
(a4) 基于偏振光场信息中的偏振度DOP的图像,利用偏振度阈值分割与均值聚类估计法,计算偏振度DOP的图像中偏振度最小的区域中心,进而获得偏振中性点矢量N P ;
(a5) 假设天顶方向在观测坐标系B系下的方向矢量为U B ,联立太阳矢量S B 建立观测时刻对应的偏振中性面模型:
3.根据权利要求2所述的基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法,其特征在于:所述第二步的实现步骤如下:
(b2) 对连续时刻内的偏振中性面进行反演重构并统一映射在地理坐标系下,连续时刻内的偏振中性面相交于观测位置的天顶方向在观测坐标系B系下的方向矢量U B ,即,式中t i 与t j 分别为不同的观测时间,为平面交集;
4.根据权利要求3所述的基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法,其特征在于:所述第三步的实现步骤如下:
(c1) 基于第二步中求得的天顶方向在观测坐标系B系下的方向矢量U B 在偏振罗盘成像面的映射位置为U B (X U ,Y U ,f),计算不同观测时刻t的偏振中性面的太阳矢量S B (t)的太阳高度角,即,
式中,θ h(t)为t时刻太阳矢量的高度角,arccos[]为反余弦函数;
(c2) 基于球面导航三角形,建立观测位置经纬度与太阳高度角之间的位置关系模型为:sin[θ h(t)]=sinϕsinδ+cosϕcosδcos(λ+15(UT+E)-180°),
其中,ϕ为观测位置纬度,λ为观测位置经度,δ和E分布为观测时刻t对应的太阳赤纬与赤经,UT为观测时间t对应的世界时;
(c3) 当观测时刻t个数大于2时,根据不同观测时刻t的位置关系模型对观测位置经度λ、观测位置纬度ϕ解算;
当观测时刻t的分时个数为N时,建立偏振罗盘定位优化求解模型为:
式中,r p 与r e 分别为地球的极地半径与赤道半径。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202310010273.3A CN115683091B (zh) | 2023-01-05 | 2023-01-05 | 一种基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202310010273.3A CN115683091B (zh) | 2023-01-05 | 2023-01-05 | 一种基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN115683091A true CN115683091A (zh) | 2023-02-03 |
CN115683091B CN115683091B (zh) | 2023-04-04 |
Family
ID=85057277
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202310010273.3A Active CN115683091B (zh) | 2023-01-05 | 2023-01-05 | 一种基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN115683091B (zh) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103759727A (zh) * | 2014-01-10 | 2014-04-30 | 大连理工大学 | 一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法 |
CN104613956A (zh) * | 2015-01-28 | 2015-05-13 | 南昌大学 | 基于大气偏振中性点的导航定向方法 |
CN104713555A (zh) * | 2015-03-03 | 2015-06-17 | 南昌大学 | 应用全天域中性点辅助定向的车辆自主导航方法 |
WO2015108591A2 (en) * | 2013-10-22 | 2015-07-23 | Polaris Sensor Technologies Inc. | Sky polarization and sun sensor system and method |
CN110631567A (zh) * | 2019-10-09 | 2019-12-31 | 北京航空航天大学 | 一种差分天空偏振罗盘大气折射误差的反演及修正方法 |
DE102018132590A1 (de) * | 2018-12-18 | 2020-06-18 | Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh | Determination of an attitude of a vehicle based on sky polarization by acelestial light source |
-
2023
- 2023-01-05 CN CN202310010273.3A patent/CN115683091B/zh active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015108591A2 (en) * | 2013-10-22 | 2015-07-23 | Polaris Sensor Technologies Inc. | Sky polarization and sun sensor system and method |
CN103759727A (zh) * | 2014-01-10 | 2014-04-30 | 大连理工大学 | 一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法 |
CN104613956A (zh) * | 2015-01-28 | 2015-05-13 | 南昌大学 | 基于大气偏振中性点的导航定向方法 |
CN104713555A (zh) * | 2015-03-03 | 2015-06-17 | 南昌大学 | 应用全天域中性点辅助定向的车辆自主导航方法 |
DE102018132590A1 (de) * | 2018-12-18 | 2020-06-18 | Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh | Determination of an attitude of a vehicle based on sky polarization by acelestial light source |
CN110631567A (zh) * | 2019-10-09 | 2019-12-31 | 北京航空航天大学 | 一种差分天空偏振罗盘大气折射误差的反演及修正方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
GUANGMIN LI,ET AL.: "Robust Heading Measurement Based on Improved Berry Model for Bionic Polarization Navigation" * |
马号;熊剑;郭杭;衷卫声;王娜;: "基于大气偏振光特性辅助定向的自主导航方法" * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN115683091B (zh) | 2023-04-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109556632B (zh) | 一种基于卡尔曼滤波的ins/gnss/偏振/地磁组合导航对准方法 | |
CN101344391B (zh) | 基于全功能太阳罗盘的月球车位姿自主确定方法 | |
CN109556631B (zh) | 一种基于最小二乘的ins/gnss/偏振/地磁组合导航系统对准方法 | |
CN109459027B (zh) | 一种基于偏振-地磁矢量紧组合的导航方法 | |
CN106679645B (zh) | 基于多方向偏振光的实时导航装置 | |
CN113311436B (zh) | 一种移动平台上激光测风雷达运动姿态测风订正方法 | |
CN106643709B (zh) | 一种海上运载体的组合导航方法及装置 | |
CN111412916B (zh) | 一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法 | |
CN103822629A (zh) | 基于多方向偏振光导航传感器的定位系统及其定位方法 | |
CN104913780A (zh) | 集成gnss和ccd天顶筒的高精度垂线偏差快速测量方法 | |
CN110631567B (zh) | 一种差分天空偏振罗盘大气折射误差的反演及修正方法 | |
CN110887478B (zh) | 一种基于偏振/天文辅助的自主导航定位方法 | |
CN104459728A (zh) | 一种基于gnss定位的磁偏角校准方法 | |
CN111307140B (zh) | 一种用于多云天气条件下的大气偏振光定向方法 | |
CN110887472B (zh) | 一种偏振-地磁信息深度融合全自主姿态解算方法 | |
CN109459015A (zh) | 一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法 | |
Cai et al. | A polar rapid transfer alignment assisted by the improved polarized-light navigation | |
CN110887477B (zh) | 一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的自主定位方法 | |
CN112833878A (zh) | 近地面多源天文自主导航方法 | |
CN114509071B (zh) | 一种风洞试验模型姿态测量方法 | |
CN115683091B (zh) | 一种基于太阳偏振中性面分时反演重构的自主定位方法 | |
CN113375626B (zh) | 一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法 | |
CN113483739B (zh) | 海上目标位置测量方法 | |
CN110887475B (zh) | 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 | |
CN115540856B (zh) | 基于星光三维折射重构的星敏感器自主定位方法和系统 |
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 |