[發明專利]基于大氣偏振E-矢量模式特征的空間姿態參數獲取方法

有效

• 申請號: 202010029645.3
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111156956B
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 任建斌;楊明;杜建偉;宋妮;孫曉玲
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

本發明公開了一種利用大氣偏振E?矢量模式特征點的三軸姿態確定方法。該方法是采用如下步驟實現的：（1）利用復眼相機在線實時采集大氣偏振模式；（2）將所采集的大氣偏振模式作為三維定姿模型的原始數據，利用聚類分析求出太陽投影點及光軸方向矢量；（3）利用奇異值分解，確定矢量對轉換中的姿態變換矩陣，進一步確定出三軸姿態。本發明設計合理，采用大氣偏振E?矢量模式進行三維定姿，提供了一種很好的技術手段，具有完全自主特性，通過對大氣偏振模式分布的檢測和處理，可以解算出載體的三軸姿態，簡單可行且沒有累積誤差，同時偏振信息存在于大氣層內的可見光中，很難被人為的大面積干擾和破壞。

技術領域

本發明涉及大氣層內飛行器空間姿態參數自主測量技術領域，具體為一種利用大氣偏振E-矢量方向性確定載體空間姿態參數的方法。

背景技術

面對未來新形勢下信息化、智能化的高科技戰爭，無人機、地面及水下自主移動機器人等高性能無人作戰平臺的重要性日益凸顯，它們往往承擔著軍事偵查、通信中繼、戰場監控以及自主攻擊等重要任務。這些無人作戰平臺的介入不僅降低了部隊的戰斗損傷，還大大地提高了作戰效率。導航系統作為無人作戰平臺的核心技術之一，其性能的優劣成為決定作戰平臺執行效率的關鍵。復雜電磁干擾環境、跨區域遠程打擊等新的戰爭條件對導航系統的精度、智能化、自主性以及容錯性等性能指標提出了嚴峻挑戰，迫切需要一種能在陌生區域、弱/無衛星信號以及復雜電磁環境下穩定工作的自主導航技術。另外，隨著飛行器朝著微型化、智能化的方向發展，振翼飛行器以其靈活的飛行方式和極強的微型化潛力成為各國競相研究的重點。微型振翼飛行器因其體積小、重量輕，對所搭載的導航器件有著嚴格的質量和能耗要求，這使得傳統成熟的導航手段受到嚴格限制，發展類似昆蟲利用地球自然屬性的視覺導航方法和技能成為解決此類飛行器導航模塊最理想的方案。

太陽輻射出的光線部分經過大氣層的散射產生偏振光，在到達地球表面時形成了一種與自然光相互疊加的、具有穩定分布形態的偏振模式。這種偏振模式包括整個太陽光的輻射光譜，在短時間內很難人為破壞和干擾，同時它的分布沿著整個地球的表面，其特征矢量信息與太陽間的相對位置具有極強的規律性，這種可探尋的規律性為現代導航技術提供了一個全球范圍內可靠的信息載體。同時具有曲面結構的仿昆蟲復眼偏振光傳感器具有視場大、響應快、精度高等特點，可實現大區域條件下的偏振態的實時檢測。并且偏振光導航是一種以太陽為信息載體的天文導航，具有不易受電磁/人為干擾、全天、全球化的特點。這些特點為目前無人作戰平臺導航系統提供了一個全新的思路。

自然光很難在較大范圍內人為加以干涉和破壞，尤其是在戰爭等無法有效使用衛星導航信號的“特殊環境”下，基于檢測自然光的偏振光導航方法可以提供一種有效的自主導航技術。因此，該方法的研究具有重要的實際應用價值，可以為微型無人飛行器和機器人在陌生環境下自主導航提供一套完整的導航方案，也可以將其應用于船舶、飛機、導彈上作為傳統導航方法的補充和備份。該技術的研究與開發對發展國防裝備建設及民用經濟具有重要的現實意義。隨著現代導航技術與偏振光導航理論的不斷發展和完善，偏振光導航技術與傳統成熟的導航方法組合，在微型飛行器自主導航、星際空間探索、星球探測等方面具有極強的應用前景。

發明內容

本發明為解決現有的針對空間運行體的導航方法存在的上述問題，提供了一種基于大氣偏振E-矢量模式特征的空間姿態參數獲取方法(即利用自然光偏振模式確定大氣層內飛行器空間姿態參數的方法)。

本發明是采用如下技術方案實現的：

一種基于大氣偏振E-矢量模式特征的空間姿態參數獲取方法，包括如下步驟：

(1)、偏振信息檢測

利用偏振光傳感器中單反相機加裝魚眼鏡頭和線偏振片，實現天空180°大范圍內偏振信息測量。通過偏振片檢偏，使振動方向與線偏片透光軸一致的偏振光通過，而其他方向的偏振信息抑制。魚眼鏡頭將全天域不同方向的檢測點投射到二維成像面上，通過CCD響應，將光強信息轉化為圖像灰度信息，每個成像點對應一個測量方向的偏振信息。