CN102538783A - 基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法及导航定位*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法及导航定位***，包括以下步骤：采用全天空偏振遥感测量方法，对天空光光强进行三副影像的同时测量，求解描述天空光偏振状态的偏振度和偏振方位角，得到遥感天空偏振模式图；采用全天空偏振光测量方法，通过对遥感天空偏振模式图中的偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析，得到最适合偏振导航的外部条件；结合天文导航理论知识，求解不同时刻的太阳方位角，并利用太阳方位角修正太阳子午线与载体之间的夹角，得到以地理南北为参考方向的航向角；采用GPS导航方式与偏振导航方式的组合导航方式对偏振导航盲点进行处理。本发明可以广泛用于各种不同条件下的导航定位的测量和研究中，也是利用仿生手段将遥感观测影像服务于导航定位方法和***的专项新技术。

Description

基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法及导航定位***

技术领域

本发明涉及一种仿生导航方法及导航定位***，特别是关于一种基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法及导航定位***。

背景技术

仿生偏振导航是生物利用光的偏振特性来确定参考方向的一种自主式导航方式，是自然界天然的导航方式之一。这种导航方式可以避免现有导航方式的一些不足，与惯性导航、GPS导航或地磁导航相组合成为一种高精度的导航手段。

遥感是通过远距离成像的一种方式，或一种远距离观测方法。目前利用天空偏振光实现遥感探测主要是单点定向测量，即测量某一高度角处的天空偏振光分布信息，然后通过调整仪器的高度角采用对不同方位的天空光进行多次测量，最后对各个方位的测量结果进行综合分析得到探测结果，上述的单点定向测量方法对每次测量的范围和视野都有一定的局限性，而且在调整测量方位时，在对不同方位分别进行测量时会产生时间差，在这个时间差的范围内，天空偏振光的分布将会发生变化，这样会导致测量的结果产生误差，而且现有技术对导航过程中天空偏振光的盲点问题(偏振度为零)不能有效的监测和克服。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够实时、快速、测量覆盖区域大、导航精度高，且能够有效避开导航盲点的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法及导航定位***，也是利用仿生手段将遥感观测影像服务于导航定位方法及***的技术。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，包括以下步骤：1)设置一包括有三个数码相机的全天空偏振光测量***，每一所述数码相机前端设置有一鱼眼镜头，每一所述鱼眼镜头前端依次设置有一偏振片和一滤波片，每一所述数码相机的输出端连接一计算机；2)采用全天空偏振光测量方法，对天空光光强进行三幅影像的同时测量，计算得到偏振度和偏振方位角，得到遥感天空偏振模式图；3)采用全天空偏振光测量方法，通过对遥感天空偏振模式图中的偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析，得到最适合偏振导航的外部条件；4)结合天文导航原理，求解不同时刻的太阳方位角，并利用太阳方位角修正太阳子午线与载体之间的夹角，得到以地理南北为参考方向的航向角；5)采用GPS导航方式与偏振导航方式的组合导航方式对偏振导航盲点进行处理。

实现所述仿生导航方法的基于遥感天空偏振模式图的导航定位***，其特征在于：它包括一GPS接收机、一里程仪和一偏振光测量***，所述里程仪和偏振光测量***的输出端连接一航位推算模块的输入端，所述GPS接收机和航位推算模块的输出端分别连接到一数据采集模块的输入端，所述数据采集模块的输出端连接一信号检测与决策模块的输出端，所述信号检测与决策模块的输出端分别连接一GPS导航单独定位***、一GPS/偏振导航组合定位***和一偏振导航单独定位***的输入端，所述GPS导航单独定位***、GPS/偏振导航组合定位***和偏振导航单独定位***的输出端分别连接一定位信息解算模块，同时所述偏振光测量***的输出端还连接一导航盲点监测模块，所述导航盲点监测模块的输出端连接所述信号检测与决策模块的输出端。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用三个数码相机对测量区域同时进行多方位的测量，将单点测量扩展为全天空区域的偏振光测量，进而形成类似磁场、重力场的天空偏振状态图即遥感天空偏振模式图，该方法快速实时，避免单点定向测量方法因为调整测量方位角而导致的测量时间误差，有效保证了测量结果的精度。2、本发明的数码相机采用鱼眼镜头，扩大了视野空间，使其具有180°的立体空间角，有效的避免了单点测量空间范围小的缺点。3、本发明采用全天空偏振光测量方法，通过对遥感天空偏振模式图的各个影响因素进行测量，得到了最适合偏振导航的外部条件。4、本发明结合天文导航原理，利用太阳当前的方位角修正偏振光测量***输出的角度，使得偏振导航更具有实用性。5、本发明的导航定位***设置有导航盲点监测模块，一旦检测到偏振度为零则单独采用GPS导航单独定位***避开导航盲点，增加了偏振导航的有效性，偏振度不为零时，可以采用GPS导航与偏振导航***组合导航的方式精确导航。6、本发明可以对偏振影像的偏振度强弱、偏转角大小等进行等级划分、显示，对获取的偏振影像进行实时处理，从而得到了遥感天空偏振光分布的直观信息。本发明可以广泛用于各种不同条件下的导航定位的测量和研究中。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明中偏振度平均值与太阳高度角的关系示意图，其中横坐标为时间，单位为h，纵坐标为偏振度值，用百分数表示；

