一种基于公有误差更新的天空偏振光导航方法技术

本发明专利技术公开一种基于公有误差更新的天空偏振光导航方法，包括以下步骤：各个天空偏振光测量基准站独立测量天空偏振光状态，分析得到天空偏振光导航参数的公有误差，并将公有误差上传到系统控制中心；系统控制中心存储收到的天空偏振光导航参数公有误差数据；当用户端使用天空偏振光导航系统时，向系统控制中心发送公有误差数据请求；系统控制中心选取合适的多个天空偏振光测量基准站的公有误差数据，按照距离进行加权平均后发送给用户；该用户根据接收到的公有误差数据，修正天空偏振光导航参数，实现基于公有误差更新的天空偏振光导航。本发明专利技术较现有技术相比，可消除局域范围内天空偏振光导航参数的公有误差，提高天空偏振光导航系统精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于公有误差更新的天空偏振光导航方法
本专利技术涉及一种基于公有误差更新的天空偏振光导航方法，可用于天空偏振光导航。
技术介绍
天空偏振光导航是一种利用大气偏振特性的导航方法，以大气粒子的自然偏振特性与天空偏振分布模式为理论依据。运动体通过对天空偏振光的检测与演算，得到本体的导航参数。天空偏振光导航具有独立自主、误差不随时间积累和不易受电磁干扰的优点。PeterGlenFrance在专利US9562764B2中提出了一种利用天空偏振光确定平台绝对航向的方法，通过采用偏振传感器获取前后两个时刻的天空偏振信息和前后两时刻平台的相对角度关系，解算出平台的绝对航向。该方法难以在短时间内快速解算航向。北京航空航天大学的郭雷团队在专利201510303533.1中提出了一种基于大气偏振信息的太阳高度角计算方法，通过由三个偏振传感器构成的天空偏振光检测结构，计算出太阳高度角，从而实现载体三维定位。该方法通过对传感器结构的特殊设计，解决了太阳高度角难以计算的问题，但未考虑大气环境带来的误差，解算精度依赖于所测偏振信息的精度。大连理工大学的褚金奎团队在论文《Anovelautonomousreal-timepositionmethodbasedonpolarizedlightandgeomagneticfield》中设计了一种基于偏振光和地磁场的组合定时定位方法，该方法利用两个偏振光传感器和一个三轴罗盘，通过E矢量叉乘得到太阳矢量。然而，现有的利用天空偏振光导航的方法均只采用了单一位置点的测量信息，并按照符合理想大气环境的瑞利散射模型求解导航参数。而真实测量的偏振光信息往往与瑞利散射模型之间存在一定的误差，外部大气环境的变化会对导航精度产生较大影响。因此，需要一种能够对大气环境带来的误差进行估计的天空偏振光导航方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是：克服现有技术的不足，提供一种基于公有误差更新的天空偏振光导航方法，利用位于不同位置的天空偏振光测量基准站获取导航参数公有误差数据，以此为依据校正用户端天空偏振光导航系统的精度。该方法可以对大气环境带来的误差进行估计，有效消除局域范围内天空偏振光导航参数的公有误差，提高天空偏振光导航系统精度。本专利技术的技术解决方案为：一种基于公有误差更新的天空偏振光导航方法，实现步骤如下：(1)各个天空偏振光测量基准站独立测量天空偏振光状态，分析得到天空偏振光导航参数的公有误差，并将公有误差上传到系统控制中心；(2)系统控制中心存储收到的天空偏振光导航参数公有误差数据；(3)当用户端使用天空偏振光导航系统时，向系统控制中心发送公有误差数据请求；(4)系统控制中心选取合适的多个天空偏振光测量基准站的公有误差数据，按照距离进行加权平均后发送给用户；(5)该用户根据接收到的公有误差数据，修正天空偏振光导航参数，实现基于公有误差更新的天空偏振光导航。所述步骤(1)中的天空偏振光导航参数公有误差，是指导航参数实际计算值和理论值的差值。导航参数实际计算值由基准站实时测量的天空偏振光状态计算。导航参数理论值则是由基准站提供的时间、空间和姿态信息，结合瑞利散射模型反演得到的。其步骤包括：a)根据基准站的时间、空间信息，查阅太阳年历可得到地理系下的太阳矢量；b)根据基准站的姿态信息可得到传感器坐标系下的太阳矢量；c)结合瑞利散射模型可仿真得到全天空区域的偏振度和偏振化方向；d)由偏振度和偏振化方向可反演出所需的导航参数理论值；e)基准站实时测量天空偏振光状态，计算出导航参数实际值；f)导航参数实际值与理论值的差值作为导航参数公有误差。所述步骤(4)中，按照距离进行加权平均的方法是指，根据用户端初始估计的位置，计算用户端到基准站的距离，所采取的加权系数应该与距离成反比，即距离越近的基准站公有误差数据所占权重越大。之所以采用距离加权平均是因为，偏振导航系统的误差源主要包括外部误差和内部误差，外部误差来源于天气、温度、大气粒子光学特性等的影响，内部误差来源于传感器器件安装误差等。