CN117433564B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明提出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，属于仿生偏振导航领域，包括：将偏振传感器六路通道的光强增益系数、偏振度系数、检偏方向角作为待估计状态量，建立状态方程；利用太阳敏感器直接测得的太阳矢量，建立偏振矢量中偏振方位角与太阳矢量之间的函数关系；在此基础上，结合偏振传感器模型，建立基于偏振传感器每路通道光强输出的量测方程；最后采用无迹卡尔曼滤波的方法实现对偏振传感器模型中误差参数的实时在线估计。本发明通过建立太阳敏感器获得的高精度太阳矢量与偏振方位角之间的联系，实现对偏振传感器误差参数的实时在线估计，提高偏振传感器长航时导航精度。
Description
技术领域
本发明属于仿生偏振导航领域，具体涉及一种基于太阳敏感器辅助的偏振传感器误差在线标定方法。
背景技术
自然界中的许多生物，如螳螂虾、蝗虫等，可以同时感知偏振信息和太阳位置信息实现自身方向的确定，并能通过太阳罗盘修正偏振罗盘，实现更高精度的导航。受生物这种导航机制的启发，利用太阳敏感器修正偏振传感器误差，进而实现更高精度的导航已经成为一大热门研究方向。
针对偏振传感器误差标定方法，目前已开展了大量的研究。中国专利申请CN201911251994.3 （一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法 ）通过加速度计获得的重力信息与偏振传感器获得的太阳矢量信息建立量测，估计出各个偏振传感器模块与载体系的安装误差。中国专利申请 CN202111408066.0（一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法），通过积分球和高精度转台提供偏振方位角信息，建立包含暗电流的偏振传感器模型并进行标定和补偿，提高了偏振传感器在水下环境的偏振信息获取精度以及环境适应性。然而，这些标定方法只能在使用前对偏振传感器误差进行离线估计，当外界环境和自身状态发生大的变化时，已标定的偏振传感器误差参数不再适用，进而导致偏振传感器导航精度下降。
针对偏振传感器和太阳敏感器或星敏感器组合导航方法，中国专利申请CN201911250913.8（一种基于偏振/天文辅助的自主导航定位方法），利用偏振传感器解算太阳高度角，通过星敏感器获得星体高度角，进而实现经纬度解算；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），提出了利用偏振传感器实现定位，或利用太阳敏感器和惯导组合定位的方法。然而上述专利申请并未实现天文传感器和偏振传感器之间的标定，进而降低了偏振传感器的环境适应性。针对上述问题，亟需研究偏振传感器误差的在线标定方法，利用太阳敏感器获得的高精度太阳矢量，实现对偏振传感器误差参数的实时在线估计，进而提高长航时、跨地域任务场景下偏振传感器的导航精度。
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辅助的偏振传感器误差在线标定方法，将偏振传感器六路通道的光强增益系数、偏振度系数、检偏方向角作为待估计状态量，建立状态方程；利用太阳敏感器直接测得的太阳矢量，建立偏振矢量中偏振方位角与太阳矢量之间的函数关系；在此基础上，结合偏振传感器模型，建立基于偏振传感器每路通道光强输出的量测方程；最后采用无迹卡尔曼滤波的方法实现对偏振传感器模型中误差参数的实时在线估计。本发明利用太阳敏感器获得的高精度太阳矢量实现对偏振传感器误差参数的实时在线估计和补偿，提高长航时应用场景下偏振传感器的导航精度。
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辅助的偏振传感器误差在线标定方法，包括如下步骤：
步骤1）、以偏振传感器六个通道的光强增益系数、偏振度系数/>、检偏方向角作为偏振传感器的状态量/>，其中，/>，表示六个通道编号；状态量表示为，建立基于偏振传感器参数的状态方程；其中，/>表示状态量/>的一阶导数，/>表示状态量/>与其一阶导数/>之间的函数关系；
步骤2）、在载体系坐标系，即系下，根据偏振矢量/>垂直于太阳矢量/>和观测矢量/>所在平面，利用太阳敏感器直接测得的太阳矢量/>，建立偏振矢量/>中偏振方位角/>与太阳矢量/>的函数关系/>；其中，/>表示偏振方位角/>与太阳矢量/>之间的函数关系；
步骤3）、通过偏振传感器模型，并结合步骤2建立的偏振方位角/>与太阳矢量/>的函数关系，建立基于偏振传感器每路通道光强输出的量测方程；其中，/>表示出射光强，/>分别表示偏振传感器模型中的光强增益系数、偏振度系数和检偏方向角；/>表示偏振传感器的状态量和偏振角与出射光强之间的函数关系，/>表示偏振传感器的状态量和太阳矢量与出射光强之间的函数关系；
步骤4）、采用无迹卡尔曼滤波的方法实现对偏振传感器模型中误差参数的实时在线估计，进而提高偏振传感器长航时导航精度。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
针对长航时、跨地域导航任务场景下偏振传感器误差参数不确定性强、变化大的问题，本发明首次提出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。将偏振传感器六路通道的光强增益系数、偏振度系数、检偏方向角作为待估计状态量，建立状态方程；利用太阳敏感器直接测得的太阳矢量，建立偏振矢量中偏振方位角与太阳矢量之间的函数关系；在此基础上，结合偏振传感器模型，建立基于偏振传感器每路通道光强输出的量测方程；最后采用无迹卡尔曼滤波方法，实现对偏振传感器模型中误差参数的实时在线估计，提高偏振传感器的导航精度。
