一种基于星光矢量信息的夜间偏振角误差修正方法技术

本发明专利技术涉及一种基于星光矢量信息的夜间偏振角误差修正方法。首先，利用偏振传感器测量载体当前状态下观测方向上的偏振角，将表示为偏振角真值和偏振角误差的和，并通过偏振传感器所测得偏振角计算偏振矢量；根据载体内置的时钟信息结合天文年历求出当前时刻月亮在惯性坐标系i系下的表示m

【技术实现步骤摘要】
一种基于星光矢量信息的夜间偏振角误差修正方法


[0001]本专利技术属于导航领域，涉及一种基于星光矢量信息的夜间天空偏振角误差修正方法，可用于复杂环境下飞行器在夜间存在电磁干扰，导致卫星信号失效的环境下无人运动载体的全自主导航，提高飞行器的生存能力。

技术介绍

[0002]夜间环境光线较暗，具有隐蔽性好的优点，夜间自主导航能力事关飞行器飞行安全，对于有效完成飞行任务有着重要的意义。目前，美国的GPS系统，中国的BDS系统的建立，使得卫星导航系统已经得到了广泛应用，但其过于依赖通讯信号，使得信号被干扰或被遮挡时易导致导航信息失效。因此，提高载体全天时的自主导航能力具有重要的工程意义和实用价值。相比于日间环境，在夜晚昏暗的环境光条件下，基于可见光波段的视觉等导航方式也难以实现。为实现载体在夜间环境下的自主导航，需采用组合导航策略。
[0003]星光导航利用星敏感器测量天空中的星光矢量信息从而确定载体姿态，具有精度高、自主性强的优点，但同时，易受到天气的影响，如在云、霾等天气环境下，容易发生失效；偏振光导航基于大气粒子散射，是近年来基于仿生学发展起来的自主导航方法，具有抗干扰、强环境适应性等特点，在一定的云雾干扰下仍能保持良好的导航能力，但由于受到气溶胶、水蒸气等微粒对散射过程的影响，使得难以对其进行准确的建模，导致其精度相对天文导航较低。因此，结合两种导航方法的优点，在天文传感器有效时，用高精度的星光矢量信息对偏振信息进行修正，在天文传感器失效时，利用修正后的偏振信息进行导航，可以有效提高导航系统的精度和可靠性。但是，偏振信息由于受到气象和环境影响，误差往往较大，对于偏振误差的修正和补偿是一个难题。
[0004]现有偏振和天文的组合导航方法，如已授权专利“一种基于偏振信息的组合导航方法（ZL201611062735.2）”没有充分利用天文信息和偏振的特点，将二者结合考虑对偏振信息中所存在的误差进行修正，授权专利“一种基于偏振/天文信息融合的航向与姿态确定方法（ZL201911252069.2）”没有考虑偏振角误差的影响，更没有将天文和偏振信息紧密结合，利用天文信息对偏振角误差进行修正。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术的不足，从精度和稳定性的综合角度考虑，本文提出了一种基于星光矢量信息的夜间天空偏振角误差修正方法，结合天文信息对偏振误差进行修正，从而提高偏振信息精度，提高飞行器的抗干扰能力和姿态解算精度，能够实现高环境适应性的自主导航。
[0006]本专利技术的技术解决方案为：一种基于星光矢量信息的夜间天空偏振角误差修正方法，包括如下步骤：步骤1、偏振传感器安装于载体坐标系即b系下，利用偏振传感器测量载体当前状态下观测方向上的偏振角，将偏振传感器测量得到的偏振角表示为偏振角真值和偏
振角误差的累加，并通过偏振传感器所测得偏振角计算偏振矢量；步骤2、根据载体内置的时钟信息结合天文年历求出当前时刻月亮的赤经R
A
和赤纬δ，得到月亮在惯性坐标系即i系下的表示m
i
；并利用安装于b系下的天文传感器测量得到b系下的星光矢量，k=1,2，通过星图匹配，得到i系下的星光矢量，k=1,2，通过构建i系和b系之间的转换矩阵，结合该转换矩阵，将m
i
转换到b系下得到m
b
，作为月亮矢量在b系下的标称值；步骤3、将偏振角误差作为状态量，结合惯导误差方程，定义状态向量x，进而建立状态方程；步骤4、计算月亮标称值m
b
与观测点偏振矢量之间的夹角α，建立该夹角与观测点偏振角误差之间的关系方程，并对方程进行线性化，从而建立量测方程，对偏振角误差进行估计，其中，Z
d
表示量测值，是m
b
和两个矢量的夹角余弦值，H表示量测矩阵，v
d
为量测噪声，至此完成基于星光矢量信息的夜间天空偏振角误差修正。
[0007]进一步的，所述步骤1中，偏振传感器安装于b系下，用于测量b系下载体当前状态观测方向上的偏振矢量，由偏振传感器直接测得的偏振矢量存在误差，表示为如下形式：（1）其中，表示偏振角的真值，表示偏振角误差，则观测点坐标系即g系下的偏振矢量表示为：（2）进一步得到b系下的偏振矢量，表示为如下形式：（3）其中，表示g系和b系之间的转换关系。
