CN116448145A - 一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法，包括步骤，将姿态失准角、陀螺漂移、陀螺刻度因子误差作为状态量，建立系统状态方程；利用仿复眼偏振传感器中不同观测方向的两个单眼偏振单元测量大气偏振矢量并做差，消除高空高动态环境下气动光、气动热等干扰对偏振传感器产生的公有误差；将偏振矢量空间差分信息作为量测，建立与姿态失准角的量测方程，完成滤波器设计；采用无迹卡尔曼滤波方法对姿态失准角进行估计，实现对载体姿态及航向的修正。本发明提出的一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法，通过利用不同观测方向的偏振矢量空间差分信息，消除偏振传感器的公有误差，提高在高空高动态环境下偏振组合导航系统的航向及姿态精度。
Description
技术领域
本发明属于仿生偏振导航领域，具体涉及一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法，可消除气动光、气动热等干扰引起的偏振传感器公有误差，提高高空、高动态环境下，偏振组合导航系统的航向与姿态精度。
背景技术
自然界的许多生物：蜻蜓、蜜蜂等可以利用自身的偏振罗盘和平衡棒获取姿态及方向信息。受生物这种融合机制的启发，偏振/惯导组合已经发展成为一种新型的自主导航方式。由于具备抗干扰能力强、无辐射等优点，偏振/惯导组合在自主导航领域受到广泛关注，可满足高精度、长航时的自主导航需求。
为提高偏振/惯导组合精度，许多研究机构在偏振/惯导融合方法上开展了大量的研究。中国专利申请“一种基于偏振度加权的仿生偏振自主组合导航方法”(申请号：CN201911250920.8)根据观测点偏振度大小设置该观测点所获得的偏振矢量权值。基于瑞利散射原理，建立惯性/偏振组合导航系统模型。中国专利申请“一种大失准角下惯性/偏振光组合导航系统EKF对准方法”(申请号：CN201911131570.3)利用偏振方位角计算太阳矢量，并建立偏振光非线性量测方程；根据惯性导航系统的速度输出，建立静基座速度误差量测方程；进而利用增广技术建立统一的惯性/偏振光组合导航系统模型。中国专利申请“基于自学习多速率残差校正的偏振光/惯性严密组合导航方法”(申请号：CN202010329675.6)，将惯性导航系统输出的航向角转换为载体体轴相对于太阳子午线的方位角并作为状态量，以偏振光导航系统解算的载体体轴相对于太阳子午线方位角作为观测量，进而进行两数据的融合。上述中国专利申请的偏振/惯导融合方法在地面及低空环境得到了很好的应用，但未考虑高空气动光、气动热等干扰对偏振传感器产生的公有误差，未实现对公有误差的补偿及抑制。针对上述问题，如何消除气动光、气动热等干扰对偏振传感器产生的公有误差，进一步提高在高空、高动态环境下偏振/惯导融合的航姿精度亟待研究。
发明内容
为了解决上述问题，克服现有技术的不足，本发明提出一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法。将姿态失准角、陀螺漂移、陀螺刻度因子误差作为状态量，建立系统的状态方程；利用仿复眼偏振传感器中不同观测方向的两个偏振矢量进行空间差分，得到偏振矢量空间差分量，消除气动光、气动热等干扰对偏振传感器产生的公有误差；将偏振矢量空间差分信息作为量测，建立与姿态失准角的量测方程，完成系统滤波器的设计；最后，采用无迹卡尔曼滤波的方法对姿态失准角进行估计，实现对载体姿态及航向的修正。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法，包括如下步骤：
步骤1)、将姿态失准角、陀螺漂移、陀螺刻度因子误差作为状态量，建立系统的状态方程；系统状态量为：x＝[φGb Gs]T 9×1，φ表示三维姿态失准角，Gb表示陀螺漂移，Gs表示陀螺三轴刻度因子误差；
步骤2)、针对高空、高动态环境下气动光、气动热的干扰引起的偏振传感器公有误差，对仿复眼偏振传感器中任意两个单眼偏振单元测量的偏振矢量做差，得到偏振矢量空间差分量消除公有误差对偏振传感器的影响；
步骤3)、利用步骤2)的偏振矢量空间差分量并基于太阳矢量与偏振矢量的垂直关系，建立与系统状态量中姿态失准角的映射模型，完成系统量测方程的设计；
步骤4)、采用无迹卡尔曼滤波的方法对姿态失准角进行估计，实现对载体姿态及航向的修正。
进一步地，所述步骤1)中，状态方程表示为：
其中，w表示系统状态方程的噪声，F为状态转移矩阵，表示为：
其中，表示地理系相对于惯性系在地理系下的旋转矩阵，状态转移矩阵中的矩阵A表示为：
A矩阵中的表示理想姿态转移矩阵，Gx,Gy,Gz分别表示陀螺仪x，y，z轴测量的角速度。