附图说明
图1为本发明的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。
长航时、跨地域导航任务场景下偏振传感器误差参数存在不确定性强、变化大的问题，进而影响偏振传感器导航精度。因此，如图1所示，本发明提出的基于太阳敏感器辅助的偏振传感器误差在线标定方法具体实现步骤如下：
步骤1、将偏振传感器六路通道的光强增益系数、偏振度系数、检偏方向角作为状态量，建立基于偏振传感器参数的状态方程；
步骤2、利用载体系下，偏振矢量垂直于太阳矢量和观测矢量，建立偏振矢量中偏振方位角与太阳矢量之间的函数关系；
步骤3、结合偏振传感器模型，建立基于偏振传感器每路通道光强输出的量测方程；
步骤4、采用无迹卡尔曼滤波方法实现对偏振传感器参数的实时在线估计。
具体地，所述步骤1包括：以偏振传感器六个通道的光强增益系数，偏振度系数，检偏方向角/>，作为状态量/>，其中，/>，表示六个通道编号。状态量表示为：
(1)
其中，上标表示矩阵的转置；
在短时间内偏振传感器参数不发生大的变化，建立基于偏振传感器参数的状态方程：
(2)
其中，表示状态量/>的一阶导数。
具体地，所述步骤2包括：太阳敏感器直接得到载体系坐标系，即系下的太阳矢量/>，其中，/>是太阳矢量/>中的元素。观测矢量/>。根据偏振矢量垂直于太阳矢量和观测矢量所在平面这一关系，得到/>系下偏振矢量/>：
(3)
而偏振矢量由偏振方位角表示为。利用偏振传感器得到的偏振矢量/>，建立偏振矢量/>中偏振方位角/>与太阳敏感器测得太阳矢量/>的关系：
(4)
其中，代表二范数。
具体地，所述步骤3中，偏振传感器模型表示为：
(5)
其中，表示出射光强，/>表示入射光强，/>表示偏振度，/>表示偏振方位角。光强增益系数/>、偏振度系数/>、检偏方向角/>为待估计的三个偏振传感器参数。
将步骤2中得到的偏振方位角与太阳矢量/>的之间的关系代入偏振传感器模型中，建立基于偏振传感器每路通道光强输出的量测方程：
(6)
其中，，表示偏振传感器六个光路通道的编号。/>表示第/>路通道光强输出，/>表示测量噪声。
具体地，所述步骤4包括：根据模型特点，采用无迹卡尔曼滤波的方法实现对偏振传感器模型中误差参数的估计。
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 (4)
1.一种基于太阳敏感器辅助的偏振传感器误差在线标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1）、以偏振传感器六个通道的光强增益系数、偏振度系数/>、检偏方向角/>作为偏振传感器的状态量/>，其中，/>，表示六个通道编号；状态量表示为，建立基于偏振传感器参数的状态方程；其中，/>表示状态量/>的一阶导数，/>表示状态量/>与其一阶导数/>之间的函数关系；
步骤2）、在载体系坐标系，即系下，根据偏振矢量/>垂直于太阳矢量/>和观测矢量所在平面，利用太阳敏感器直接测得的太阳矢量/>，建立偏振矢量/>中偏振方位角/>与太阳矢量/>的函数关系/>；其中，/>表示偏振方位角/>与太阳矢量/>之间的函数关系；
步骤3）、通过偏振传感器模型，并结合步骤2建立的偏振方位角/>与太阳矢量/>的函数关系，建立基于偏振传感器每路通道光强输出的量测方程；其中，/>表示出射光强，/>分别表示偏振传感器模型中的光强增益系数、偏振度系数和检偏方向角；/>表示偏振传感器的状态量和偏振角与出射光强之间的函数关系，/>表示偏振传感器的状态量和太阳矢量与出射光强之间的函数关系；
步骤4）、采用无迹卡尔曼滤波的方法实现对偏振传感器模型中误差参数的实时在线估计，进而提高偏振传感器长航时导航精度。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：
所述步骤1）包括：在短时间内，建立基于偏振传感器参数的状态方程：
(1)。
3.根据权利要求2所述的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，其特征在于：
所述步骤2）中，太阳敏感器直接得到系下的太阳矢量，其中，/>是太阳矢量/>中的元素，观测矢量/>；根据偏振矢量垂直于太阳矢量和观测矢量所在平面这一关系，得到/>系下的偏振矢量/>：
(2)
偏振矢量由偏振方位角/>表示为/>；利用偏振传感器得到的偏振矢量/>，建立偏振矢量/>中偏振方位角/>与太阳敏感器测得的太阳矢量/>的关系为：
(3)
其中，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辅助的偏振传感器误差在线标定方法，其特征在于：
所述步骤3）中，偏振传感器模型表示为：
(4)
其中，表示出射光强，/>表示入射光强，/>表示偏振度，/>表示偏振方位角；光强增益系数/>、偏振度系数/>、检偏方向角/>为待估计的偏振传感器误差参数；
将步骤2）中得到的偏振方位角与太阳矢量/>的之间的关系代入偏振传感器模型中，建立基于偏振传感器每路通道光强输出的量测方程：
(5)
其中，，表示偏振传感器六个光路通道的编号，/>表示第/>路通道光强输出，/>表示测量噪声。
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