图3是本发明中不同波段偏振度影像的偏振度平均值示意图，其中横坐标表示波段，单位为nm，纵坐标为偏振度值，用百分数表示，“+”为晴朗天空，“○”为阴天天空；

图4是本发明中不同的观测波段下，各个波段偏振度平均值与太阳高度角的关系示意图，其中图中最上方的

为红色波段、中间的

为蓝色波段、最下方的

为紫色波段；

图5是本发明中偏振方位角在不同天气条件下的分布情况效果示意图；

图6是本发明中晴朗天空偏振方位角随时间即太阳高度角变化情况效果示意图；

图7是本发明中晴朗天空条件下不同波段的天空偏振方位角分布效果示意图；

图8(a)是本发明中天体在地球上的投影示意图；

图8(b)是本发明中导航三角形示意图；

图9是本发明中偏振导航中性点-导航盲点示意图；

图10是本发明的导航定位***的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

众所周知，由于太阳光经大气粒子散射而使天空光具有偏振特性，天空偏振光的分布特征通常用偏振度和偏振方位角表示。地球表面和大气中的目标地物，在反射、散射和透射太阳光(电磁辐射)的过程中使得散射光产生偏振特征，以此可以作为偏振导航的信息源。

如图1所示，本发明的偏振光测量***包括有三个数码相机，每一数码相机前端设置一鱼眼镜头，每一鱼眼镜头前端依次设置有一偏振片和一滤波片，每一数码相机的输出端连接到同一计算机，采用本发明的偏振光测量***获取导航信息的方法包括以下步骤：

1)采用全天空偏振光测量方法，对天空光光强进行三幅影像的同时测量，求解描述天空光偏振状态的偏振度和偏振方位角，得到遥感天空偏振模式图。

在任一XOY平面，与X轴夹角为α的方向上进行观测所得的天空光光强为：

$I\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{2}(I+Q\cos 2\mathrm{\α}+U\sin 2\mathrm{\α})---\left(1\right)$

只要对全天空区域不同方位的天空光的光强进行四次测量，即可以通过上述公式联立求解得到斯托克斯(Stocks)矢量的四个参量I、Q、U和V，其中I为非偏振光强，Q、U分别为两个方向上的线偏振光，V代表圆偏振光，同时可以求解出描述天空光偏振状态的偏振度d和偏振方位角ψ，偏振度d和偏振方位角ψ的计算公式如下：

$d=\frac{\sqrt{Q^2+U^2+V^2}}{I}---\left(2\right)$

$\mathrm{\ψ}=\frac{1}{2}\arctan (U/Q)---\left(3\right)$

在实际测量中，由于Stocks矢量中的V分量数值较小，可以近似认为V＝0，因此只要测出三个不同方位的天空偏振光的光强I(α_i)，就可以联立求出I、Q、U以及d和ψ，具体求解过程为：通过三个数码相机对全天空区域的三个方位的天空偏振光的光强I(α_i)同时进行测量，α_i分别取0°，45°，90°联立求解，得：

联立上述公式(4)化简得：

通过公式(5)即可以求解得到I、Q、U，将求解得到的I、Q、U分别代入到公式(2)和(3)中即可以求解得到相应的偏振度d和偏振方位角ψ。

在具体实验时对获取的不同方位的偏振影像进行实时处理，首先对测量的三路光强进行亮度分级处理，然后利用公式(5)解算出Stocks矢量的前三个分量I、Q、U的分级图，进而根据公式(2)和(3)求出相应的偏振度和偏振方位角的分级图，并对偏振度强弱、偏转角大小等进行等级划分与显示，从而得到了天空偏振光分布的直观信息。

