一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于夜间月光偏振

【技术实现步骤摘要】
一种基于夜间月光偏振
‑
星光信息融合的组合定位方法


[0001]本专利技术属于无人系统自主定位领域，具体涉及一种基于夜间月光偏振
‑
星光信息融合的组合定位方法。

技术介绍

[0002]夜间环境具有能见度低、可视性差的特点，具备夜间导航能力对于无人系统完成任务有着重要的意义。针对夜间陌生的导航环境，单一的导航方式都存在各自的局限性，因此，在实际应用中常采用多种手段组合进行导航。惯性、天文和卫星的组合模式是目前常用的导航方法。但是，惯导存在误差积累，卫星导航在城市建筑区域或电磁干扰环境下容易失效。天文导航是常用的自主导航手段，基于星光信息的天文导航常采用星敏感器作为测量仪器，具有高精度的优点。但由于星光距离地球很远，而地球上载体的运动又不足以改变星矢量的指向，因此，星敏感器需要结合其他导航方式进行组合。而现有的惯性/天文组合定位又会受到惯导所提供的水平基准的精度限制，随着惯导误差的积累，定位精度也会逐渐下降。
[0003]偏振光导航也是一种基于天空信息的导航方法，具有隐蔽性好，误差不随时间积累，不易受到外界干扰的优点。不同于遥远的星光，夜间的偏振光由地球的近天体——月亮产生。因此，由月光形成的天空偏振信息和星光信息之间的夹角会随着载体在地球上观测位置的不同而改变，这一夹角可以直接由偏振传感器和星敏感器测得，不依赖于载体先验姿态信息，因此，通过结合夜间偏振光和星光的信息特点，可实现大气层内夜间环境下不依赖于惯导姿态平台的自主定位方法，在卫星信号失效条件下，仍提供高精度的位置信息。
[0004]现有组合定位方法，如论文“一种基于 INS/GPS/CNS的全信息导航滤波算法”利用了GPS的信息，系统抗干扰能力较弱，自主性差；而基于偏振和星光信息的组合定位方法，如已授权的中国专利技术专利“一种基于偏振/天文辅助的自主导航定位方法(ZL201911250913.8)”利用了惯导系统提供的姿态平台，定位结果会受到惯导精度的限制。

