CN116242350B - 一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法 - Google Patents

一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法。首先设计分布式偏振导航系统，获取每个子系统在载体系下测得的太阳矢量、三轴姿态角、速度以及各子系统间相对距离；然后将载体系下太阳矢量转换到地理坐标系下，并建立地理坐标系下太阳高度角、太阳方位角与各子系统经纬度的关系；其次，建立各子系统间相对距离与经纬度的关系；最后，建立分布式偏振导航系统的状态方程和量测方程，利用无迹卡尔曼滤波方法对各子系统经纬度进行估计。本发明建立了一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法，可用于无人系统协同定位。

Description

一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法
技术领域
本发明属于仿生偏振光导航领域，具体涉及一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法，可在卫星信号拒止条件下通过分布式偏振光导航系统获得多个无人系统的观测太阳位置与相对距离约束，进而对多无人系统进行全球定位。
背景技术
无人机、无人船、无人潜航器等无人系统在军事和民用领域发挥着越来越重要的作用。为了提高任务效能、降低成本，往往采用多无人系统协同执行任务。但是无人系统面临的任务环境复杂、态势变化快、不确定因素多，对无人系统的协同能力提出了更高的要求，协同导航能力、特别是协同定位能力，是无人系统能够顺利执行任务与安全返回的先决条件。
目前常用的定位方式包括卫星导航、无线电导航、天文导航、地球物理场导航等方式。其中卫星导航，即全球卫星定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是最常用的定位方法，但是容易受到信号干扰、可靠性差；无线电导航系统则不能覆盖全球区域，主要用于陆地及海岸线附近的定位；天文导航系统在白天会受到太阳光等背景光的干扰，难以应用于昼间环境；地球物理场导航方式需要先验的地球物理场信息，不能适用于陌生环境。因此，如何在GNSS拒止条件下实现无人系统在复杂陌生区域的高可靠、强鲁棒、全自主定位，成为提高无人系统任务能力的关键。
帝王蝶、沙蚁、虹鳟鱼、螳螂虾等生物能够利用偏振光来进行导航，为解决拒止条件下自主导航定位难题提供了思路。关于仿生偏振光导航在定姿领域的应用已经有了较多研究，例如中国专利申请CN201911252069.2提出了一种基于偏振/天文信息融合的航向与姿态确定方法、中国专利申请CN201611078923.4提出了一种基于双中性点矢量的天空偏振三维定姿方法，但是目前在仿生偏振自主定位领域的研究较少。其中，中国专利申请CN202010874766.8提出了一种基于偏振位姿信息耦合迭代自主导航定位方法，解决了在偏振光导航系统中需要初始位置的问题；中国专利申请CN202010475095.8提出了一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法，可在夜间环境实现仿生偏振自主定位；中国专利申请CN201911250913.8提出了一种基于偏振/天文辅助的自主导航定位方法，研究了偏振/天文组合导航系统的定位方法。
但是上述研究都只针对单一载体的定位问题，单一节点偏振信息对定位结果的约束性较弱。本发明考虑偏振光场的空间分布特性，提出了一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法，通过多节点的偏振信息观测以及相对距离约束，提高了偏振定位精度，实现了无人系统不依赖卫星信号的全球定位，可应用于多无人系统“陆-海-空”分布式网络的协同定位场景。
发明内容
针对在复杂、陌生、电磁拒止环境下，多无人系统协同定位手段匮乏的问题，本发明提供一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法，其利用分布式偏振光导航系统构型，并基于此构型设计了基于分布式太阳矢量观测的定位方法。可用于在卫星拒止环境下实现无人系统的协同定位，提高无人系统的鲁棒性与任务执行能力。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案为：
一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法，包括如下步骤：
步骤（1）、设计分布式偏振光导航系统，所述分布式偏振光导航系统由个相同的子系统组成，每个子系统中均包括偏振光传感器、惯导模块以及相对通信网络；其中偏振光传感器测得每个子系统在载体坐标系下的太阳矢量/>，惯导模块测得每个子系统的载体三轴姿态角/>与载体坐标系下的三轴速度/>，相对通信网络测得每个子系统之间的相对距离/>，其中/>；
步骤（2）、结合步骤（1）的载体坐标系下的太阳矢量、载体三轴姿态角/>，计算地理坐标系下太阳高度角、太阳方位角，并建立地理系下太阳高度角、太阳方位角与各子系统经度/>、纬度/>的对应关系；
