【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于导航领域，具体涉及一种观测最大偏振度天空区域偏振光特性的导航设备。
技术介绍
1、提供方位角或航向测量的传感器是导航系统中的关键组件。在实践中，针对卫星导航拒止的情况下，常给出两种解决方案：一是利用相对航向传感器，例如环形激光陀螺仪。然而，该方法存在随时间的漂移导致性能下降，长时间使用必须用外部绝对航向进行校正。二是利用绝对航向传感器数字磁罗盘。性能好的磁罗盘可以提供5-10mil的精度。然而，由于地球磁场中不可预测的局部变化，磁罗盘的抗干扰能力还有待进一步提高。
2、仿生偏振光导航是一种基于地球自然属性的新型自主导航方法，以生物高度敏感的偏振视觉为仿生基础，以天空偏振光的规律性分布模式为导航依据，具有误差不随时间积累，抗干扰能力强、防欺骗的特点，可作为现有导航技术的有利补充。在卫星导航失效的条件下为载体提供航向和姿态信息，有效提升导航系统的精度及可靠性，具有重要的科学意义与广阔的应用前景。
3、采用偏振光定向导航方法的定向系统从采样机理上分为两大类：点源式和成像式。点源式定向系统由偏振器、光电二极管及对数放大器等组成，通过测量天空中某一点的偏振度进行定向，具有实时性好、鲁棒性高的特点。成像式定向系统由光学镜头、偏振器及图像传感器等组成，通过测量全天域或部分天空的偏振信息进行定向，对于天空中部分区域的扰动具有抗干扰性。
4、无论是点源式偏振传感器，还是成像式偏振传感器，目前都还不能主动选择其测量天空区域。当被测量天空区域随着太阳高度角增加而偏振度降低时，传感器的测量精度受到严重影
技术实现思路
1、针对现有偏振光传感器在太阳高度角增加偏振度降低时导致定向性能下降的不足，根据全天域大气偏振特性，结合偏振光敏感器定向的特点，本专利技术提供一种观测最大偏振度天空区域偏振光特性的导航设备，测量精度及导航性能不受太阳高度角和传感器倾斜的影响。
2、本专利技术所采用的技术方案如下：一种观测最大偏振度天空区域偏振光特性的导航设备，包括太阳敏感器、两个偏振传感器、三棱柱体和三轴旋转平台，所述的三棱柱体的两个底面为等腰直角三角形，所述的三棱柱体安装在三轴转台的平台上，所述的太阳敏感器的像素为2048×2048，视场为185°×185°；两个偏振传感器的视场为119°×95°；太阳敏感器安装在三棱柱体的底面，第一偏振光传感器安装在三棱柱体的第一侧面，第二偏振光传感器安装在三棱柱体的第二侧面，第一偏振光传感器的光轴、第二偏振光传感器的光轴和太阳敏感器的光轴之间均相互垂直，保证当太阳敏感器对准太阳时，偏振光传感器能够拍摄到最大偏振度天空区域；
3、设太阳敏感器坐标系为x0s0y0z0、第一偏振光传感器坐标系为x1p1y1z1、第二偏振光传感器坐标系为x2p2y2z2、三轴旋转平台坐标系为xpoypzp、载体坐标系取右前上为xboybzb，选取观测点的东北天地理坐标系xgoygzg作为导航坐标系，各坐标系均采用右手坐标系，并且三轴旋转平台坐标系的初始位置与载体坐标系重合；太阳敏感器坐标系到第一偏振光传感器坐标系、第二偏振光传感器坐标系、三轴旋转平台坐标系之间的姿态变换矩阵分别为：
4、
5、通过所述的太阳敏感器找到太阳，使太阳在太阳敏感器中成像质心位于其坐标系的原点；通过两个偏振传感器对最大偏振度天空区域成像的对称性找到太阳天顶子午线，并计算从载体坐标系到该位置的三轴旋转平台坐标系的方向余弦矩阵及其逆矩阵通过太阳天文历查询观测点当时太阳方位角和高度角，计算从地理坐标系到当前位置的三轴旋转平台坐标系的方向余弦矩阵计算从导航坐标系到载体坐标系的方向余弦阵从而得出载体的偏航角、俯仰角和滚动角及载体的航向。
6、进一步的，所述的太阳敏感器光电探测器采用1英寸cmos光电探测器。
7、进一步的，两个所述的偏振传感器均采用2/3英寸偏振图像传感器。
8、本专利技术的另一目的是通过如上的导航设备提供一种观测最大偏振度天空区域偏振光特性的导航定向和定姿方法，方法步骤如下：
9、s1：起始位置：三轴旋转平台坐标系的初始位置与载体坐标系重合；
10、s2：太阳敏感器拍摄天空中图像，提取最大亮斑的质心，判断太阳是否在视场内，如果太阳在视场内，进行下一步，否则，三轴旋转平台绕zp轴旋转180度，重复该步骤，记旋转变换矩阵为rz(γ1)，γ1＝0°或180°；
11、s3：根据太阳像点质心坐标(x，y)计算其水平和垂直视场角(γ2，α)；太阳敏感器光电探测器像素为2048x2048，视场为185°×185°，得出
