[發明專利]一種基于天空偏振光分布模式的導航定位方法

有效

• 申請號: 201410012966.7
• 申請日: 2014-01-10
• 公開（公告）號: CN103759727B
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 崔巖;陳小龍;陳辰;李晨牧;褚金奎;關樂;張然
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 關慧貞

技術領域

本發明屬于一種天文導航定位方法，尤其涉及一種天空偏振光分布模式的導航定位方法，屬于導航定位領域。

背景技術

基于天空偏振光分布模式的天文導航定位方法是以天空偏振光分布模式作為導航信標，通過測試儀器獲得天空偏振光分布模式，獲取有效的偏振導航信息，是一種完全自主的導航方式，從而具有極強的抗干擾能力。

國內外學者分別提出了天空偏振光偏振分布模式匹配算法（梁華為.基于天空偏振分布模式匹配的導航定位方法:中國,201210504865.2[P].2013-03-13）和利用偏振光傳感器感知自身與太陽子午線夾角來確定航向角（Lambrinos D，Kobayashi H，Pfeifer R，et al.An autonomous agent navigating with a polarized light compass[J].Adaptive behavior，1997，6(1)：131-161.）等多種導航定位方法。

梁華為等學者提出的基于天空偏振分布模式匹配的導航定位方法，是通過采用偏振相機獲取偏振相機正上方前后兩個時刻的天空偏振光局部偏振信息，經過計算合成天空偏振光分布模式偽色彩圖，然后提取特征點進行建模，建立前后兩個時刻天空偏振光分布模式相應的放射變換關系，實現定位導航。由于天空偏振光分布模式會受到氣象因素的干擾，并且該方法要獲取前后兩個時刻的天空偏振信息，如果某一時刻的偏振信息沒有成功獲取或無法獲取天空偏振光的局部信息，特別是非晴天條件下，無法獲取天空偏振光的局部偏振信息時，則無法實現導航定位，并且建立放射關系復雜，定位精度低，有很大的局限性。

Lambrinos D等提出的利用偏振光傳感器感知自身與太陽子午線夾角的導航方法，只能獲取航向角，無法實現精確定位。需要設計相應的天空偏振光導航傳感器，配備陀螺儀和加速計等導航設備才能實現定位，并且導航定位精度受到硬件設備的限制，精度低，成本高，可實用性差。

發明內容

本發明的目的在于克服已有的天空偏振光偏振模式匹配導航方法易受氣象因素干擾和基于傳感器的導航方法無法定位的缺陷，發明一種能夠利用天空偏振光分布模式針對各種天氣情況實現導航和定位的方法，該方法完全利用天空偏振光進行自主導航和定位，無需借助其他輔助信息，實時性好，可操作性好，不受任何外界因素干擾，精度高，能夠快速提供準確的航向信息和位置信息。

本發明采用技術方案是一種基于天空偏振光分布模式的導航定位方法，該方法完全利用天空偏振光進行自主導航和定位，通過太陽高度方位信息和測試地點位置信息，計算得到天空偏振光分布模式理論數據信息，然后將實時測試的偏振模式數據信息和理論數據信息進行數據匹配，匹配成功后直接可以根據天空偏振光分布模式的理論數據獲得測試地點的準確位置信息，該方法的具體步驟如下：

（1）確立天空偏振光分布模式的理論模型，然后依據不同的測試地點位置信息和當地太陽方位信息建立偏振方位角和偏振度分布模式數據庫。

（2）在移動設備行進過程中，利用其上的天空偏振光測試儀器進行全天空偏振光分布模式測試，測試過程中，測試儀器逐次采集全天空有限點的光強數據，測試某一點的光強數據時，偏振片需要轉動0゜、60゜和120゜三個偏振方向，采集到的光強數據分別記作I′0°、I′60°和I′120°，根據Stokes矢量：其中I，Q，U是Stokes矢量的前三個分量，第四分量圓偏振分量為零，即V=0：

根據式（1）得到Stokes矢量的三個分量，如式（2）所示：

最后根據Stokes矢量與偏振度和偏振方位角的關系，得到天空中某一點的偏振度P_ij和偏振方位角θ_ij：

通過調節儀器，逐次測試得到全天空偏振光分布模式的數據信息。

a)如果是晴朗天氣，則直接進行步驟（4）；

b)如果是是非晴朗天氣，則對天空偏振光分布模式的特征信息進行提取；