本发明专利技术涉及一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，包括步骤：量化偏振信息、太阳高度角与航向精度之间的关系，确定偏振度阈值以及太阳高度角阈值；在基于偏振矢量和太阳矢量垂直关系的量测模型中引入偏振角误差匹配项，结合惯导误差方程建立状态方程；获取载体系下偏振矢量与太阳矢量以及导航系下太阳矢量，计算当前时刻太阳高度角；基于偏振度阈值与太阳高度角阈值，判断当前姿态更新的组合模式，建立智能匹配规则，分别进行基于偏振量测、基于偏振量测和太阳量测与基于太阳量测的姿态更新；最后，基于滤波融合算法更新惯导解算姿态。本发明专利技术可应用于运动载体自主导航，实现卫星导航拒止和非结构化环境下的自主姿态确定。主姿态确定。主姿态确定。
【技术实现步骤摘要】
一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法
[0001]本专利技术涉及导航领域，尤其是一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法。
技术介绍
[0002]在运动过程中，载体需要实时获得自身姿态信息，高稳定和高可靠的自主导航能力是保障载体顺利完成作业或者执行任务的核心技术。目前，惯性测量单元是航姿参考系统中应用最为广泛的部件。由于惯性测量单元的工作原理，会不可避免的产生随时间累积的误差。引入磁强计与惯性测量单元进行融合是一种常用的姿态确定方法。磁强计通过测量地磁场强度和方向获得载体航向信息，但其测量精度易受外部磁干扰的影响，较难保障载体姿态连续稳定的估计。
[0003]仿生偏振导航是一种新兴的、有效的自主导航技术，具有无源、无辐射、自主性强、抗干扰能力强等特点，能够为复杂环境下的导航定姿任务提供新的解决思路。目前，基于仿生偏振的定姿方法，大多利用大气偏振模式的对称性，以及理想环境下的大气瑞利散射模型作为导航依据。例如，已授权专利“一种基于偏振光传感器的航姿测定方法”，专利号201410628075.4，就是通过对基于瑞利散射和实际测量的入射光最大偏振方向之间的误差进行互补滤波，从而获得航向角，但是没有考虑到偏振信息不可用的情况。
[0004]由于不需要对太阳进行直接观测，可观测天空任意区域即可获得偏振量测信息。因此，基于仿生偏振的定姿方法具有强抗干扰、强环境适应性的特点，能够保证在一定的云雾干扰下仍具备良好的自主定姿能力。但当太阳高度角较高时，大气偏振分布模式稳定性降低，偏振量测信息可靠性较低，而且由于地面反射、太阳直射杂光等造成目前常用的基于瑞利散射的偏振量测模型，即偏振矢量和太阳矢量信息的垂直关系模型，难以满足载体运动中连续稳定的姿态估计需求。已授权专利“一种基于太阳矢量的偏振辅助导航方法”，专利号201510295505.X，利用大气偏振模式得到太阳矢量进行辅助导航，但是没有针对偏振矢量与太阳矢量之间的非垂直误差进行匹配与修正。
[0005]太阳敏感器可以直接获得太阳矢量信息，以确定载体的姿态信息，具有高精度、强自主性的优点。但是当太阳高度角较低时，受低层大气温差、压强、水汽等产生的大气折射误差影响，太阳量测信息精度较低而且当有云层遮挡时存在失效的风险。已受理专利“一种基于偏振/天文信息融合的航向与姿态确定方法”，专利号201911252069.2，虽然将偏振信息与天文信息进行了融合，但是没有考虑到在不同应用条件下二者信息之间的智能匹配问题。美国专利“SKY POLARIZATION AND SUN SENSOR SYSTEM AND METHOD”，专利号US10408918B2，利用偏振信息与太阳信息确定天顶位置与太阳方位角，从而实现定向功能，但是没有考虑到在获取不同量测信息时，各种组合方式之间的判断和选择问题；同时，该专利在确定航向时，也没有考虑到偏振信息量测方程中的偏振角误差项，不能在只有偏振矢量量测的条件下确定载体航向。
技术实现思路
[0006]本专利技术为了解决上述技术问题，提出了一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，利用偏振量测信息与太阳量测信息的匹配特性确定相应的姿态更新组合模式，建立智能匹配规则，通过仿生偏振传感器和太阳敏感器量测信息修正惯性测量单元的姿态累积误差。量化分析基于偏振矢量解算航向精度和太阳矢量解算姿态精度，与偏振度、太阳高度角之间的关系，确定使用偏振矢量和太阳矢量量测进行姿态更新的偏振度和太阳高度角阈值，实现定姿过程中偏振/太阳/惯性不同组合模式的智能匹配。同时，在误差状态中引入偏振角误差匹配项，降低偏振量测信息和太阳量测信息不匹配性对姿态估计的影响。该定姿方法可保障白天全时段连续性和稳定性的载体姿态估计，提高载体姿态估计的可靠性与环境适应性，是一种可用于在卫星导航信号拒止或电磁干扰等复杂环境下载体的自主定姿方法。
[0007]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1、建立基于偏振矢量解算的航向精度与偏振度之间的量化关系，确定偏振矢量用于姿态更新的偏振度阈值thr
pol
；建立基于太阳矢量解算的姿态精度与太阳高度角之间的量化关系，确定太阳矢量用于姿态更新的太阳高度角阈值；建立基于偏振矢量解算的航向精度与太阳高度角之间的量化关系，确定偏振矢量用于姿态更新的太阳高度角阈值
[0009]步骤2、在基于偏振矢量和太阳矢量垂直关系的量测模型中，引入偏振角误差匹配项Δφ，结合惯导误差方程，建立包含Δφ的误差状态方程；
