利用自然光偏振模式確定大氣層內飛行器空間姿態的方法
【專利摘要】利用自然光偏振模式確定大氣層內飛行器空間姿態的方法。本發明涉及導航技術，具體為一種利用大氣偏振光的三維定姿方法。該方法是采用如下步驟實現的：（1）利用球面傳感器陣列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，利用數據分析求出太陽子午線與體軸夾角及太陽投影點在體坐標系下位置坐標；（3）利用子午線與體軸夾角確定偏航角；（4）利用姿態解算公式求俯仰角及滾轉角。本發明設計合理，采用大氣偏振模式進行三維定姿，提供了一種很好的技術手段，具有完全自主特性，通過實時對大氣偏振模式分布的檢測，就可以解算出自身的三維姿態，簡單可行沒有累計誤差，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。
【專利說明】利用自然光偏振模式確定大氣層內飛行器空間姿態的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及飛行器空間姿態自主測量方法，具體是一種利用大氣自然光的偏振模式確定大氣層內運動載體(飛行器)的空間姿態信息的方法。
【背景技術】
[0002]目前，模仿昆蟲利用大氣偏振模式進行的仿生導航研究被認為是一種極具前景的新方向，可為時下重點研究的微型飛行器提供導航新方法。大氣偏振模式是太陽光進入大氣層后與空氣分子離子散射形成的一種具有穩定分布的形式，是地球的自然屬性，其中所蘊含的方向信息可為昆蟲提供航向信息，具有純自主，不易受到外部干擾的特點。
[0003]研究表明，復眼中對偏振光敏感的小眼集中在成扇形分布背部邊緣區，朝向天空各個方向上的小眼可檢測到天空大片區域的偏振模式。昆蟲利用所檢測到的該區域的偏振信息感知太陽子午線與昆蟲體軸的夾角來確定航向。對飛行昆蟲，實現三維導航不僅要解決航向問題，還要解決飛行中的姿態問題。仿生行為學實驗表明，利用大氣偏振模式信息進行三維導航的方法是可行的。爬行昆蟲利用偏振光和里程計定位，而飛行昆蟲利用偏振光和光流感知來定位。
[0004]大氣偏振模式的分布規律:太陽福射出的光線經過大氣層的散射，到達地球表面的光線成了自然光和線偏振光的疊加，形成了具有穩定分布的偏振態。由于穩定分布的偏振態是針對整個太陽光的輻射光譜，其分布具有不易受電磁/人為干擾、全天候的特點，且分布沿著整個地球的表面，其大氣偏振態特征矢量信息與太陽間的相對位置具有極強的規律性，可為偏振光檢測提供一個全球范圍內可靠的信息載體。經過研究發現，任意觀測位置下的大氣存在一種相對穩定的偏振模式，其表現為兩條穩定分布的對稱線，一條是太陽子午線以及逆太陽子午線SM-ASM，大氣偏振模式的偏振度關于SM-ASM對稱分布，E-矢量關于SM-ASM逆對稱分布；另一條是與太陽角距為90°的最大偏振線，大氣偏振模式關于最大偏振線對稱，在偏振線所在的位置，偏振度最大，距離對稱線越遠，偏振度越小。
[0005]目前，對于大氣層內的運動載體，尤其是無人自主移動平臺如無人機、機器人等，其導航過程中，三維姿態的測量極為關鍵。傳統的慣導存在積累誤差的缺陷，而GPS需要大量衛星支持，易受到外部電磁波干擾。
【發明內容】
[0006]本發明為了解決現有的針對空間運行體的導航方法存在的上述問題，提供了一種利用自然光偏振模式確定大氣層內飛行器三維姿態的方法。
[0007]本發明是采用如下技術方案實現的:
[0008]一種利用自然光偏振模式確定大氣層內飛行器空間姿態的方法，包括如下步驟:
[0009](I)、建立體坐標系，以飛行器的質心為原點0b，Xb軸(縱軸)位于飛行器對稱面內、平行于機身軸線，向前為正(即指向機頭方向為正);Yb軸(橫軸)垂直于飛行器對稱面，向右為正；zb軸(豎軸)位于飛行器對稱平面內，向下為正；[0010]建立參考坐標系，原點Oa位于地面上某一點，Xa軸指向正北方向，Ya軸指向正東方向，Xa軸鉛直向下?’以XaOaYa平面為參考水平面；
[0011]將仿生復眼球面傳感器陣列安裝在飛行器的質心處，即原點ob。
[0012](2)、確定偏航角Ψ
[0013]飛行器三維姿態的確定與飛行器的質心位置無關，將原點Ob和Oa重合后，利用仿生復眼球面傳感器陣列實時米集各個方向上的太陽光E-矢量信息與偏振度信息,并確定檢測到水平方向的E-矢量的小眼陣列及其在球面上的幾何位置，這些水平方向的E-矢量的小眼陣列在參考水平面上的投影，即太陽子午線在參考水平面上的投影CD;同時仿生復眼球面傳感器陣列測量確定CD與Xb縱軸在參考水平面上的投影Xb,的夾角l(pS;
[0014]此時，由太陽歷理論計算得出在參考水平面上⑶與Xa軸的夾角《Po;
[0015]偏航角Ψ由公式(I)確定:
[0016]
【權利要求】
1.一種利用自然光偏振模式確定大氣層內飛行器空間姿態的方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)、建立體坐標系，以飛行器的質心為原點ob，Xb軸位于飛行器對稱面內、平行于機身軸線，向前為正；Yb軸垂直于飛行器對稱面，向右為正；zb軸位于飛行器對稱平面內，向下為正； 建立參考坐標系，原點Oa位于地面上某一點，Xa軸指向正北方向，Ya軸指向正東方向，Za軸鉛直向下；以XaOaYa平面為參考水平面； 將仿生復眼球面傳感器陣列安裝在飛行器的質心處，即原點Ob ； (2)、確定偏航角Ψ 將原點Ob和Oa重合后，利用仿生復眼球面傳感器陣列實時采集各個方向上的太陽光E-矢量信息與偏振度信息，并確定檢測到水平方向的E-矢量的小眼陣列及其在球面上的幾何位置，那么檢測到水平方向的E-矢量的小眼陣列在參考水平面上的投影，即太陽子午線在參考水平面上的投影CD ;同時仿生復眼球面傳感器陣列測量確定CD與Xb縱軸在參考水平面上的投影Xb,的夾角φs; 此時，由太陽歷理論計算得出在參考水平面上CD與Xa軸的夾角Vo; 偏航角Ψ由公式(I)確定:
【文檔編號】G01C21/02GK103913167SQ201410143392
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】劉俊, 唐軍, 任建斌, 石云波, 李 杰, 張曉明, 王飛, 張楠 申請人:中北大學