[發明專利]一種基于擴展卡爾曼濾波的仿生偏振傳感器多源誤差標定方法

有效

• 申請號: 201810129372.2
• 申請日: 2018-02-08
• 公開（公告）號: CN108375381B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 杜濤;李雄;王月海;郭雷;王巖;劉萬泉;王華鋒
• 申請（專利權）人: 北方工業大學;北京航空航天大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

本發明公開了一種基于擴展卡爾曼濾波的仿生偏振傳感器多源誤差標定方法，該方法包含以下步驟：(1)仿生偏振光傳感器多源誤差分析；(2)以安裝誤差、比例因子等多源誤差和偏振方位角為系統狀態量建立系統狀態模型；(3)以含有多源誤差的光強測量值為輸出建立系統量測模型；(4)搭建實驗環境，采集傳感器數據；(5)設計擴展卡爾曼濾波器，估計安裝誤差、尺度因子和偏振方位角；(6)根據安裝誤差和尺度因子估計值補償含有多源誤差的偏振傳感器測量值。本發明不依賴于高精密測量儀器，成本低，可操作性強，易實現，精度高，適用于仿生偏振導航系統多源誤差的同時標定與補償。

技術領域

本發明涉及仿生偏振導航系統標定與補償的技術領域，具體涉及一種基于擴展卡爾曼濾波的仿生偏振傳感器多源誤差標定方法。

背景技術

導航是引導運動體或運載體從某一出發地沿設定的路徑有效到達目的地的一種技術手段，隨著現代導航技術的不斷發展，它早已從一種經驗技能發展成專門的一門科學。近年來，導航技術不斷朝著低成本、智能化、抗干擾等方向發展。與此同時，隨著導航設備工作環境日益復雜與多樣化，對導航系統的精度和性能的要求越來越高。在實際應用中，面對復雜的任務場景，研究靈敏度高、抗干擾性強、工作可靠性高的導航系統有著極為緊迫的現實要求。

隨著科技的不斷進步，生物學家對生物器官結構研究的深入，發現很多昆蟲，如蜜蜂、沙蟻等能夠利用天空偏振光信息進行導航。其中撒哈拉沙漠螞蟻利用天空偏振光導航的策略是：路徑積分、視覺領航和系統搜索，通過對沙蟻的生理結構特征剖析，發現它依靠復眼來感知外界的偏振模式獲取準確的位置和方向信息。進一步研究發現，昆蟲、候鳥等生物在覓食、遷徙、歸巢、捕食等活動中也借助大氣偏振光來輔助導航；這些發現為提升傳統導航方式提供了新思路和新方法，仿生偏振光與傳統導航相比具有融合互補特性，為實現高精度，抗干擾的組合導航方式具有科學和工程的借鑒意義。

通過長期的研究，人們已經可以設計出符合生物特性的仿生偏振導航傳感器。但由于偏振傳感器具有結構緊湊、功能集成的特點，對傳感器誤差分析和標定的精確性還有待提高。針對這一問題，需要設計一種新型的偏振傳感器誤差標定方法。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：針對偏振導航系統中偏振傳感器含有誤差干擾，提供一種針對偏振傳感器安裝誤差和光電二級管傳輸響應系數即比例因子等多源誤差的標定方法，標定過程借助于擴展卡爾曼濾波實現，解決了偏振傳感器多源誤差實時標定精確性不高的問題，提高了偏振光導航的精度和抗干擾能力。

本發明的技術解決方案為：一種基于擴展卡爾曼濾波的仿生偏振傳感器多源誤差標定方法，其實現步驟如下：

第一步，仿生偏振傳感器多源誤差分析：

在仿生偏振傳感器實際應用中，傳感器實際輸出數據精度受多源誤差制約，主要包括三類，偏振傳感器安裝誤差、測量噪聲和多通道光電二級管傳輸響應系數即比例因子。

偏振傳感器安裝誤差主要由偏振片和光電二極管安裝不精確導致。理論上，偏振傳感器中偏振片在極化方向上是相互垂直安裝，它的輸出信號與偏振片在極化方向上安裝是否垂直有關；光電二極管對光信號轉換成電信號易受到它是否安裝在同一水平面上影響。偏振片和光電二極管對偏振傳感器采集的光信號響應存在差異，光電二極管把光信號轉換為電信號后存在加性漂移誤差；經過放大電路后，存在電壓幅值乘性誤差；該類誤差統稱為多通道光電二級管傳輸響應系數即比例因子。

第二步，選擇安裝誤差、比例因子等多源誤差和偏振方位角為系統狀態變量建立仿生偏振導航系統狀態模型：

根據偏振傳感器對立通道信號處理方法，選取9個狀態量作為標定參數，考慮偏振傳感器待估計的參數為：

X＝[ε₁ ε₂ ε₃ ε₄ ε₅ K₁ K₂ K₃ φ]^T