CN117308926B - 一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法，属于仿生偏振导航领域，通过天文年历得到导航系下太阳矢量，结合姿态转换矩阵，获得一步预测太阳矢量；计算太阳敏感器获得太阳矢量与一步预测太阳矢量之间的欧氏距离，建立太阳敏感器精度评估函数；计算复眼偏振传感器获得太阳矢量与一步预测太阳矢量之间的欧氏距离，建立偏振传感器精度评估函数；将太阳敏感器和偏振传感器所获得的太阳矢量精度作为融合因子，自适应调节参与量测更新的太阳矢量。本发明通过建立精度评估函数和融合因子，实现太阳矢量自适应寻优，进而可与惯导进行信息融合，提高导航系统精度。

Description

一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法

技术领域

本发明属于仿生偏振导航领域，具体涉及一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法。

背景技术

仿生偏振导航由于不受电磁干扰和误差不累积的优点，受到了广泛的关注和应用。然而，在太阳直射和云层遮挡的情况下，偏振传感器精度则会下降。研究发现自然界中的许多动物如蜣螂、蝗虫等，会同时利用太阳罗盘和偏振罗盘信息，进而提高导航行为的可靠性。受生物这种导航机制的启发，将偏振信息和太阳敏感器信息同时利用，进而实现高精度和强鲁棒性的导航已经成为一大热门研究方向。

针对偏振传感器和太阳敏感器信息融合方法，目前已开展了一定的研究。中国专利申请CN202210681424.3（一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统及方法），提出了一种利用偏振传感器单独定位，或利用太阳敏感器和惯性组合定位的方法。然而该方法并未实现将偏振信息和太阳敏感器信息同时利用进行导航。中国专利申请CN202111305836.9（一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法），通过设置偏振度阈值和太阳高度角阈值实现偏振信息和太阳敏感器信息的切换使用。然而，该方法中使用的点源式偏振传感器易受云层遮挡，且难以实现偏振信息和太阳敏感器信息的有效融合。中国专利申请CN202011307209.4（一种基于多模式的长航时飞行器仿生航向与姿态参考系统）对偏振信息和天文信息进行了获取和可用性判别，但并未实现两者信息之间的深度融合。针对上述问题和已有研究的不足，亟需探索一种有效的偏振传感器/太阳敏感器信息融合方法，实现太阳矢量自适应寻优，进而提高系统导航精度和鲁棒性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法，通过天文年历得到导航系下太阳矢量，结合上一时刻估计的姿态转换矩阵，获得一步预测太阳矢量；建立太阳敏感器精度评估函数，通过计算太阳敏感器获得太阳矢量与一步预测太阳矢量之间的欧氏距离，评估该时刻太阳敏感器所获得太阳矢量的精度；建立偏振传感器精度评估函数，通过计算复眼偏振传感器获得太阳矢量与一步预测太阳矢量之间的欧氏距离，评估该时刻复眼偏振传感器获得太阳矢量的精度；将太阳敏感器和偏振传感器所获得的太阳矢量精度作为融合因子，自适应调节参与量测更新的太阳矢量。本发明通过设计精度评估函数和融合因子，实现太阳矢量自适应寻优，进而可与惯导进行信息融合，提高导航系统精度和可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法，包括如下步骤：

步骤1）、通过天文年历获得导航系，即系下的太阳矢量/>，结合上一时刻估计的姿态转换矩阵/>，获得载体系，即/>系下的一步预测太阳矢量/>；

步骤2）、通过计算太阳敏感器获得的太阳矢量与一步预测太阳矢量/>之间的欧氏距离，评估该时刻太阳敏感器获得的太阳矢量/>的精度，建立太阳敏感器信息精度评估函数/>；

步骤3）、通过计算复眼偏振传感器获得的太阳矢量与一步预测太阳矢量/>之间的欧氏距离，评估该时刻复眼偏振传感器获得的太阳矢量/>的精度，建立偏振信息精度评估函数/>；

步骤4）、计算步骤2）得到的太阳敏感器信息精度评估函数和步骤3）得到的偏振信息精度评估函数/>的差值，并与融合阈值比较；若小于融合阈值，则将太阳敏感器获得的太阳矢量/>的精度和偏振传感器所获得的太阳矢量/>的精度作为融合因子，自适应调节参与量测更新的太阳矢量；否则，选择太阳敏感器和偏振传感器中精度较高的太阳矢量参与量测更新。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

针对太阳直射和云层遮挡的情况下偏振传感器精度下降的问题，首次提出一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法。通过天文年历得到导航系下太阳矢量，结合上一时刻估计的姿态转换矩阵，获得一步预测太阳矢量；通过计算太阳敏感器获得太阳矢量与一步预测太阳矢量之间的欧氏距离，建立太阳敏感器精度评估函数；通过计算复眼偏振传感器获得太阳矢量与一步预测太阳矢量之间的欧氏距离，建立偏振传感器精度评估函数；将太阳敏感器和偏振传感器所获得的太阳矢量精度作为融合因子，实现太阳矢量自适应寻优，进而可与惯导进行信息融合，提高导航系统精度和可靠性。

附图说明

图1为本发明的一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法的流程图。

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。

太阳直射和云层遮挡的情况下偏振传感器存在精度下降的问题，进而影响组合导航系统精度。因此，如图1所示，本发明提出一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法，包括如下步骤：