2)采用全天空偏振光测量方法，通过对遥感天空偏振模式图中的偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析，得到最适合偏振导航的外部条件。

由于天空偏振光分布受天气条件、观测波段以及太阳高度角的影响，本发明采用全天空偏振光测量方法对影响偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析。

①偏振度的影响因素分析

如图2所示，本发明实施例选择在两种不同的天气条件进行全天空偏振遥感测量实验，实验结果表明，多云状态下比晴朗天空条件下全天空偏振度小很多，主要是由于多云条件下大气的多次散射造成的退偏效应，将影像的偏振度大大减小了。为了得到全天空偏振度在一段时间内的分布规律，本发明对天空偏振光分布进行了连续遥感观测实验(如图2所示)。在晴朗天空条件下从上午10:30至下午15:00每隔一段时间采用数码相机对全天空进行拍摄，通过连续6小时观测到的某地区天空偏振光分布情况如表1所示：

表1偏振度随时间的变化

时间	10:30	11:00	12:00	13:00	14:00	15:00
							偏振度平均值	0.1370	0.1073	0.0971	0.1023	0.1555	0.3225

从表1中可以看到，从上午10:30到12:00，影像的偏振度平均值逐渐变小，至太阳高度角最大(12点)时偏振度平均值达到最小，然后随着时间推移，偏振度影像的平均值又逐渐变大，因此可以得出，天空偏振度分布与太阳高度角密切相关，随着太阳高度角的变化，遥感天空偏振图的形状和大小都发生着变化，太阳高度角越低，偏振度平均值越大；反之，偏振度平均值越小。

如图3所示，采用上述方法，在不同的天气条件下，选择不同的观测波段得到全天空偏振度的分布。

如图4所示，采用上述方法，随着太阳高度角的变化，得到不同观测波段的天空偏振度分布。

通过以上测量结果表明，天空晴朗时，天空偏振度随波长减小而降低；但是在湍流、多云天气，长波段退偏效应比较明显，偏振度随之减小，而在较短的波段退偏效应较小，综合考虑以上各种因素，认为蓝色波段是最适用于偏振导航的波段。

②对偏振方位角的影响因素分析

自然界中的生物能够利用天空偏振光导航，除了依靠相应的偏振视觉探测天空偏振光的存在，还需要从天空光偏振方位角的分布获取方向信息。因此，分析天空光偏振方位角在不同条件下的分布尤为重要。测量结果(如图5所示)可以看出，不同天气条件下的天空光偏振方位角围绕中心点呈有规律的对称分布，从中心点向外沿顺时针方向，偏振方位角从0°逐渐增大到30°然后到60°，然后再从-60°逐渐减小到-30°最后回到0°。

在多云的天气条件下，偏振方位角大小较晴朗天空状态有所改变，这是因为有云状态下大气的多次散射造成的退偏效应，将整个影像的偏振方位角减小了。尽管如此，偏振方位角分布对称于太阳子午线的特征并没有改变，仍然可以利用其分布获取导航所需的方向信息。为了得到全天空偏振方位角在一段时间内的分布规律，本发明实施例对天空偏振光分布进行了连续观测实验(如图6所示)。在晴天天气条件下，从中午11点至下午16点每隔1个小时对全天空进行拍摄，连续6小时观测到的天空偏振光分布情况。从单个的偏振方位角分布影像来看，偏振方位角分布有一定的相似之处，但不同太阳高度角时偏振方位角分布的形状和大小都是不同的，随着太阳高度角的变化，整个天空的偏振方位角分布绕天顶旋转，此为偏振模式图的动态特性。

如图7所示，在晴朗天气条件下通过遥感观察天空偏振方位角在紫、蓝、红三个波段的分布情况可以得出，在不同的观察波段条件下，偏振方位角分布并没有太大的变化，都是呈现规则的对称分布。结合偏振度的分布情况，认为从晴朗天空蓝色波段偏振方位角的分布获取导航信息最佳。

3)利用天文导航原理，求解不同时刻的太阳方位角，并利用太阳方位角修正偏振光测量***的输出，得到以地理南北为参考方向的航向角。

现有研究表明，沙蚁、蜜蜂等昆虫具有对天空偏振光方向极其敏感的视觉神经***，它们通过自身的偏振视觉***敏感遥感天空偏振模式图的对称线——太阳子午线，并以此为依据确定其身体长轴与太阳子午线之间的夹角β。本发明设计的偏振光测量***模仿昆虫的偏振敏感机理获取载体当前运动方向与太阳子午线之间的夹角β。