进一步地，所述步骤2)中，
仿复眼偏振传感器中任意两个单眼偏振单元测量的偏振矢量表示为：对上述两个不同观测方向的偏振矢量进行空间差分得到：
其中，m1与m2分别表示两个单眼偏振单元，表示m1所在坐标系与载体系的转换矩阵，/>表示m2所在坐标系与载体系的转换矩阵。
进一步地，所述步骤3)中，基于太阳矢量与偏振矢量的垂直关系，单眼偏振单元m1测量的偏振矢量建立与姿态失准角之间的映射模型：
单眼偏振单元m2测量的偏振矢量与姿态失准角之间的关系表示为：
其中，表示带误差的姿态转换矩阵，/>分别表示m1与m2单眼偏振单元构建的量测方程对应的量测噪声，/>与/>表示m1与m2单眼偏振单元的理想偏振矢量，sn表示导航系下太阳矢量；
对式(5)与式(6)进行空间差分，建立偏振矢量空间差分量与姿态失准角间的关系：
对式(7)整理，建立基于偏振矢量空间差分量的量测方程：
其中，基于式(8)，完成系统量测方程的设计。
进一步地，所述步骤4)，根据系统模型特点，采用无迹卡尔曼滤波的方法对姿态失准角进行估计，实现高空、高动态环境下，利用偏振矢量空间差分信息对载体姿态及航向的修正。本发明与现有技术相比的优点在于：针对高空、高动态环境下气动光、气动热等干扰对偏振传感器产生的公有误差，首次提出一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法。利用不同观测方向的偏振矢量空间差分量，建立与惯导姿态失准角的量测方程，消除公有误差对偏振传感器的影响，提高系统对惯导姿态失准角的估计精度，进而提升系统的航姿精度。
附图说明
图1为本发明的一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法流程图。
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。
高空、高动态环境下气动光、气动热等干扰会影响偏振传感器的测量精度，进而影响偏振/惯导组合精度。针对上述问题，本发明提出一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法。将姿态失准角、陀螺漂移、陀螺刻度因子误差作为状态量，建立系统的状态方程；利用仿复眼偏振传感器中不同观测方向的两个偏振矢量进行空间差分，得到偏振矢量空间差分量，消除气动光、气动热等干扰对偏振传感器产生的公有误差；将偏振矢量空间差分信息作为量测，建立与姿态失准角的量测方程，完成系统滤波器的设计；最后，采用无迹卡尔曼滤波的方法对姿态失准角进行估计，实现对载体姿态及航向的修正，提高高空、高动态环境下系统的航姿精度。
如图1所示，本发明的一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法具体实现步骤如下：
步骤1)、将姿态失准角、陀螺漂移、陀螺刻度因子误差作为状态量，建立系统的状态方程。状态量：x＝[φGb Gs]T 9×1，φ表示三维姿态失准角，Gb表示陀螺漂移，Gs表示陀螺三轴刻度因子误差。
状态方程可表示为：
其中，w表示系统状态方程的噪声，F为状态转移矩阵，可表示为：
其中，表示地理系相对于惯性系在地理系下的旋转矩阵，状态转移矩阵中的矩阵A可表示为：
A矩阵中的表示理想姿态转移矩阵，Gx,Gy,Gz分别表示陀螺仪x，y，z轴测量的角速度。
步骤2)、针对高空、高动态环境下气动光、气动热等干扰引起的偏振传感器公有误差，对仿复眼偏振传感器中任意两个单眼偏振单元测量的偏振矢量做差，得到偏振矢量空间差分量消除公有误差对偏振传感器的影响。
仿复眼偏振传感器中任意两个单眼偏振单元测量的偏振矢量可表示为：对上述两个不同观测方向的偏振矢量进行空间差分可得：
其中，m1与m2分别表示两个单眼偏振单元，表示m1所在坐标系与载体系的转换矩阵，/>表示m2所在坐标系与载体系的转换矩阵。
步骤3)、利用步骤2)的偏振矢量空间差分量并基于太阳矢量与偏振矢量的垂直关系，建立与系统状态量中姿态失准角的映射模型，完成系统量测方程的设计。
基于太阳矢量与偏振矢量的垂直关系，单眼偏振单元m1测量的偏振矢量可建立与姿态失准角之间的映射模型：
单眼偏振单元m2测量的偏振矢量与姿态失准角之间的关系可表示为：
其中，表示带误差的姿态转换矩阵，/>分别表示m1与m2单眼偏振单元构建的量测方程对应的量测噪声，/>与/>表示单眼偏振单元m1与m2的理想偏振矢量。
对公式(5)与公式(6)进行空间差分，建立偏振矢量空间差分量与姿态失准角间的关系：
对公式(7)整理，建立基于偏振矢量空间差分量的量测方程：
其中，基于公式(8)，完成系统量测方程的设计。
步骤4)、根据系统模型的特点，采用无迹卡尔曼滤波的方法对姿态失准角进行估计，实现对载体姿态及航向的修正。