步骤（3）、结合步骤（1）的各子系统间的相对距离，建立各子系统经度/>、纬度/>与相对距离/>的关系；
步骤（4）、建立分布式偏振导航系统状态方程与量测方程，并利用无迹卡尔曼滤波方法估计分布式偏振光导航系统中各子系统的经度和纬度/>。
进一步地，所述步骤（1）包括：
分布式偏振光导航系统由个相同的子系统组成，各子系统编号为/>，则；惯导模块测得每个子系统的载体三轴姿态角与载体坐标系下的三轴速度/>，其中分别为该子系统的航向角、俯仰角、横滚角。
进一步地，所述步骤（2）中的对应关系的具体实现如下：
由步骤（1）测得的子系统的载体三轴姿态角，计算得到每个子系统的姿态转换矩阵/>，进一步得到每个子系统测得的太阳矢量在地理坐标系下表示为：
，
根据太阳矢量得到地理系下太阳方位角/>与太阳高度角/>为：
，
，
其中，分别为地理坐标系下太阳矢量/>的三维坐标。
根据天文年历得到地理系下太阳方位角、太阳高度角/>与各子系统经度/>、纬度/>之间的关系，即：
，
，
其中，为当地时间，/>与/>分别为计算太阳方位角、太阳高度角的天文年历函数。
进一步地，所述步骤（3）包括：
假设第个子系统之间的距离近似为地球表面两点之间的圆弧，则各子系统间相对距离/>表示为：
，
其中，为地球半径，/>分别为第/>个子系统的经度、纬度，/>分别为第/>个子系统的经度、纬度。
进一步地，所述步骤（4）包括：
设分布式偏振导航系统的状态矢量为：
，
其中，分别为/>个子系统的经度、纬度。
量测矢量为：
，
其中，分别为/>个子系统测量到的地理坐标系下太阳高度角、太阳方位角，/>为第/>个子系统之间的相对距离，且/>。
则分布式偏振光导航系统的状态方程为：
，
其中，与/>分别为状态矢量/>在/>与/>时刻的表示，/>为系统噪声，代表离散化时间，/>表示相邻时刻的状态矢量关系，具体表达如下：
，
其中，分别为/>个子系统在/>时刻的经度、纬度，分别为/>个子系统在地理坐标系下的东向速度与北向速度分量，为地球半径，/>为/>与/>时刻的间隔时间。
根据步骤（2）、步骤（3）确定的太阳矢量以及相对距离与各子系统经纬度的关系，建立分布式偏振光导航系统的量测方程：
，
其中，为系统量测噪声，/>表示状态矢量与量测矢量的关系，具体表达如下：
，
根据上述建立的分布式偏振导航系统方程，利用无迹卡尔曼滤波方法对组合导航系统状态量，即各子系统的经纬度进行估计。
本发明可以实现对无人系统各子系统的实时全球定位。
与现有的技术相比，本发明具有以下的优点：
（1）考虑到无人系统协同定位需求，设计了分布式偏振导航系统，并引入了相对距离约束，建立了各子系统间相对距离与经纬度之间的关系，因此相比于现有的单一传感器偏振自主定位方法，本发明利用的信息源更丰富，定位精度更高；
（2）本发明综合利用不同节点的偏振信息进行自主定位，能够通过差分效应消除不同地点之间偏振信息的共有误差，提高自主定位精度；
（3）本发明建立了分布式偏振导航系统状态方程与量测方程，实现了各子系统经纬度的实时解算，相比于现有的偏振自主定位方法，本发明的动态性更好、实时性更强。
附图说明
图1为本发明的一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法的流程图；
图2为分布式偏振导航系统构型示意图；
图3为地心坐标系下各子系统位置与相对距离关系示意图。
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，本发明的一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法具体实现步骤为：
步骤（1）、设计一种分布式偏振光导航系统，该分布式偏振光导航系统由个相同的子系统组成，各子系统编号为/>，则/>；每个子系统中均包括偏振光传感器、惯导模块以及相对通信网络。其中偏振光传感器可以测得每个子系统在载体坐标系下的太阳矢量/>，惯导模块可以测得每个子系统的载体三轴姿态角与载体坐标系下的三轴速度/>，其中分别为该子系统的航向角、俯仰角、横滚角，相对通信网络可以测得每个子系统之间的相对距离/>，/>，分布式偏振光导航系统构型如图2所示。
步骤（2）、将第一步各子系统中偏振光传感器测得的载体系下太阳矢量转换到地理坐标系下，并建立地理坐标系下太阳高度角、方位角与各子系统经纬度的对映关系。
由步骤（1）测得的载体三轴姿态角可得，每个子系统的姿态转换矩阵为：
，
则每个子系统测得的太阳矢量在地理坐标系下表示为：
，
由太阳矢量可得地理坐标系下太阳方位角/>与太阳高度角为：
，
，
其中，分别为地理坐标系下太阳矢量/>的三维坐标。
根据天文年历，可以得到各子系统测得的地理系下太阳方位角、太阳高度角/>与各子系统经度/>、纬度/>之间的关系，即：
，
，
其中，为当地时间，/>与/>分别为计算太阳方位角、太阳高度角的天文年历函数。
因此对每个子系统而言，存在以下关系：
，
，
步骤（3）、由步骤（1）测得的各子系统之间的相对距离，建立各子系统经度/>、纬度/>与相对距离的关系。
建立地心坐标系（系），定义地球的球心为原点/>，/>轴与首子午面与赤道面的交线重合，以向东为正，/>轴与地球旋转轴重合，以向北为正。
