[發明專利]基于水下下行輻射光強和偏振光場的三維航姿確定方法

有效

• 申請號: 202210828890.X
• 申請日: 2022-07-15
• 公開（公告）號: CN114910080B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 楊健;胡鵬偉;郭雷;趙謙
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/16
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 金怡;顧煒

本發明涉及基于水下下行輻射光強和偏振光場的三維航姿確定方法。水下下行輻射光場包括光強場及偏振光場，通過圖像式水下偏振傳感器獲取的不同檢偏通道的偏振光強場圖像，計算得光強場圖像及偏振光場圖像；從光強場圖像中提取斯涅爾窗口中心像素，建立基于天頂矢量的量測方程；從偏振光場圖像中計算天頂偏振方位角，建立基于偏振航向角的量測方程；根據捷聯慣導系統誤差建立狀態方程，并結合兩組量測方程，采用卡爾曼濾波器估計平臺失準角，并對慣導進行反饋校正，確定三維航向與姿態信息。本發明僅利用水下下行輻射光場輔助慣導建立組合導航模型，用以修正慣導的三軸平臺失準角，提高了水下自主導航信息的完備性。

技術領域

本發明屬水下自主導航領域，具體涉及一種基于水下下行輻射光強和偏振光場的三維航姿確定方法。

背景技術

現有研究表明，有些昆蟲可感知大氣偏振光場用于自身航向角的確定，從而發展出仿生偏振光導航技術，這種導航方式具有無源自主、誤差不積累等優勢。對于導航信息匱乏的水下環境而言，將仿生偏振光導航應用于水下是對水下導航的有力補充。

中國發明專利CN104833352B提出了一種基于視覺/慣性組合的水下導航方法，該方法需要水下標志點信息，但在陌生海域水下環境中，已知視覺標志點匱乏，無法有效提供導航信息；中國發明專利CN110887476B提出了一種偏振、天文及慣導的組合導航方法用以確定載體的航向角與姿態，但天文導航僅能應用于夜間環境，且該方法僅適用于大氣環境中，水下環境對偏振光的折射等作用也影響了導航信息的獲取精度。中國發明專利CN112129285A利用磁羅經/慣性組合導航實現姿態校正，但磁羅經易受外界磁環境的影響，這也使得該方法的應用受到了限制。而且上述方法需要天文、地磁等額外的輔助導航手段，增加了整體系統的復雜程度。中國發明專利CN202011307276.6通過辨識斯涅爾窗口邊緣來確定載體水平姿態，但僅獲取了水平姿態信息，無法估計航向信息。

針對上述問題，本發明提出了基于水下下行輻射光強和偏振光場的三維航姿確定方法。充分融合了水下下行輻射光場中的光強場與偏振場，綜合獲取水下運動體的姿態與航向信息，用于修正慣導的三軸平臺失準角。實現了僅利用水下自然光場的三維航姿的實時確定，減少了對額外導航傳感器的依賴。

發明內容

為解決水下自主導航技術中的航向角與姿態三維空間信息解算問題，本發明提出了基于水下下行輻射光強和偏振光場的三維航姿確定方法。該方法可從水下下行輻射光場的光強場圖像與偏振圖像中分別提取姿態信息與航向角信息，實現了僅利用水下自然光場對三維空間信息的解算。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案為：基于水下下行輻射光強和偏振光場的三維航姿確定方法，其實現步驟如下：

（1）水下下行輻射光場包括光強場及偏振光場，通過圖像式水下偏振傳感器獲取的不同檢偏通道的偏振光強場圖像為I_α，計算得水下下行輻射光場的光強場圖像I_p及偏振光場圖像P，其中α為檢偏方向；

（2）根據水下下行輻射光強場中的斯涅爾窗口效應，提取步驟（1）計算的光強場圖像I_p中的斯涅爾窗口中心像素(i_z,j_z)，得到載體坐標系下的天頂矢量測量值，與慣導輸出的姿態轉換矩陣結合，并選擇組合導航狀態變量組成狀態空間X，建立基于天頂矢量的量測方程，其中，所述b為載體坐標系，所述n’為慣導計算坐標系；