以上所述仅是本发明的优选实施方案，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改动应视为本发明的保护范围。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。
Claims (5)
1.一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)、将姿态失准角、陀螺漂移、陀螺刻度因子误差作为状态量，建立系统的状态方程；系统状态量为：x＝[φGb Gs]T 9×1，φ表示三维姿态失准角，Gb表示陀螺漂移，Gs表示陀螺三轴刻度因子误差；
步骤2)、针对高空、高动态环境下气动光、气动热的干扰引起的偏振传感器公有误差，对仿复眼偏振传感器中任意两个单眼偏振单元测量的偏振矢量做差，得到偏振矢量空间差分量消除公有误差对偏振传感器的影响；
步骤3)、利用步骤2)的偏振矢量空间差分量并基于太阳矢量与偏振矢量的垂直关系，建立与系统状态量中姿态失准角的映射模型，完成系统量测方程的设计；
步骤4)、采用无迹卡尔曼滤波的方法对姿态失准角进行估计，实现对载体姿态及航向的修正。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法，其特征在于：
所述步骤1)中，状态方程表示为：
其中，w表示系统状态方程的噪声，F为状态转移矩阵，表示为：
其中，表示地理系相对于惯性系在地理系下的旋转矩阵，状态转移矩阵中的矩阵A表示为：
A矩阵中的表示理想姿态转移矩阵，Gx,Gy,Gz分别表示陀螺仪x，y，z轴测量的角速度。
3.根据权利要求2所述的一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法，其特征在于：
所述步骤2)中，仿复眼偏振传感器中任意两个单眼偏振单元测量的偏振矢量表示为：对上述两个不同观测方向的偏振矢量进行空间差分得到：
其中，m1与m2分别表示两个单眼偏振单元，表示m1所在坐标系与载体系的转换矩阵，表示m2所在坐标系与载体系的转换矩阵。
4.根据权利要求3所述的一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法，其特征在于：
所述步骤3)中，基于太阳矢量与偏振矢量的垂直关系，单眼偏振单元m1测量的偏振矢量建立与姿态失准角之间的映射模型：
单眼偏振单元m2测量的偏振矢量与姿态失准角之间的关系表示为：
其中，表示带误差的姿态转换矩阵，/>分别表示m1与m2单眼偏振单元构建的量测方程对应的量测噪声，/>与/>表示m1与m2单眼偏振单元的理想偏振矢量，sn表示导航系下太阳矢量；
对式(5)与式(6)进行空间差分，建立偏振矢量空间差分量与姿态失准角间的关系：
对式(7)整理，建立基于偏振矢量空间差分量的量测方程：
其中，基于式(8)，完成系统量测方程的设计。
5.根据权利要求4所述的一种基于偏振矢量空间差分的航姿确定方法，其特征在于：
所述步骤4)，根据系统模型特点，采用无迹卡尔曼滤波的方法对姿态失准角进行估计，实现高空、高动态环境下，利用偏振矢量空间差分信息对载体姿态及航向的修正。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117308926A (zh) * | 2023-11-30 | 2023-12-29 | 北京航空航天大学 | 一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法 |
| CN117433564A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-01-23 | 北京航空航天大学 | 一种基于太阳敏感器辅助的偏振传感器误差在线标定方法 |
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| CN117308926B (zh) * | 2023-11-30 | 2024-01-30 | 北京航空航天大学 | 一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法 |
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| CN117433564B (zh) * | 2023-12-05 | 2024-03-01 | 北京航空航天大学 | 一种基于太阳敏感器辅助的偏振传感器误差在线标定方法 |
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