[0010]步骤3、利用偏振传感器采集偏振度信息和偏振角信息，获得载体系即b系下的偏振矢量p
b
；利用太阳敏感器测量得到b系下的太阳矢量s
b
；根据载体内置的时钟信息和载体的地理位置信息，结合天文年历计算出当前时刻太阳的赤经R
A
和赤纬δ，得到导航系即n系下太阳矢量s
n
，计算当前时刻n系下的太阳高度角；
[0011]步骤4、建立信息融合的智能匹配规则：
[0012](4.1)若太阳高度角小于阈值，并且偏振度大于阈值thr
pol
，则利用b系下p
b
与s
b
之间的垂直关系，进行基于偏振量测的姿态更新；
[0013](4.2)若太阳高度角大于阈值且小于阈值，其中，当偏振度小于阈值thr
pol
时，利用s
n
与s
b
之间的坐标转换关系，进行基于太阳量测的姿态更新，而当偏振度大于阈值thr
pol
时，进行基于偏振量测和太阳量测的姿态更新；
[0014](4.3)若太阳高度角大于阈值，则进行基于太阳量测的姿态更新；
[0015]步骤5、基于滤波融合算法对误差状态进行估计，更新惯导解算姿态，最终输出基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿结果。
[0016]在所述步骤1中，通过量化分析基于偏振矢量解算的航向精度与偏振度之间的关系，确定偏振度阈值thr
pol
，当观测方向的偏振度小于阈值thr
pol
时，不进行基于偏振量测的姿态更新；否则进行姿态更新；
[0017]通过量化分析基于太阳矢量解算的姿态精度与太阳高度角的关系，确定太阳高度
角阈值当太阳高度小于阈值时，表示当前时刻太阳矢量的观测精度较低，不进行基于太阳矢量量测的姿态更新；否则进行姿态更新；
[0018]通过量化分析基于偏振矢量解算的航向精度与太阳高度角之间的关系，确定太阳高度角阈值，当太阳高度角高于阈值时，表示基于偏振矢量解算的航向精度较低，不进行基于偏振量测的姿态更新；否则进行姿态更新。
[0019]在步骤2中，在垂直关系模型中引入偏振角误差匹配项Δφ；
[0020]利用惯性测量单元解算b系与n系之间的姿态转换矩阵，结合惯导误差状态方程：
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立基于偏振矢量解算的航向精度与偏振度之间的量化关系，确定偏振矢量用于姿态更新的偏振度阈值thr
pol
；建立基于太阳矢量解算的姿态精度与太阳高度角之间的量化关系，确定太阳矢量用于姿态更新的太阳高度角阈值thr
1sun
；建立基于偏振矢量解算的航向精度与太阳高度角之间的量化关系，确定偏振矢量用于姿态更新的太阳高度角阈值步骤2、在基于偏振矢量和太阳矢量垂直关系的量测模型中，引入偏振角误差匹配项Δφ，结合惯导误差方程，建立包含Δφ的误差状态方程；步骤3、利用偏振传感器采集偏振度信息和偏振角信息，获得载体系即b系下的偏振矢量p
b
；利用太阳敏感器测量得到b系下的太阳矢量s
b
；根据载体内置的时钟信息和载体的地理位置信息，结合天文年历计算出当前时刻太阳的赤经R
A
和赤纬δ，得到导航系即n系下太阳矢量s
n
，计算当前时刻n系下的太阳高度角；步骤4、建立信息融合的智能匹配规则：(4.1)若太阳高度角小于阈值thr
1sun
，并且偏振度大于阈值thr
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，则利用b系下p
b
与s
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之间的垂直关系，进行基于偏振量测的姿态更新；(4.2)若太阳高度角大于阈值thr
1sun
且小于阈值其中当偏振度小于阈值thr
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时，利用s
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与s
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之间的坐标转换关系，进行基于太阳量测的姿态更新，而当偏振度大于阈值thr
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时，进行基于偏振量测和太阳量测的姿态更新；(4.3)若太阳高度角大于阈值则进行基于太阳量测的姿态更新；步骤5、基于滤波融合算法对误差状态进行估计，更新惯导解算姿态最终输出基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿结果。2.根据权利要求1所述的一种基于偏振/太阳/惯性信息智能匹配的自主定姿方法，其特征在于：在所述步骤1中，通过量化分析基于偏振矢量解算的航向精度与偏振度之间的关系，确定偏振度阈值thr
pol
，当观测方向的偏振度小于阈值thr
pol
时，不进行基于偏振量测的姿态更新；否则进行姿态更新；通过量化分析基于太阳矢量解算的姿态精度与太阳高度角的关系，确定太阳高度角阈值thr
1sun...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭雷，陈泰航，黄盼盼，杨健，刘鑫，
申请(专利权)人：北京航空航天大学杭州创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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