CN116182872B - 一种基于空间分布式公有误差抑制的偏振定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于空间分布式公有误差抑制的偏振定位方法。首先设置偏振基准站与用户站，分别利用偏振传感器计算各自位置的太阳方位角与高度角；然后，根据天文三角形关系，建立用户站与偏振基准站之间的太阳高度差与经纬差之间的关系；其次，根据天文三角形关系，建立用户站与偏振基准站之间的太阳方位差与经纬差之间的关系；最后，根据上述太阳方位差、高度差与经纬差之间的关系，已知太阳方位差、高度差，求解经度差与纬度差，并计算用户站的经纬度，实现全球自主定位。本发明建立了一种基于空间分布式公有误差抑制的偏振定位方法，可用于计算载体经纬度，满足无人系统的自主导航定位需求。
Description
技术领域
本发明属于偏振光导航领域，具体涉及一种基于空间分布式公有误差抑制的偏振定位方法，该方法通过空间差分的方法消除了由大气环境引起的偏振信息以及太阳位置公有误差，实现了利用太阳位置的进行全球定位。
背景技术
导航与定位系统是无人系统的核心关键技术，是维系其工作能力的基础。卫星导航目前最常用的定位方法，具有低成本、高精度的优点，但是卫星导航信息容易受到干扰与欺骗，近年来，由于卫星信号干扰导致无人机表演失败、民航安全受到威胁的案例时有发生。帝王蝶在数千公里的迁徙过程中，利用天空偏振光进行导航定位，为解决卫星拒止条件下的定位难题提供了思路。
现有偏振导航领域的研究以定姿为主，在定位方面的研究较少，且定位精度较低、环境适应性较差。中国专利申请CN201811328952.0《一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法》和中国专利申请CN201911250897.2《一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的自主定位方法》都是通过计算太阳高度角进行全球定位，这两种方法无需其他传感器辅助，但是实时性较差；中国专利申请CN201810583734.5《一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法》和中国专利申请CN202010874766.8《一种基于偏振位姿信息耦合迭代自主导航定位方法》同时利用太阳方位角和太阳高度角进行定位，实时性较好但是需要其他传感器进行辅助。
上述偏振定位方法的精度都依赖于太阳位置的解算精度，但是在实际情况下，受到云、雾等复杂大气环境的影响，偏振信息容易受到干扰，导致计算出的太阳矢量存在常值误差。本发明针对环境干扰引起的偏振定位公有误差问题，提出了一种基于空间分布式公有误差抑制的偏振定位方法，提高了偏振定位方法的环境适应性。
发明内容
针对上述偏振导航定位方法存在常值误差、精度低、环境适应性差的问题，本发明提供一种基于空间分布式公有误差抑制的偏振定位方法，通过设置偏振基准站，利用空间差分方法消除太阳矢量存在的常值误差，用于全球定位，具有定位精度高、环境适应性强的优点。
本发明通过设置偏振基准站与用户站，基于天文三角形关系得到用户站与偏振基准站之间的太阳高度差、方位差与经度差、纬度差之间的关系，并通过方程组解得经度差、纬度差，进而求得用户站的经纬度，实现全球定位。该方法通过对用户站与偏振基准站之间的太阳矢量进行空间差分，消除了由太阳矢量的常值误差引起的定位误差，提高了偏振定位方法在复杂环境下的精度和环境适应性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于空间分布式公有误差抑制的偏振定位方法，其实现步骤如下：
步骤（1）、设置偏振基准站与用户站，其中，偏振基准站位置已知，经纬度分别为、 />，用户站位置未知，经纬度为/> 、 />，分别利用偏振传感器测量基准站与用户站位置的太阳高度角/> 、 />以及方位角 />、/> ；
步骤（2）、根据天文三角形关系，建立用户站与偏振基准站之间的太阳高度差与经度差/>、纬度差/>之间的关系/>；
步骤（3）、根据天文三角形关系，建立用户站与偏振基准站之间的太阳方位差与经度差/>、纬度差/>之间的关系/>；
步骤（4）、根据上述太阳方位差、太阳高度差 />与经度差 />、纬度差之间的关系，在已知太阳方位差 />、太阳高度差 />的情况下，求解经度差 />与纬度差 />，并计算用户站的经纬度。
进一步的，所述步骤（1），设置偏振基准站与用户站，其中偏振基准站设立在经度为、纬度为 />的固定地点；
进一步的，所述步骤（2）的根据天文三角形关系，建立用户站与偏振基准站之间的太阳高度差 与经度差 、纬度差 之间的关系 ，具体要求如下：
由天文三角形可知，太阳高度角 与经度 、纬度 之间关系为：
,
其中，为当地时角，/>为时间参数。
对上式在偏振基准站位置进行一阶泰勒展开并省略高阶项，即经度为 、纬度为 />、太阳高度角为 />，可得：
,
,
则用户站与偏振基准站之间的太阳高度差 与两者之间经度差 />、纬度差 之间的关系为：
,
将上述关系定义为： ；
进一步的，所述步骤（3）根据天文三角形关系，建立用户站与偏振基准站之间的太阳方位差与经度差/>、纬度差/>之间的关系/>，具体实现如下：
由天文三角形可知，太阳方位角与经度/>、纬度/>之间关系为：
,
对上式在偏振基准站位置进行一阶泰勒展开并省略高阶项，即经度为、纬度为、太阳方位角为/>，可得：
,
,
则用户站与偏振基准站之间的太阳方位差与两者之间经度差/>、纬度差之间的关系为：
