CN113834480A - 一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法 - Google Patents

一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法，首先，设计多目曲面结构的仿复眼偏振罗盘，用于获取全天域偏振信息。其次，选取偏振度阈值范围内的三个偏振度测量值作为一组定位解算单元。接着，利用每组定位解算单元中三个观测点的空间几何关系和复眼偏振传感器的安装矩阵，得到载体系下的太阳高度角。选取每组定位解算单元中散射角小的基本偏振感知单元，将衡量偏振信息准确性的散射角作为权重，通过归一化处理，将归一化后的散射角作为权重作用到每个定位解算单元解算的太阳高度角上，得到高精度的太阳高度角。最终，通过不同时刻计算的太阳高度角，利用高度差法解算出载***置。

Description

一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法
技术领域
本发明属于导航领域，尤其涉及一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法。
背景技术
目前，常用的定位技术包括惯性导航、卫星导航、视觉导航和地形匹配导航。惯性导航***位置误差会随着时间积累，无法满足长航时的工作需求，需要借助卫星导航进行误差校正；卫星导航可提供载体精确的经纬度信息，但是卫星信号极易受到电磁干扰或欺骗。视觉导航和地形匹配技术受限于地图精度和处理器处理效率，不适用于陌生、非结构化的环境。
大气偏振分布模式相对稳定，其中蕴涵着丰富的导航信息。研究表明，自然界生物例如，沙蚁、蜜蜂、候鸟等可以利用独特的偏振感知结构获取偏振信息，实现远距离觅食、归巢等活动。受生物的这种自主感知与导航方式的启发，仿生偏振导航成为研究热点。仿生偏振导航可通过模仿生物器官提取和分析偏振信息，获取载体的位置信息，实现偏振定位功能。
现如今基于偏振信息实现载体定位的方法有：基于偏振光仿生导航的定位***及其定位方法，专利申请号：CN201310037586.4，利用单个偏振传感器测量的不同时刻偏振方位角信息求解当地的经纬度，该方法中偏振传感器受到干扰时，不能做到解算位置，且需要电子罗盘提供航向信息。基于多方向偏振光导航传感器的定位***及其定位方法，专利申请号：CN201410088363.5，通过测量多观测方向偏振方位角信息，利用偏振矢量叉乘求取太阳矢量，同时集成电子罗盘提供航向信息，但***易受电磁干扰，且未充分利用偏振度信息。一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法，专利申请号：CN201810583734.5，利用天空区域中最优的三个偏振度解算载体系下的太阳矢量，利用姿态传感器得到地理系下的太阳矢量，根据天文导航原理，解算出载体的经纬度。该方法需要借助姿态传感器提供姿态矩阵信息。一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法，专利申请号：CN201811328952.0，通过各观测点的偏振度与最大偏振度的关系，求解最大偏振度，进而解算太阳高度角。利用高度差法解算载体的经纬度信息，但是该方法依赖天顶偏振传感器，天顶传感器受到干扰或遮挡时会影响定位精度。本发明相比已有的偏振定位方法，可以不依赖其他辅助的姿态传感器，不依赖天顶偏振传感器，环境适应性强，计算精度较高，具有很高的实用性。
发明内容
本发明要解决的问题是: 提供了一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法。该方法可利用天空偏振光实现自主定位，具有适应性强，自主性强，不依赖其他辅助的姿态传感器与天顶偏振传感器的优点。通过设计多目曲面结构的仿复眼偏振罗盘，用于获取天空区域各观测点的偏振度信息。设计偏振度阈值，选取阈值范围内的三个偏振度测量值作为一组定位解算单元。利用每组定位解算单元中三个观测点的空间几何关系和复眼偏振传感器的安装矩阵，得到载体系下的太阳高度角。选取每组定位解算单元中散射角小的基本偏振感知单元，将衡量偏振信息准确性的散射角作为权重，通过归一化处理，将归一化后的散射角作为权重作用到每个定位解算单元解算的太阳高度角上，得到高精度的太阳高度角。通过不同时刻计算的太阳高度角，利用高度差法解算出载***置，实现偏振定位功能。该方法可实现载体的位置输出，具有较好的环境适应性，可动态分配权重，克服现有偏振定位技术依赖其他辅助装置和易受电磁干扰的缺陷；同时克服现有的偏振定位技术利用偏振信息不充分的缺陷。
本发明的技术解决方案为：一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法，其实现步骤如下：