步骤1、通过天文年历得到导航系下太阳矢量，结合上一时刻估计的姿态转换矩阵，获得一步预测太阳矢量；

步骤2、建立太阳敏感器信息精度评估函数，通过计算太阳敏感器获得太阳矢量与一步预测太阳矢量之间的欧氏距离，评估该时刻太阳敏感器所获得太阳矢量的精度；

步骤3、建立偏振传感器信息精度评估函数，通过计算复眼偏振传感器获得太阳矢量与一步预测太阳矢量之间的欧氏距离，评估该时刻复眼偏振传感器获得太阳矢量的精度；

步骤4、将太阳敏感器和偏振传感器所获得的太阳矢量精度作为融合因子，自适应调节参与量测更新的太阳矢量。

具体地，所述步骤1包括：

根据时间和位置信息，通过天文年历求解得到导航系，即系下太阳矢量/>。短时间内惯导精度可以保证，得到上一时刻估计的姿态转换矩阵/>。进而得到载体系，即/>系下的一步预测太阳矢量/>：

(1)

具体地，所述步骤2包括：

以步骤1获得的一步预测太阳矢量作为评估太阳敏感器获得的太阳矢量/>精度的标准。通过计算太阳敏感器获得的太阳矢量/>与一步预测太阳矢量/>之间的欧氏距离，建立太阳敏感器精度评估函数/>：

(2)

其中，分别代表东、北、天向三维姿态失准角，/>代表二范数。

具体地，所述步骤3包括：

偏振传感器获得系下偏振矢量/>。通过两个不同方向的偏振矢量叉乘，复眼偏振传感器计算得到复眼偏振传感器获得的太阳矢量/>：

(3)

其中，为偏振传感器单眼编号，/>代表第/>个偏振传感器获得的偏振矢量，代表第/>个偏振传感器获得的偏振矢量，且/>。以步骤1获得的一步预测太阳矢量作为评估复眼偏振传感器获得的太阳矢量/>精度的标准。通过计算复眼偏振传感器获得的太阳矢量/>与一步预测太阳矢量/>之间的欧氏距离，建立偏振传感器精度评估函数/>：

(4)

具体地，所述步骤4包括：

首先计算步骤2和步骤3中得到的与/>精度的差值，记为/>：

(5)

将与融合阈值/>比较。若/>，则将步骤2和步骤3中的太阳敏感器和偏振传感器所获得的太阳矢量的精度作为融合因子，参与量测更新的太阳矢量/>表示为：

(6)

否则，若，则将太阳敏感器获得的太阳矢量/>参与量测更新：

(7)

否则，将复眼偏振传感器获得的太阳矢量参与量测更新：

(8)

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)

1.一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1）、通过天文年历获得导航系，即系下的太阳矢量/>，结合上一时刻估计的姿态转换矩阵/>，获得载体系，即/>系下的一步预测太阳矢量/>；

步骤2）、通过计算太阳敏感器获得的太阳矢量与一步预测太阳矢量/>之间的欧氏距离，评估该时刻太阳敏感器获得的太阳矢量/>的精度，建立太阳敏感器信息精度评估函数/>；

步骤3）、通过计算复眼偏振传感器获得的太阳矢量与一步预测太阳矢量/>之间的欧氏距离，评估该时刻复眼偏振传感器获得的太阳矢量/>的精度，建立偏振信息精度评估函数/>；

步骤4）、计算步骤2）得到的太阳敏感器信息精度评估函数和步骤3）得到的偏振信息精度评估函数/>的差值，并与融合阈值比较；若小于融合阈值，则将太阳敏感器获得的太阳矢量/>的精度和偏振传感器所获得的太阳矢量/>的精度作为融合因子，自适应调节参与量测更新的太阳矢量；否则，选择太阳敏感器和偏振传感器中精度较高的太阳矢量参与量测更新。

2.根据权利要求1所述的一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法，其特征在于：

所述步骤1）中，系下的一步预测太阳矢量/>为：

(1)。

3.根据权利要求2所述的一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法，其特征在于：

所述步骤2）中，以步骤1）获得的一步预测太阳矢量作为评估太阳敏感器获得的太阳矢量/>的精度的标准；太阳敏感器信息精度评估函数/>表示为：

(2)

其中，分别代表东、北、天向三维姿态失准角，/>代表二范数。

4.根据权利要求3所述的一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法，其特征在于：

所述步骤3）中，偏振传感器获得系下偏振矢量/>，通过两个不同方向的偏振矢量叉乘，复眼偏振传感器获得太阳矢量/>：

(3)

其中，i,j为偏振传感器单眼编号，代表第/>个偏振传感器获得的偏振矢量，/>代表第/>个偏振传感器获得的偏振矢量，且/>；

以步骤1）获得的一步预测太阳矢量作为评估复眼偏振传感器获得的太阳矢量的精度的标准，偏振信息精度评估函数/>表示为：

(4)。

5.根据权利要求4所述的一种基于太阳敏感器和偏振传感器的太阳矢量寻优方法，其特征在于：

所述步骤4）中，太阳敏感器信息精度评估函数和偏振信息精度评估函数/>的差值记为/>，表示为：

(5)

将差值与融合阈值/>比较，若/>，则将步骤2）中太阳敏感器获得的太阳矢量/>的精度和步骤3）中偏振传感器所获得的太阳矢量/>的精度作为融合因子，参与量测更新的太阳矢量/>表示为：

(6)

否则，若，则将太阳敏感器获得的太阳矢量/>参与量测更新：

(7)

否则，将复眼偏振传感器获得的太阳矢量参与量测更新：

(8)。