技术实现思路

[0005]考虑现有技术存在的问题，本专利技术提出一种基于夜间月光偏振
‑
星光信息融合的组合定位方法，该方法通过将夜间天空偏振信息和星光信息相结合，解决大气层内无人系统的自主定位问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于夜间月光偏振
‑
星光信息融合的组合定位方法，包括如下步骤：（1）利用偏振传感器获取两个不同观测方向上被观测天空点的偏振矢量，，利用星敏感器获得星光矢量，其中，k表示第k个星光矢量，b表示载体坐标系，由于偏振矢量，和月亮矢量之间存在垂直关系，因此，获得月亮矢量和星光矢量之间的夹角；（2）通过天体几何位置关系，建立上一步中得到的夹角和由观测者位置O指向
月亮点M的矢量的关系。根据地球系下的星光矢量和夹角，定义矢量的优化问题，并求出该问题的最优解；其中，所述地球系为e系；（3）通过上一步得到的最优解，根据地球椭球体方程和以最优解为方向且过观测者位置O、月亮点M的直线OM的直线方程，计算地球与直线OM的交点的坐标，其中，表示交点在e系下的三维坐标值；（4）根据交点的坐标计算观测者位置的经度、纬度值、。
[0007]进一步地，所述步骤（1）中，所述夹角，表示为：其中，夹角的取值范围为[0
°
,180
°
]。
[0008]进一步地，所述步骤（2）中，通过天体几何位置关系，建立e系下的夹角和由观测者位置O指向月亮点M的矢量的关系如下：其中，为e系下的星光矢量，根据天文年历求取；为了求解矢量，定义优化问题为：其中，J为目标函数，矩阵和矩阵的具体表示如下：在上式中，为当k=1,2,
…
,n时对应的值，为当k=1,2,
…
,n时对应的值，分别表示n
×
3和n
×
1维的实数集，将记为，则当拉格朗日乘子满足如下关系式时：其中，I为单位矩阵；优化问题的最优解如下：求解方程，并挑选出其中对应目标函数J最小的解，记为，进而得到优化问题最优解。
[0009]进一步地，所述步骤（3）中，所述直线OM的直线方程表示为：
其中，代表OM直线上的任意点，代表该点的三维坐标值，代表直线方程的参数，代表月亮位置，根据天文年历求取；上式定义了以最优解为方向向量且过月亮位置的直线，将地球椭球方程与该直线方程联立，求解得到观测者位置，即直线与地球的交点，假设并且，其中，表示月亮位置在e系下的三维坐标值，m,n,p表示最优解在e系下的三维坐标值。那么交点由上述直线方程求出，其中直线方程的参数t计算如下：其中，和分别为椭球长半轴和短半轴，根据地球标准模型获得；上述计算结果包含两个交点，其中绝对值更小的直线方程的参数t对应的结果为待求的观测者位置，即交点。
[0010]进一步地，所述步骤（4）中，根据上一步得到的交点坐标计算观测者位置的经纬度，计算公式为：其中，e
f
为地球椭球偏心率，根据地球标准模型获得；是观测者位置的经度、纬度。
[0011]本专利技术与现有技术相比优点在于：（1）本专利技术与现有基于偏振/星光信息的定位方法相比，不依赖于先验姿态信息，不受惯导精度的限制。
[0012]（2）本专利技术所设计组合方式在大气层内夜间陌生环境中具有较强的适用性，可作为卫星信号失效条件下的一种有效的自主定位手段。
[0013]（3）本专利技术可用于无人机、无人船、无人车等无人系统的位置获取，提高无人系统在无卫星信号下的自主导航能力。
附图说明
[0014]图1为本专利技术的基于夜间月光偏振
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星光信息融合的组合定位方法流程图；图2为本专利技术的定位原理示意图。
具体实施方式
[0015]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0016]如图1所示，本专利技术的基于夜间月光偏振
‑
星光信息融合的组合定位方法的具体实现步骤如下：步骤1、利用偏振传感器获取两个不同观测方向上被观测天空点的偏振矢量，，利用星敏感器获得星光矢量，其中，k表示第k个星光矢量，b表示载体坐标系，由于偏振矢量，和月亮矢量之间存在垂直关系，因此，获得月亮矢量和星光矢量之间的夹角：（1）其中，夹角的取值范围为[0
°
,180
°
]。
[0017]步骤2、通过天体几何位置关系，如图2所示，图中在b系下的表示即为上述步骤中的，，图中表示星光矢量，其在地球系（e系）和b系下的表示分别为和，图中E表示地球球心，P
it
表示观测者位置的三维坐标；建立e系下夹角和由观测者位置O指向月亮点M的矢量的关系如下：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于夜间月光偏振
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星光信息融合的组合定位方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）利用偏振传感器获取两个不同观测方向上被观测天空点的偏振矢量，，利用星敏感器获得星光矢量，其中，k表示第k个星光矢量，b表示载体坐标系，由于偏振矢量，和月亮矢量垂直，从而获得月亮矢量和星光矢量之间的夹角；（2）通过天体几何位置关系，建立上一步中得到的夹角和由观测者位置O指向月亮点M的矢量的关系；根据地球系下的星光矢量和夹角，定义矢量的优化问题，并求出该优化问题的最优解；其中，所述地球系为e系；（3）通过上一步得到的最优解，根据地球椭球体方程和以最优解为方向且过观测者位置O、月亮点M的直线OM的直线方程，计算地球与直线OM的交点的坐标，其中，表示交点在e系下的三维坐标值；（4）根据所述交点的坐标计算观测者位置的经度、纬度值、。2.根据权利要求1所述的一种基于夜间月光偏振
‑
星光信息融合的组合定位方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述夹角，表示为：其中，夹角的取值范围为[0
°
,180
°
]。3.根据权利要求2所述的一种基于夜间月光偏振
‑
星光信息融合的组合定位方法，其特征在于：所述步骤（2）中，通过天体几何位置关系，建立e系下的夹角和由观测者位置O指向月亮点M的矢量的关系如下：其中，为e系下的星光矢量，根据天文年历求取；为了求解矢量，定义优化问题为：其中，J为目标函数，矩阵和矩阵的具体表示如下：在上式中，为当k=1,2,
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【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：