（1）设计多目曲面结构的仿复眼偏振罗盘，具有n个偏振传感器M 1,M 2, M 3…M n ，用于实时获取天空区域中n个观测点的偏振度信息d 1,d 2, d 3…d n ；
（2）设置偏振度阈值μ，选取阈值范围内的m个偏振度测量值，其中m≤n，从中随机选择三个测量值作为一组定位解算单元，共有
Figure 994616DEST_PATH_IMAGE001
组；
（3）为提高环境适应性和太阳高度角解算精度，以入射到观测点的偏振光的散射角，建立每组定位解算单元对应的权重：
Figure 525960DEST_PATH_IMAGE002
θ pi 为每组定位解算单元中入射到观测点的最小散射角，W i 为每组定位解算单元的权重；
（4）以复眼偏振罗盘中天顶传感器坐标系作为复眼偏振罗盘的模块系，利用每组定位解算单元中三个观测点的空间几何关系和复眼偏振传感器的安装矩阵，得到模块系下的太阳高度角。根据步骤（3）得到的权重，对求解的多组太阳高度角加权，得到最终的太阳高度角。
（5）通过不同时刻计算的太阳高度角，利用高度差法解算出载体经纬度，实现载体的自主导航和实时定位。
进一步的，所述步骤（1）的具体实现如下：
多目曲面结构的仿复眼偏振罗盘由n个点源式偏振传感器M 1,M 2, M 3…M n 组成，其中M 1作为天顶偏振传感器，M 2, M 3…M n 在半球结构表面上随机分布，天顶偏振传感器M 1安装在模块坐标系z轴方向上，观测天顶方向的偏振信息；M 2,M 3…M n 随机分布在天顶偏振传感器M 1四周；利用仿复眼偏振罗盘实时获取n个天空观测点的偏振度d 1,d 2, d 3…d n 。
进一步的，所述步骤（2）的具体实现如下：
理想条件下，天空偏振度的范围为0-1，受天气影响实际最大偏振度d max一般小于1。为避免仿复眼偏振罗盘测量出现异常数据野值情况，首先剔除偏振度大于1的测量值。其次，根据载体所处天气条件，包括天空中云量，PM2.5含量等，以及传感器内部芯片参数，合理设计偏振度阈值μ，选取阈值范围内m个偏振度测量值，从中随机选择三个测量值作为一组定位解算单元，共有
Figure 430462DEST_PATH_IMAGE001
种组合方式，每组都能够作为太阳高度角解算的输入。
进一步的，所述步骤（3）的具体实现如下：
入射到观测点偏振光的散射角越大，受太阳光影响越小，偏振信息观测准确。散射角小的偏振传感器会影响每组定位解算单元的解算精度。因此，为提高环境适应性和太阳高度角解算精度，对一组数据的三个观测点进行筛选，挑选出入射到观测点最小的散射角作为分配因子，建立每组定位解算单元对应的权重，其计算结果为：
Figure 733268DEST_PATH_IMAGE002
θ pi 为每组定位解算单元中入射到观测点的最小散射角，W i 为每组定位解算单元的权重。
进一步的，所述步骤（4）的具体实现如下：
由Rayleigh散射理论可知，偏振度d 1,d 2, d 3与全天域最大偏振度d max之间的关系：
Figure 339698DEST_PATH_IMAGE003
其中，d n 为第n个偏振传感器所测观测点偏振度，d max为全空域最大偏振度，
Figure 753362DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 840267DEST_PATH_IMAGE005
为三个观测点偏振度的最大值，θ n 第n个偏振传感器观测方向与太阳矢量的夹角，
Figure 189340DEST_PATH_IMAGE006
；
由复眼偏振传感器的安装矩阵求解对应的观测矢量，解算出每个偏振传感器在模块系下的方位角A pi 和高度角h pi ，其中
Figure 158433DEST_PATH_IMAGE007
；
在模块系中，复眼偏振罗盘上偏振传感器对应的被观测点P、太阳点S与模块系天顶点Z构成的球面三角形PSZ，由球面三角形余弦定理建立如下关系：
Figure 500421DEST_PATH_IMAGE008
其中，h p 表示复眼偏振罗盘中偏振传感器在模块系下的高度角，A p 表示复眼偏振罗盘中偏振传感器在模块系下的方位角，h s 表示模块系下太阳高度角，A s 表示模块系下太阳方位角；
将每一组观测点的偏振度作为太阳高度角的解算输入，可以建立如下方程组：
Figure 504149DEST_PATH_IMAGE009
其中，d 1,d 2, d 3表示一组输入中的三个偏振度，θ 1,θ 2 ,θ 3表示一组输入中的三个观测矢量与太阳矢量的夹角，h p1,h p2,h p3表示一组输入中的三个偏振传感器在模块系下高度角，A p1,A p2,A p3表示一组输入中的三个偏振传感器在模块系下方位角，h s 表示太阳高度角，A s 表示太阳方位角；