本发明设计的偏振光测量***采用三个数码相机对天空某一区域同时进行拍摄，可以同时获得三幅遥感天空偏振影像，偏振光测量***的输出为：

c₁(φ)＝k[1+dcos(2β)]    (6)

$c_2\left(\mathrm{\φ}\right)=k[1+d\cos (2\mathrm{\β}-2\×\frac{\mathrm{\π}}{4})]---\left(7\right)$

$c_3\left(\mathrm{\φ}\right)=k[1+d\cos (2\mathrm{\β}-2\×\frac{\mathrm{\π}}{2})]---\left(8\right)$

上述公式中，c_i(φ)(i＝1，2，3)分别表示偏振片设偏方向和载体当前方向为0°、45°和90°时所拍摄图像的平均亮度值，k常数因子，联立上述(6)(7)(8)可以求解出载体当前运动方向与太阳子午线之间的夹角β。但是太阳子午线是不断变化的，长时间以它作为导航参考线有一定的局限性，因此需要采用太阳的方位角进行修正。

如图8(a)所示，在天文导航中，通常是通过查询《航海天文历》或计算得到天体的赤经、赤纬，查询得到的天体赤经、赤纬与该天体在地球上投影点GP的位置——经度和纬度相对应。通过解算导航三角形，如图8(b)所示，即可求得太阳的高度角和方位角。在导航三角形中，太阳高度角h_s可用下式计算：

sinh_s＝sinφsinδ+cosφcosδcost    (9)

太阳方位角A_s可用下式计算：

${\cos A}_s=\frac{{\sinh }_s\·\sin \mathrm{\φ}-\sin \mathrm{\δ}}{{\cosh }_s\·\cos \mathrm{\φ}}---\left(10\right)$

上述公式中，h_s为太阳高度角；A_s为太阳方位角；t为当地太阳时角；φ为地理纬度；δ为太阳赤纬。采用太阳当前的方位角A_s对β进行修正就可以得到载体当前运动方向和地理南北的夹角，即载体的航向角为θ＝β+A_s。只要借助其它传感器敏感出运动速度，就能计算出下一时刻的位置。而已知下一时刻的位置，太阳的相对位置就确定了，而太阳的位置决定了天空偏振光的分布模式，于是通过设计的偏振光测量***又能敏感出当前载体运动方向与太阳子午线之间的夹角。这样，依次迭代(11)式就可以完成导航定位任务。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{i+1}=\∫v_i\·\sin \mathrm{\θdt}+x_i\\ y_{i+1}=\∫v_i\·\cos \mathrm{\θdt}+y_i\end{array}\right.,i=\mathrm{0,1,2}\·\·\·---\left(11\right)$

上述公式中，(x_i，y_i)和v_i分别表示i时刻的位置和速度，θ为航向角。

4)采用GPS导航方式与偏振导航方式组合的导航方式对偏振导航盲点进行处理。

偏振光导航是利用天空光的偏振特性获取方向信息的，但理论分析和实际测量结果表明，天空中存在偏振度为零的点——偏振中性点(如图9所示)。偏振中性点对于偏振导航来说是一个盲点，能否利用偏振光导航需要查看偏振度是否在可探测范围之内，如果偏振度为零，偏振导航就不起作用了。所以，在实际偏振导航过程中要避开偏振度为零的区域，可以采用GPS导航与偏振导航组合的导航方式避开偏振导航盲点，当检测到偏振度为零时，采用单独的GPS导航方式进行导航，偏振度不为零时，可以单独采用偏振导航，也可以根据需要，同时采用GPS导航和偏振导航结合实现精确导航。

如图10所示，基于上述仿生导航方法，本发明的导航定位***包括有一GPS接收机1、一里程仪2和一偏振光测量***3，里程仪1和偏振光测量***3构成偏振导航定位***，里程仪2和偏振光测量***3的输出端连接一航位推算模块4的输入端，GPS接收机1和航位推算模块4的输出端分别连接到一数据采集模块5的输入端，数据采集模块5的输出端连接一信号检测与决策模块6的输出端，信号检测与决策模块6的输出端分别连接GPS导航单独定位***7、GPS/偏振导航组合定位***8和偏振导航单独定位***9的输入端，GPS导航单独定位***7、GPS/偏振导航组合定位***8和偏振导航单独定位***9的输出端分别连接到定位信息解算模块10，同时偏振光测量***3的输出端还连接一导航盲点监测模块11，导航盲点监测模块11计算偏振度值并发送到信号检测与决策模块6。导航定位***工作时，GPS接收机1和航位推算模块4分别将各自的导航信息发送到数据采集模块5，数据采集模块5将采集到的两组导航信息发送到信号检测与决策模块6，信号检测与决策模块6根据实际情况及预设的权重因子确定具体导航方式，当导航盲点监测模块11监测到偏振度为零即偏振导航盲点时，信号检测与决策模块6自动切换到GPS导航单独定位***7，采用GPS方式避开导航盲点完成导航。偏振度不为零时，根据实际需要，可以利用偏振导航单独定位***，也可以采用组合导航同时采用两种导航定位***提供的信息进行定位信息解算，得到最优的定位结果，从而获得最好的定位精度。