如图3所示，第个子系统位置在地心坐标系下的向量/>、/>表示为：
，
，
其中，为地球半径，可近似为/>，/>分别为第/>个子系统的经度、纬度，/>分别为第/>个子系统的经度、纬度。
则两个向量在地心的夹角为：
，
，
由于各子系统之间距离较近，第个子系统之间的距离/>可近似为地球表面两点之间的圆弧，由弧度的定义可得：
，
即：
，
步骤（4）、建立分布式偏振导航系统状态方程与量测方程，并利用无迹卡尔曼滤波方法（UKF）估计各子系统的经纬度。
设分布式偏振导航系统的状态矢量为：
，
其中，分别为/>个子系统的经度、纬度。
量测矢量为：
，
其中，分别为/>个子系统测量到的地理坐标系下太阳高度角、太阳方位角，/>为第/>个子系统之间的相对距离，且/>，
由位置和速度的关系可得分布式偏振光导航系统的状态方程为：
，
其中，与/>分别为状态矢量/>在/>与/>时刻的表示，/>为系统噪声，代表离散化时间，/>表示相邻时刻的状态矢量关系，具体表达如下：
，
其中，分别为/>个子系统在/>时刻的地理经度、纬度，分别为/>个子系统在地理坐标系下的东向速度与北向速度分量，为地球半径，/>为/>与/>时刻的间隔时间。
根据步骤2、步骤3确定的太阳矢量以及相对距离与子系统经纬度的关系，可以建立分布式偏振光导航系统的量测方程：
，
其中，为系统量测噪声，/>表示状态矢量与量测矢量的关系，具体表达如下：
，
根据上述建立的分布式偏振导航系统方程，利用无迹卡尔曼滤波方法对组合导航系统状态量，即各子系统的经纬度进行估计。可以实现对无人系统各子系统的实时全球定位。
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 (3)

1.一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）、设计分布式偏振光导航系统，所述分布式偏振光导航系统由个相同的子系统组成，每个子系统中均包括偏振光传感器、惯导模块以及相对通信网络；其中偏振光传感器测得每个子系统在载体坐标系下的太阳矢量/>，惯导模块测得每个子系统的载体三轴姿态角/>与载体坐标系下的三轴速度/>，相对通信网络测得每个子系统之间的相对距离，其中/>；分布式偏振光导航系统的各子系统编号为，则/>；惯导模块测得每个子系统的载体三轴姿态角与载体坐标系下的三轴速度/>，其中分别为该子系统的航向角、俯仰角、横滚角；
步骤（2）、结合步骤（1）的载体坐标系下的太阳矢量、载体三轴姿态角/>，计算地理坐标系下太阳高度角、太阳方位角，并建立地理系下太阳高度角、太阳方位角与各子系统的经度/>、纬度/>的对应关系；所述步骤（2）中的对应关系的具体实现如下：
由步骤（1）测得的子系统的载体三轴姿态角，计算得到每个子系统的姿态转换矩阵/>，进一步得到每个子系统测得的太阳矢量在地理坐标系下表示：
，
根据太阳矢量得到地理系下太阳方位角/>与太阳高度角/>为：
，
，
其中，分别为地理坐标系下太阳矢量/>的三维坐标；
根据天文年历得到地理系下太阳方位角、太阳高度角/>与各子系统的经度/>、纬度/>之间的关系，即：
，
，
其中，为当地时间，/>与/>分别为计算太阳方位角、太阳高度角的天文年历函数；
步骤（3）、结合步骤（1）的各子系统之间的相对距离，建立各子系统经度/>、纬度与相对距离/>的关系；
步骤（4）、建立分布式偏振导航系统状态方程与量测方程，并利用无迹卡尔曼滤波方法估计分布式偏振光导航系统中各子系统的经度和纬度/>。
2.根据权利要求1所述的一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法，其特征在于：
所述步骤（3）包括：
假设第个子系统之间的距离近似为地球表面两点之间的圆弧，则各子系统之间的相对距离/>表示为：
，
其中，为地球半径，/>分别为第/>个子系统的经度、纬度，/>分别为第/>个子系统的经度、纬度。
3.根据权利要求2所述的一种空间分布式偏振/惯导协同定位方法，其特征在于：
所述步骤（4）包括：
设分布式偏振导航系统的状态矢量为：
，
其中，分别为/>个子系统的经度、纬度；
量测矢量为：
，
其中，分别为/>个子系统测量到的地理坐标系下太阳高度角、太阳方位角，/>为第/>个子系统之间的相对距离，且/>；
则分布式偏振光导航系统的状态方程为：
，
其中，与/>分别为状态矢量/>在/>与/>时刻的表示，/>为系统噪声，/>代表离散化时间，/>表示相邻时刻的状态矢量关系，具体表达如下：
，
其中，分别为/>个子系统在/>时刻的经度、纬度，分别为/>个子系统在地理坐标系下的东向速度与北向速度分量，为地球半径，/>为/>与/>时刻的间隔时间；
根据步骤（2）、步骤（3）确定的太阳矢量以及相对距离与各子系统经纬度的关系，建立分布式偏振光导航系统的量测方程：
，
其中，为系统量测噪声，/>表示状态矢量与量测矢量的关系，具体表达如下：
，
根据上述建立的分布式偏振导航系统方程，利用无迹卡尔曼滤波方法对组合导航系统状态矢量，即各子系统的经纬度进行估计。
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