在此非线性方程组中，含有六个未知数，采用遗传算法来求解方程组数值解，确定各参数范围如下：
Figure 24124DEST_PATH_IMAGE010
利用每组定位解算单元中三个观测点的空间几何关系和复眼偏振传感器的安装矩阵，得到模块系下的太阳高度角。根据步骤（3）得到的权重，对求解的多组太阳高度角加权，得到最终的太阳高度角，太阳高度角H s 计算公式为：
Figure 683775DEST_PATH_IMAGE011
，
Wi为第i个权重，
Figure 439241DEST_PATH_IMAGE012
为第i个太阳高度角。
根据载体粗略估计或者已知的初始经纬度Lon0，Lat0，由天文年历得到赤纬Dec和地方时角LHA，求得T 1和T 2 时刻计算的太阳高度角H c1,H c2和太阳方位角A c1和A c2；
可观测同一个天体的不同时刻高度角，得到载体系下的高度角变化量
Figure 956198DEST_PATH_IMAGE013
：
Figure 974970DEST_PATH_IMAGE014
利用解析高度差法进行解算。引入中间辅助量a、b、c、d、e、f；
Figure 794021DEST_PATH_IMAGE015
则载体的经度、纬度λ, L可以通过下式求解：
Figure 353178DEST_PATH_IMAGE016
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明通过仿复眼偏振罗盘采集天空中多观测点的偏振度信息，随机选择三个传感器数据作为解算输入，可依据入射到观测点的偏振光的散射角自适应分配权重，结合偏振导航和高度差法原理，实时输出载体的位置，不依赖于卫星导航和其他辅助装置，具有高自主性，不受自然或人为电磁干扰影响，环境适应性强。该定位方法充分利用偏振信息，结构简单，步骤少，具有较高的实用性。
附图说明
图1为本发明一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法；
图2为本发明涉及的仿复眼偏振罗盘的示意图；
图3为本发明涉及的载体坐标系下太阳矢量和观测矢量的几何关系示意图。
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。
如图1所示，本发明的具体实现步骤如下：
1、如图2所示，为本发明涉及的仿复眼偏振罗盘的示意图，多目曲面结构的仿复眼偏振罗盘由n个点源式偏振传感器M 1,M 2,M 3…M n 组成，其中M 1作为天顶偏振传感器，M 2,M 3…M n 在半球结构表面上随机分布，天顶偏振传感器M 1安装在模块坐标系z轴方向上，观测天顶方向的偏振信息；M 2,M 3…M n 随机分布在天顶偏振传感器M 1四周；利用仿复眼偏振罗盘实时获取n个天空观测点的偏振度d 1,d 2, d 3…d n ；
2、理想条件下，天空偏振度的范围为0-1，受天气影响实际最大偏振度d max一般小于1。为避免仿复眼偏振罗盘测量出现野值情况，首先剔除偏振度大于1的测量值。其次，根据载体所处天气条件，包括天空中云量，PM2.5含量等，以及传感器内部芯片参数，合理设计偏振度阈值μ，选取阈值范围内m个偏振度测量值，从中随机选择三个测量值作为一组定位解算单元，共有
Figure 456132DEST_PATH_IMAGE001
种组合方式，每组都能够作为太阳高度角解算的输入。
3、入射到观测点偏振光的散射角越大，受太阳光影响越小，偏振信息观测准确。散射角小的偏振传感器会影响每组定位解算单元的解算精度。因此，为提高环境适应性和太阳高度角解算精度，对一组数据的三个观测点进行筛选，挑选出入射到观测点最小的散射角作为权重，建立每组定位解算单元对应的权重，其计算结果为：
Figure 176964DEST_PATH_IMAGE002
θ pi 为每组定位解算单元中入射到观测点的最小散射角，W i 为每组定位解算单元的权重；
4、由Rayleigh散射理论可知，偏振度d 1,d 2, d 3与全天域最大偏振度d max之间的关系：
Figure 483311DEST_PATH_IMAGE003
其中，d n 为第n个偏振传感器所测观测点偏振度，d max为全空域最大偏振度，
Figure 783843DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 882249DEST_PATH_IMAGE005
为三个观测点偏振度的最大值，θ n 第n个偏振传感器观测方向与太阳矢量的夹角，
Figure 898615DEST_PATH_IMAGE006
；
由复眼偏振传感器的安装矩阵求解对应的观测矢量，解算出每个偏振传感器在模块系下的方位角A pi 和高度角h pi ，其中