综上所述，本发明通过天空偏振光测量***，全天空偏振光测量方法，天空偏振光分布影响因素分析，实现遥感天空偏振模式图获取与处理，通过偏振导航方式及对导航盲点的监测，并与其它辅助导航方式结合，获得仿生导航定位信息解算，实现仿生偏振导航。上述方法所涉及的实施步骤及各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，包括以下步骤：

1)设置一包括有三个数码相机的全天空偏振光测量***，每一所述数码相机前端设置有一鱼眼镜头，每一所述鱼眼镜头前端依次设置有一偏振片和一滤波片，每一所述数码相机的输出端连接一计算机；

2)采用全天空偏振光测量方法，对天空光光强进行三幅影像的同时测量，计算得到偏振度和偏振方位角，得到遥感天空偏振模式图；

3)采用全天空偏振光测量方法，通过对遥感天空偏振模式图中的偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析，得到最适合偏振导航的外部条件；

4)结合天文导航原理，求解不同时刻的太阳方位角，并利用太阳方位角修正太阳子午线与载体之间的夹角，得到以地理南北为参考方向的航向角；

5)采用GPS导航方式与偏振导航方式的组合导航方式对偏振导航盲点进行处理。

2.如权利要求1所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于：所述步骤2)中的全天空偏振光测量方法单次测量区域面积大，立体空间角可达180度，避免了单点测量带来的时间误差，同时形成对不同参量提取的、形成遥感天空偏振模式图的***化方法。

3.如权利要求1所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于：所述步骤3)中采用全天空偏振光测量方法，通过对遥感天空偏振模式图中的偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析，得到最适合偏振导航的外部条件，是以遥感天空偏振模式图为基础，得到了偏振影像***化处理模型及软件，对偏振度强弱、偏转角大小进行等级划分、显示清晰直观。

4.如权利要求2所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于：所述步骤3)中采用全天空偏振光测量方法，通过对遥感天空偏振模式图中的偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析，得到最适合偏振导航的外部条件，是以遥感天空偏振模式图为基础，得到了偏振影像***化处理模型及软件，对偏振度强弱、偏转角大小进行等级划分、显示清晰直观。

5.如权利要求1或2或3或4所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于：综合分析在不同天气条件、不同高度角以及不同观测波段的条件下天空偏振光分布规律，结合理论的分析结果，得到最适合导航的环境条件，同时给出了导航盲点的处理方法。

6.如权利要求1或2或3或4所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于：所述步骤4)区别于以太阳子午线作为导航参考线的方法，而是用太阳方位角对导航角度进行补偿，以固定的南北极作为导航参考方向。

7.如权利要求5所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于：所述步骤4)区别于以太阳子午线作为导航参考线的方法，而是用太阳方位角对导航角度进行补偿，以固定的南北极作为导航参考方向。

8.如权利要求1～7任一项所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于：通过遥感观测的方法得到遥感天空偏振模式图，服务于仿生导航应用及导航应用，形成遥感手段服务于导航方法和***的技术。

9.实现如权利要求1～8任一项所述仿生导航方法的基于遥感天空偏振模式图的导航定位***，其特征在于：它包括一GPS接收机、一里程仪和一偏振光测量***，所述里程仪和偏振光测量***的输出端连接一航位推算模块的输入端，所述GPS接收机和航位推算模块的输出端分别连接到一数据采集模块的输入端，所述数据采集模块的输出端连接一信号检测与决策模块的输出端，所述信号检测与决策模块的输出端分别连接一GPS导航单独定位***、一GPS/偏振导航组合定位***和一偏振导航单独定位***的输入端，所述GPS导航单独定位***、GPS/偏振导航组合定位***和偏振导航单独定位***的输出端分别连接一定位信息解算模块，同时所述偏振光测量***的输出端还连接一导航盲点监测模块，所述导航盲点监测模块的输出端连接所述信号检测与决策模块的输出端。

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