[0008]进一步的，所述步骤2中，根据载体内置的时钟信息结合天文年历得到当前时刻月亮的赤经R
A
和赤纬δ，进而得到月亮在i系下的表示：（5）利用安装于b系下的星敏感器测量得到b系下的星光矢量，k=1,2，通过星图匹配，可以获得惯性坐标系i系下的星光矢量，k=1,2，通过构建i系到b系的转换矩阵：（6）
其中, ，，其中，，表示垂直于两个向量所成平面的单位向量，表示垂直于所构成平面的单位向量，表示由构建出的三个互相垂直的单位矢量；同样的，表示由构建出的三个互相垂直的单位矢量；norm()表示对矢量进行归一化，是为了保证三个向量为单位向量；结合该转换矩阵，将m
i
转换到b系下得到m
b
，作为月亮矢量在b系下的标称值：（7）进一步的，所述步骤3中，将偏振角误差作为状态量，结合惯导误差方程，建立状态向量，则状态向量表示为：（8）其中表示三轴失准角误差，表示三轴速度误差，表示纬度、经度、高度误差，表示陀螺三个轴的漂移，表示加速度计三个轴的偏置，基于上述状态向量，建立状态方程为：（9）其中，A为系统状态矩阵，w为噪声矩阵。
[0009]进一步的，所述步骤4中，根据步骤2给出的月亮标称值m
b
，可以得到该标称值与观测点偏振矢量之间的夹角α：（10）上式中，m
b
和分别为由星敏感器和偏振传感器获得的b系下的月亮矢量和b系下偏振矢量，进一步的，可以得到该夹角和偏振角之间的关系：（11）通过上式（11）建立该夹角α与偏振角误差的线性关系，表示为：（12）因此，建立量测方程对偏振误差进行估计，量测方程表示为：（13）其中，，v
d
表示噪声，至此完成基于星光矢量信息的夜间天空偏振角误差修正。
[0010]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
（1）用天文信息修正偏振信息中存在的误差，有效修正了偏振信息中存在的误差项，提高了偏振信息在辅助载体定姿中的精度；（2）适用于夜间存在电磁干扰的环境中，可实现自主定姿，提高了飞行器的隐蔽性。
附图说明
[0011]图1为本专利技术的方法流程图。
具体实施方式
[0012]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0013]本专利技术的方法可用于地面机器人在夜间GPS干扰环境下的全自主导航，提高载体的生存能力。
[0014]如图1所示，本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于星光矢量信息的夜间偏振角误差修正方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、偏振传感器安装于载体坐标系即b系下，利用偏振传感器测量载体当前状态下观测方向上的偏振角，将偏振传感器测量得到的偏振角表示为偏振角真值和偏振角误差的累加，并通过偏振传感器所测得偏振角计算偏振矢量；步骤2、根据载体内置的时钟信息结合天文年历求出当前时刻月亮的赤经R
A
和赤纬δ，得到月亮在惯性坐标系即i系下的表示m
i
；并利用安装于b系下的天文传感器测量得到b系下的星光矢量，k=1,2，通过星图匹配，得到i系下的星光矢量，k=1,2，通过和构建i系和b系之间的转换矩阵，结合该转换矩阵，将m
i
转换到b系下得到m
b
，作为月亮矢量在b系下的标称值；步骤3、将偏振角误差作为状态量，结合惯导误差方程，定义状态向量x，进而建立状态方程；步骤4、计算月亮标称值m
b
与观测点偏振矢量之间的夹角α，建立该夹角与观测点偏振角误差之间的关系方程，并对方程进行线性化，从而建立量测方程，对偏振角误差进行估计，其中，Z
d
表示量测值，是m
b
和两个矢量的夹角余弦值，H表示量测矩阵，v
d
为量测噪声，至此完成基于星光矢量信息的夜间天空偏振角误差修正。2.根据权利要求1所述的一种基于星光矢量信息的夜间偏振角误差修正方法，其特征在于：所述步骤1中，偏振传感器安装于b系下，用于测量b系下载体当前状态观测方向上的偏振矢量，由偏振传感器直接测得的偏振矢量存在误差，表示为如下形式：（1）其中，表示偏振角的真值，表示偏振角误差，则观测点坐标系即g系下的偏振矢量表示为：（2）进一步得到b系下的偏振矢量，表示为如下形式：（3）其中，表示g系和b系之间的转换关系。3.根据权利要求1所述的一种基于星光矢量信息的夜间偏振角误差修正方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岩，杨悦婷，杨健，郭雷，陈泰航，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：