Figure 20155DEST_PATH_IMAGE007
；
图3为本发明涉及的载体坐标系下太阳矢量和观测矢量的几何关系示意图，在模块坐标系中，复眼偏振罗盘上偏振传感器对应的被观测点P、太阳点S与模块系天顶点Z构成的球面三角形PSZ，由球面三角形余弦定理建立如下关系：
Figure 921115DEST_PATH_IMAGE017
其中，h p 表示复眼偏振罗盘中偏振传感器在模块系下的高度角，A p 表示复眼偏振罗盘中偏振传感器在模块系下的方位角，h s 表示模块系下太阳高度角，A s 表示模块系下太阳方位角；
将每一组观测点的偏振度作为太阳高度角的解算输入，可以建立如下方程组：
Figure 483814DEST_PATH_IMAGE018
其中，d 1,d 2, d 3表示一组输入中的三个偏振度，θ 1,θ 2 ,θ 3表示一组输入中的三个观测矢量与太阳矢量的夹角，h p1,h p2,h p3表示一组输入中的三个偏振传感器在模块系下的高度角，A p1,A p2,A p3表示一组输入中的三个偏振传感器在模块系下的方位角，h s 表示太阳高度角，A s 表示太阳方位角；
在此非线性方程组中，含有六个未知数，可采用遗传算法来求解方程组数值解，确定各参数范围如下：
Figure 76655DEST_PATH_IMAGE010
输入一组偏振度数据可得到一个太阳高度角，该太阳高度角所对应的权值为W i ，充分利用k组数据，可解算出模块系下的太阳高度角H s ；
Figure 984569DEST_PATH_IMAGE011
，
W i 为第i个权重，
Figure 791988DEST_PATH_IMAGE012
为第i个太阳高度角。
5、根据载体粗略估计或者已知的初始经纬度Lon0，Lat0，由天文年历得到赤纬Dec和地方时角LHA，求得T1和T 2时刻计算的太阳高度角H c1,H c2和太阳方位角A c1和A c2。
可观测同一个天体的不同时刻高度角，得到载体系下的高度角变化量
Figure 166468DEST_PATH_IMAGE013
。
Figure 997021DEST_PATH_IMAGE014
利用解析高度差法进行解算。引入中间辅助量a、b、c、d、e、f；
Figure 505363DEST_PATH_IMAGE020
则载体的经纬度λ, L可以通过下式求解：
Figure 46851DEST_PATH_IMAGE021
。
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 (6)

1.一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法，其特征在于，实现步骤如下：
（1）设计多目曲面结构的仿复眼偏振罗盘，具有n个偏振传感器M 1,M 2,M 3…M n ，用于实时获取天空区域中n个观测点的偏振度信息d 1,d 2, d 3…d n ；
（2）设置偏振度阈值μ，选取阈值范围内的m个偏振度测量值，其中m≤n，从中随机选择三个测量值作为一组定位解算单元，共有
Figure 395077DEST_PATH_IMAGE001
组；
（3）为提高环境适应性和太阳高度角解算精度，以入射到观测点的偏振光的散射角，建立每组定位解算单元对应的权重：
Figure 843376DEST_PATH_IMAGE002
θ pi 为每组定位解算单元中入射到观测点的最小散射角，W i 为每组定位解算单元的权重；
（4）以复眼偏振罗盘中天顶传感器坐标系作为复眼偏振罗盘的模块系，利用每组定位解算单元中三个观测点的空间几何关系和复眼偏振传感器的安装矩阵，得到模块系下的太阳高度角；根据步骤（3）得到的权重，对求解的多组太阳高度角加权，得到最终的太阳高度角；
（5）通过不同时刻计算的太阳高度角，利用高度差法解算出载体经纬度，实现载体的自主导航和实时定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法，其特征在于：所述步骤（1）的具体实现如下：
多目曲面结构的仿复眼偏振罗盘由n个点源式偏振传感器M 1,M 2,M 3…M n 组成，其中M 1作为天顶偏振传感器，M 2,M 3 …M n 在半球结构表面上随机分布，天顶偏振传感器M 1安装在模块坐标系z轴方向上，观测天顶方向的偏振信息；M 2,M 3…M n 随机分布在天顶偏振传感器M 1四周；利用仿复眼偏振罗盘实时获取n个天空观测点的偏振度d 1,d 2,d 3…d n 。
3.根据权利要求1所述的一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法，其特征在于：所述步骤（2）的具体实现如下：