,
将上述关系定义为：；
进一步的，所述步骤（4）根据上述太阳方位差 、太阳高度差/>与经度差/>、纬度差/> 之间的关系，在已知太阳方位差/> 、太阳高度差 />的情况下，求解经度差 />与纬度差/> ，并计算用户站的经纬度，具体实现如下：
根据步骤（2）、步骤（3）的计算结果，可得：
,
,
设置中间变量为：
,
,
,
,
则联立上述方程组，可解得：
,
则用户站的经度 、纬度 />为：
,
与现有的技术相比，本发明具有以下的优点：
现有的偏振定位方法依赖于太阳矢量的解算精度，实际情况中受到太阳矢量常值误差的影响，定位精度较低、环境适应性差。本发明通过对用户站与基准站测得的太阳矢量进行空间差分，消除了太阳矢量常值误差对定位结果的影响，定位精度高、环境适应性强。
附图说明
图1为本发明的一种基于空间分布式公有误差抑制的偏振定位方法流程图；
图2为基准站与用户站关系示意图。
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。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，本发明的一种基于太阳矢量空间差分的自主定位方法具体实现步骤为：
步骤（1）、设置偏振基准站与用户站，其中偏振基准站设立在经度为 、纬度为的固定地点，偏振基准站中偏振传感器测得的太阳高度角与方位角分别为/> 、/> ；用户站偏振传感器测得的太阳高度角与方位角分别为 />、/> ，用户站位置未知，用户站经度、纬度分别为/> 、/> ；如图2所示。
步骤（2）、根据天文三角形关系，建立用户站与基准站之间的太阳高度差 与经度差 、纬度差 之间的关系。由天文三角形可知，太阳高度角 与经度 、纬度 之间关系为：
,
其中， 为当地时角，/> 为时间参数。
对上式在偏振基准站位置进行一阶泰勒展开并省略高阶项，即经度为 、纬度为/> 、太阳高度角为 />，可得：
,
,
则用户站与偏振基准站之间的太阳高度差 与两者之间经度差 />、纬度差 之间的关系为：
,
步骤（3）、根据天文三角形关系，建立用户站与偏振基准站之间的太阳方位差与经度差 />、纬度差/> 之间的关系。由天文三角形可知，太阳方位角/> 与经度/> 、纬度/> 之间关系为：
,
对上式在基准站位置进行一阶泰勒展开并省略高阶项，即经度为 、纬度为 />、太阳方位角为 />，可得：
,
,
则用户站与偏振基准站之间的太阳方位差 与两者之间经度差/> 、纬度差之间的关系为：
,
步骤（4）、根据上述太阳方位差 、太阳高度差 />与经度差/> 、纬度差 之间的关系，在已知太阳方位差/> 、太阳高度差/> 的情况下，求解经度差/>与纬度差 />，并计算用户站的经纬度。
根据步骤（2）、步骤（3）的计算结果，可得：
,
,
设置中间变量为：
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,
,
则联立上述方程组，可解得：
,
则用户站的经度 、纬度 />为：
,
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)
1.一种基于空间分布式公有误差抑制的偏振定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、设置偏振基准站与用户站，其中，偏振基准站位置已知，经纬度分别为L0、λ0，用户站位置未知，经纬度为L、λ，分别利用偏振传感器测量偏振基准站与用户站位置的太阳高度角hs0、hs以及方位角as0、as；
步骤(2)、根据天文三角形关系，建立用户站与偏振基准站之间的太阳高度差Δhs与经度差ΔL、纬度差Δλ之间的关系Δhs＝f(ΔL,Δλ)，包括：
由天文三角形得到太阳高度角hs与经度L、纬度λ之间关系为：
hs＝arcsin(sinλsinδ+cosλcosδcos(L+t))
其中，δ为当地时角，t为时间参数；
对上式在偏振基准站位置进行一阶泰勒展开并省略高阶项，即经度为L0、纬度为λ0、太阳高度角为hs0，得到：
则用户站与偏振基准站之间的太阳高度差Δhs与两者之间经度差ΔL、纬度差Δλ之间的关系为：
Δhs＝hs-hs0
将上述关系定义为：Δhs＝f(ΔL,Δλ)；
步骤(3)、根据天文三角形关系，建立用户站与偏振基准站之间的太阳方位差Δas与经度差ΔL、纬度差Δλ之间的关系Δas＝g(ΔL,Δλ)，包括：
由天文三角形得到太阳方位角as与经度L、纬度λ之间关系为：
对上式在偏振基准站位置进行一阶泰勒展开并省略高阶项，即经度为L0、纬度为λ0、太阳方位角为as0，得到：
则用户站与偏振基准站之间的太阳方位差Δas与两者之间经度差ΔL、纬度差Δλ之间的关系为：
将上述关系定义为：Δas＝g(ΔL,Δλ)；
步骤(4)、根据上述太阳方位差Δas、太阳高度差Δhs与经度差ΔL、纬度差Δλ之间的关系，在已知太阳方位差Δas、太阳高度差Δhs的情况下，求解经度差ΔL与纬度差Δλ，并计算用户站的经纬度，包括：
根据步骤(2)、步骤(3)的计算结果，得到：
设置中间变量为：
则联立上述方程组，解得：
则用户站的经度L、纬度λ为：
2.根据权利要求1所述的一种基于空间分布式公有误差抑制的偏振定位方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，设置基准站与用户站，其中偏振基准站设立在经度为L0、纬度为λ0的固定地点。
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