12、s4：三轴旋转平台绕zp轴旋转γ2角，使太阳像点质心位于太阳敏感器坐标系像平面的坐标的y0轴上，记旋转变换矩阵为rz(γ2)；然后三轴旋转平台再绕xp轴旋转α角，则使太阳像点质心位于太阳敏感器坐标系像平面的原点，即太阳敏感器的光轴指向太阳，记旋转变换矩阵为rx(α)；
13、s5：通过两个偏振传感器对最大偏振度天空区域成像，判断两个偏振传感器获取的偏振图像是否对称，是则进行下一步，否则，通过两幅图像的对称程度判断，再将三轴旋转平台绕yp轴旋转β角直到两个偏振传感器拍摄偏振图像对称，记旋转变换矩阵为ry(β)；
14、s6：此时，太阳敏感器的光轴指向太阳，两个偏振传感器拍摄的偏振图像关于yp轴对称，太阳天顶子午线在ypozp平面内，从载体坐标系到三轴旋转平台坐标系的方向余弦阵为则从三轴旋转平台坐标系到载体坐标系的方向余弦矩阵为根据观察点时间、经纬度，查询太阳星历获取太阳高度角hs和方位角as；则从当地地理坐标系到三轴旋转平台坐标系的方向余弦阵为
15、s7：则从当地地理坐标系到载体坐标系的方向余弦矩阵为得出
16、s8：根据方向余弦阵求出载体的三个姿态角，偏航角俯仰角θ＝arcsin(a23)、滚动角
17、s9：载体航向的确定：由于地理坐标系取东北天、载体坐标系取右前上，姿态角中偏航角与对应轴转动方向相反，故航向需要将偏航角转换来确定，由于偏航角的习惯定义北偏东为正，在右前上载体坐标系中姿态的偏航角转换为载体的航向，公式为：ψb＝2π-ψ。
18、本专利技术的优点和有益效果：
19、第一：与其他偏振观测方式相比，本专利技术是在分析了大气偏振特性的基础上，结合太阳敏感器和偏振光敏感器的各自特点，设计了能够观测最大偏振度的天空区域的偏振导航系统。本专利技术不受太阳高度角影响，能够实时观测最大偏振度区域进行定向和定姿，提高了设备的抗干扰能力。
20、第二：本专利技术进行确定航向和姿态时，实时观测最大偏振度区域进行定向，即使传感器倾斜也能够观测到偏振的有效信息，提高了系统航向确定的有效性。
21、第三：本专利技术利用观测大气偏振特性进行航向确定前，已经找到太阳位置，所确定的航向不存在模糊解，提高了系统偏振定向的可靠性。
22、第四：太阳敏感器的垂直视场角是185°，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种观测最大偏振度天空区域偏振光特性的导航设备，其特征在于，包括太阳敏感器、两个偏振传感器、三棱柱体和三轴旋转平台，所述的三棱柱体的两个底面为等腰直角三角形，所述的三棱柱体安装在三轴转台的平台上，所述的太阳敏感器的像素为2048×2048，视场为185°×185°；两个偏振传感器的视场为119°×95°；太阳敏感器安装在三棱柱体的底面，第一偏振光传感器安装在三棱柱体的第一侧面，第二偏振光传感器安装在三棱柱体的第二侧面，第一偏振光传感器的光轴、第二偏振光传感器的光轴和太阳敏感器的光轴之间均相互垂直，保证当太阳敏感器对准太阳时，偏振光传感器能够拍摄到最大偏振度天空区域；
2.根据权利要求1所述的一种观测最大偏振度天空区域偏振光特性的导航设备，其特征在于：所述的太阳敏感器光电探测器采用1英寸CMOS光电探测器。
3.根据权利要求1所述的一种观测最大偏振度天空区域偏振光特性的导航设备，其特征在于：两个所述的偏振传感器均采用2/3英寸偏振图像传感器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种观测最大偏振度天空区域偏振光特性的导航设备得出的一种观测最大偏
...【技术特征摘要】
1.一种观测最大偏振度天空区域偏振光特性的导航设备，其特征在于，包括太阳敏感器、两个偏振传感器、三棱柱体和三轴旋转平台，所述的三棱柱体的两个底面为等腰直角三角形，所述的三棱柱体安装在三轴转台的平台上，所述的太阳敏感器的像素为2048×2048，视场为185°×185°；两个偏振传感器的视场为119°×95°；太阳敏感器安装在三棱柱体的底面，第一偏振光传感器安装在三棱柱体的第一侧面，第二偏振光传感器安装在三棱柱体的第二侧面，第一偏振光传感器的光轴、第二偏振光传感器的光轴和太阳敏感器的光轴之间均相互垂直，保证当太阳敏感器对准太阳时...
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