天空偏振度的范围为0-1，受天气影响实际最大偏振度d max小于1，为避免仿复眼偏振罗盘测量出现异常数据情况，首先剔除偏振度大于1的测量值，其次，根据载体所处天气条件，包括天空中云量，PM2.5含量，以及传感器内部芯片参数，设计偏振度阈值μ，选取阈值范围内m个偏振度测量值，从中随机选择三个测量值作为一组定位解算单元，共有
Figure 357534DEST_PATH_IMAGE001
种组合方式，每组都能够作为太阳高度角解算的输入。
4.根据权利要求1所述的一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法，其特征在于：所述步骤（3）的具体实现如下：
对一组数据的三个观测点进行筛选，挑选出入射到观测点最小的散射角作为分配因子，建立每组定位解算单元对应的权重，其计算结果为：
Figure 674114DEST_PATH_IMAGE003
其中，θ pi 为每组定位解算单元中入射到观测点的最小散射角，W i 为每组定位解算单元的权重。
5.根据权利要求1所述的一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法，其特征在于：所述步骤（4）的具体实现如下：
由Rayleigh散射理论可知，偏振度d 1,d 2,d 3与全天域最大偏振度d max之间的关系：
Figure 222907DEST_PATH_IMAGE004
其中，d n 为第n个偏振传感器所测观测点偏振度，d max为全空域最大偏振度，
Figure 576528DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 515666DEST_PATH_IMAGE006
为三个观测点偏振度的最大值，θ n 第n个偏振传感器观测方向与太阳矢量的夹角，
Figure 245724DEST_PATH_IMAGE007
；
由复眼偏振传感器的安装矩阵求解对应的观测矢量，解算出每个偏振传感器在模块系下的方位角A pi 和高度角h pi ，其中
Figure 649024DEST_PATH_IMAGE008
；
在模块坐标系中，复眼偏振罗盘上偏振传感器对应的被观测点P、太阳点S与模块系天顶点Z构成的球面三角形PSZ，由球面三角形余弦定理建立如下关系：
Figure 563759DEST_PATH_IMAGE009
其中，h p 表示复眼偏振罗盘中偏振传感器在模块系下的高度角，A p 表示复眼偏振罗盘中偏振传感器在模块系下的方位角，h s 表示模块系下太阳高度角，A s 表示模块系下太阳方位角；
将每一组观测点的偏振度作为太阳高度角的解算输入，可以建立如下方程组：
Figure 52509DEST_PATH_IMAGE010
其中，d 1,d 2 ,d 3表示一组输入中的三个偏振度，θ 1,θ 2 ,θ 3表示一组输入中的三个观测矢量与太阳矢量的夹角，h p1,h p2 ,h p3表示一组输入中的三个偏振传感器在模块系下的高度角，A p1,A p2 ,A p3表示一组输入中的三个偏振传感器在模块系下的方位角，h s 表示太阳高度角，A s 表示太阳方位角；
在此非线性方程组中，含有六个未知数，采用遗传算法来求解方程组数值解，确定各参数范围如下：
Figure 320679DEST_PATH_IMAGE011
利用每组定位解算单元中三个观测点的空间几何关系和复眼偏振传感器的安装矩阵，得到模块系下的太阳高度角；根据步骤（3）得到的权重，对求解的多组太阳高度角加权，得到最终的太阳高度角，太阳高度角H s 计算公式为：
Figure 516169DEST_PATH_IMAGE012
，
Wi为第i个权重，
Figure 680434DEST_PATH_IMAGE013
为第i个太阳高度角。
6.根据权利要求1所述的一种基于散射角权重分配的仿复眼偏振传感器自主定位方法，其特征在于：所述步骤（4）的具体实现如下：
根据载体的估计或已知的初始经纬度Lon0，Lat0，由天文年历得到赤纬Dec和地方时角LHA，求得T 1和T 2时刻计算的太阳高度角H c1，H c2和太阳方位角A c1和A c2；
可观测同一个天体的不同时刻高度角，得到载体系下高度角变化量
Figure 718797DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 728341DEST_PATH_IMAGE015
利用解析高度差法进行解算，引入中间辅助量a、b、c、d、e、f；
Figure 30534DEST_PATH_IMAGE016
则载体的经、纬度λ、L通过下式求解：
Figure 162438DEST_PATH_IMAGE017
。
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