当用户端与基准站距离越近时，两者的外部误差才越接近，可被所述基于公有误差更新的天空偏振光导航方法消除。本专利技术与现有技术相比的优点在于：利用位于不同位置的天空偏振光测量基准站获取导航参数公有误差数据，以此为依据校正用户端天空光偏振导航系统的参数。与其它方法相比，本专利技术考虑了大气环境对偏振信息测量带来的影响，并充分利用大气环境在相近地理位置上的相似性，定量解算出大气环境对偏振信息测量值的误差影响，有效消除了局域范围内天空偏振光导航参数的公有误差，提高了天空偏振光导航系统的精度。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术的系统构成示意图。具体实施方式下面结合技术方案和举例说明本专利技术的具体实施方式：首先介绍一种基于天空光偏振化方向的导航方法，瑞利散射模型可以解释天空偏振场分布的特征，因此常以此为依据解算导航参数。根据瑞利散射模型，散射光的E矢量与太阳矢量垂直，利用两点E矢量叉乘即可得到太阳矢量，进一步实现载体定姿或定位：这里对文中提到的坐标系进行说明：载体坐标系b系：以天空偏振光测量装置中的相机光心(观测点)为原点B，沿成像平面向右为X轴，向前为Y轴，垂直于成像平面向上为Z轴，构成右手坐标系B-XYZ；被测点坐标系i系：以天空中偏振信息被测点为原点I，以偏振光传播方向(即被测点I到观测点B的连线)反方向为Z轴，沿观测点B正上方天顶出发经过I点的子午线在该点的切线方向为X轴，构成右手坐标系I-XYZ。式1中，为所求载体坐标系下的太阳矢量，分别为所测两点的E矢量在载体坐标系b系下的表征，可由天空光的偏振化方向得到：式2中，为所测偏振化方向，由偏振化方向表示的E矢量(被测点坐标系i系下的表征)需要经过坐标系转换后才能表示为载体系(b系)下的E矢量根据偏振光传感器的结构可知被测点I在载体坐标系B系下的天顶角和方位角，进一步可得到姿态转换矩阵考虑到大气环境对偏振测量信息的影响，实际所测偏振化方向为当观测点(即天空偏振光导航系统光心所处位置)在地理位置上距离越近时，所测天空光偏振化方向的误差越接近，因此本专利技术中基于公有误差更新的方法可对大气环境带来的误差进行估计，有效提高天空偏振光导航的精度。如图1所示，本专利技术的具体实施步骤如下：(1)各个天空偏振光测量基准站独立测量天空偏振光状态，得到天空中不同点的偏振化方向在当前位置和当前时间下的实测值，计算原理和公式如下：检偏器件对来自大气散射辐射的入射光的偏振特性的调制可用检偏器件的米勒矩阵M表示：式4中，So、Sin分别为出射光和入射光的Stokes矢量，α为检偏器偏振化方向与系统光轴的夹角，即偏振片极化方向与参考坐标的夹角。旋转偏振片至多个不同的相对角度，即可求出入射光的E矢量与参考坐标方向的夹角：当偏振片旋转角度大于3时，可利用最小二乘法解得入射光的stokes分量。根据Stokes分量求得各点的偏振度和偏振化方向：(2)通过查阅太阳年历可得到当前地理系下的太阳矢量再根据传感器的姿态可得到传感器坐标系下的太阳矢量其中为传感器的安装矩阵。(3)按照瑞利散射模型可反演出偏振化方向的理论值：式8中，θ，γ为太阳矢量在传感器坐标系下的高度角和方位角(由得到)，θn，γn为天空中不同被测点的高度角和方位角，可由传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于公有误差更新的天空偏振光导航方法，其特征在于包括步骤如下：(1)各个天空偏振光测量基准站独立测量天空偏振光状态，得到天空偏振光导航参数的公有误差，并将公有误差上传到系统控制中心；(2)系统控制中心存储收到的天空偏振光导航参数公有误差数据；(3)当用户端使用天空偏振光导航系统时，向系统控制中心发送公有误差数据请求；(4)系统控制中心选取多个天空偏振光测量基准站的公有误差数据，按照距离进行加权平均后发送给用户；(5)该用户根据接收到的公有误差数据，修正天空偏振光导航参数，实现基于公有误差更新的天空偏振光导航。

【技术特征摘要】
1.一种基于公有误差更新的天空偏振光导航方法，其特征在于包括步骤如下：(1)各个天空偏振光测量基准站独立测量天空偏振光状态，得到天空偏振光导航参数的公有误差，并将公有误差上传到系统控制中心；(2)系统控制中心存储收到的天空偏振光导航参数公有误差数据；(3)当用户端使用天空偏振光导航系统时，向系统控制中心发送公有误差数据请求；(4)系统控制中心选取多个天空偏振光测量基准站的公有误差数据，按照距离进行加权平均后发送给用户；(5)该用户根据接收到的公有误差数据，修正天空偏振光导航参数，实现基于公有误差更新的天空偏振光导航。2.根据权利要求1所述的基于公有误差更新的天空偏振光导航方法，其特征在于：所述步骤(1)中，天空偏振光导航参数的公有误差，是根据导航参数实际...

【专利技术属性】
技术研发人员：张霄，许欢，郭雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11