一种旋转式偏振导航平台的航向解算编排方法

本发明涉及一种旋转式偏振导航平台的航向解算编排方法，可用于旋转式偏振导航平台高精度导航。

背景技术：

1、仿生偏振光导航方法是一种新型基于自然特性的自主导航方法，是以沙蚁等生物高度敏感的偏振视觉感知与导航功能为仿生基础，以太阳光的自然偏振特性与大气偏振模式为理论依据，通过对大气偏振模式的检测和演算，实现对载体姿态信息的判断。

2、仿生偏振光导航研究首先属于仿生学研究范畴，遵循仿生学的研究规律。仿生偏振光导航就是以沙蚁等生物高度敏感的偏振视觉系统为仿生的生物原型，通过对沙蚁偏振视觉系统的生物结构、神经系统的响应机理及其信息处理机制的研究，提出生物模型。其次仿生偏振光导航方法是以大气偏振模式相关研究为理论基础，大气偏振是由太阳和大气状态共同决定的偏振态分布模式，因此偏振光导航的研究是以光学和大气科学的相关理论为依据，是偏振光学的发展和应用。为了利用天空的偏振光进行导航，研究人员根据昆虫的偏振敏感结构仿生开发出了多种利用天空光偏振矢量导航的传感器。

3、已公开权中国专利cn115290190a公开了一种用于偏振导航的多方向偏振光采集装置，通过四个平面的多组偏振光成像系统，测量天空偏振光最大偏振方向，利用多组图像融合处理得到天空偏振光信息。已公开中国专利cn111504303a公开了一种微型两通道偏振导航敏感器，使用石英片、滤光片和偏振片等组成两个通道的四个光路，集成了0°、45°、90°和135°共四个方向的偏振方向，以此来实现对于天空偏振信息的采集。现有的天空偏振罗盘在进行测量的过程当中大都采用了多通道的采集方法，这就不可避免地出现各个光学通道光轴偏移的问题。尽管在制造过程当中通道的光轴偏移可能很小，但是对于需要使用多个通道进行测量的偏振传感器而言，每个通道的误差项叠加，误差累积的影响就无法忽视。为了实现高精度偏振光导航，就必须对其进行抑制补偿。因此，目前的偏振光导航方法存在着无法抑制光轴偏心误差角度这一缺陷。

4、已公开专利cn115062770a提出了一种基于广义仿生偏振光导航模型及求解的导航方法，通过偏振信息强度、偏振模式分布一致性等信息搜索确定定向适用区域，利用搜索到的最佳定向区域获取准确的导航定向精度。已授权专利cn108225336b提出了一种基于置信度的偏振自主组合导航方法，利用载体携带的多个偏振传感器阵列测量偏振矢量，基于瑞利散射模型，建立置信度函数得到太阳矢量，对导航参数进行估计。现有的偏振导航方法都是基于对天空区域的偏振光信息的观测结果，没有考虑观测点偏移理论位置对于偏振角测量值的影响，无法解决因传感器光轴偏移带来的偏振信息不一致性问题。

5、因此，现有的传感器设计上均存在光轴偏移的问题，导致航向角解算精度下降。针对以上问题，本专利提出一种旋转式偏振导航平台的航向解算方法，对传感器的光轴偏心误差角度进行抑制。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：偏振传感器的四通道光路光轴存在偏心误差，该误差可以标定，但即便已知该误差，在实际现有的导航解算过程中，四通道难以观测到同一信息源的偏振导航信息，四个观测通道信源不一致性导致明显的导航误差，如何抑制该误差的影响成为偏振导航的一个难题。

2、因此本发明给出的技术解决方案是：一种旋转式偏振导航平台的航向解算编排方法，包括以下步骤：

3、(1)标定旋转式偏振导航平台传感器各光学通道光路偏心误差角；对于光轴偏心误差的解释如下：

4、光轴偏心误差是指传感器光学通道内的光学透镜由于加工安装过程中存在的误差造成两侧透镜边的宽度不一致，使得透镜产生边厚差。而边厚差就会导致透镜光轴与传感器机械轴不重合，存在面倾角，使得光束透过透镜后产生偏移。透镜光轴偏心误差示意图如图1所示。图中参数具体解释如下：

5、δd:透镜边厚差,χ:面倾角,n:透镜折射率

6、δ:偏向角,d:透镜中心厚度,r1,r2:前后表面曲率半径

7、c:焦偏,k:透镜加工常数,l:透镜后截距

8、如图8所示，旋转式偏振导航平台上安装有4个偏振传感器光学通道。而在测量天空偏振光的过程中，这种光束的偏移就会导致观测点位置的偏移，使得传感器光学通道的实际光轴与理论光轴不重合，进而使得采集的天空偏振光信息不准确，造成最终的航向角度出现偏差。在利用偏振光进行航向角解算过程中，偏振传感器光学通道的光轴偏心误差的体现如图2所示。

9、(2)根据大气参数和光路偏心误差角计算各光学通道的圆周观测区域，由各圆周观测区域间的交集，得到各通道的最优观测矢量集合，具体如下：

10、测量的传感器各光学通道光路偏心误差角度为已知大气平均厚度为定义参考方向为计算特定角位置的两个光学通道之间的连线方向。传感器光学通道初始方向与参考方向的水平夹角为βij(0),i＝1,2,3,4,j＝1,2,3,4,i≠j，旋角式平台各通道均顺时针旋转，角速度为ω。各传感器光学通道之间距离为dij。选择1，2，3，4光学通道两两进行观测点解算，那么各光学通道的圆环形观测区域半径可以表示为

11、以其中两个通道的圆周观测区域为例进行说明，如图3所示，o1、o2为两个光学通道传感器在载体坐标系下的观测位置，a1'和a2'为两个光学通道圆周观测区域共同的观测点。而图中o1a1'、o1a2'为光学通道1的最佳观测矢量，o2a1'、o2a2'为光学通道2的最佳观测矢量，为了方便区分我们就分别写成{v12(1),v12(2)}和{v21(1),v21(2)}。因此，每个通道都能得到和其他三个通道的最佳观测矢量，以此得到每个通道的最佳观测矢量集合。

12、(3)将最优观测矢量投影至水平参考坐标上，计算各通道的特定角位置：

13、以其中两个通道为例进行说明，如图4所示，将两个光学通道的圆周观测区域投影到载体坐标系的o'x'y'水平面上，a1、a2为两个光学通道共同观测点在载体坐标系o'x'y'水平面上的投影点，o1、o2为两个光学通道传感器在载体坐标系下的观测位置。因此，o1a1与o1a2为第一个光学通道最优观测矢量v12(1),v12(2)的水平投影；o2a1与o2a2为第二个光学通道最优观测矢量v21(1),v21(2)的水平投影。

14、此时，a1、a2两个观测点的投影点与参考方向之间的夹角，在图4中则体现为观测圆心角，即：

15、

16、β12(2)＝∠a2o1o2＝2π-β12(1)

17、

18、β21(2)＝∠a2o2o1＝2π-β21(1)

19、其中，β12(1)和β12(2)为一通道的观测圆心角，β21(1)和β21(2)为二通道的观测圆心角。

20、那么，各通道的特定角位置就是从光学通道初始角度旋转到最优观测矢量方向的角度位置，即：

21、

22、

23、和就在载体坐标系下的一通道的特定角位置。

24、于是，将四个通道两两进行解算，各通道的特定角位置为：

25、

26、除此之外，考虑到各通道圆周区域的随机性，两个光学通道之间的距离小于通道的圆周观测区域半径，如图5所示，那么就还存在两个圆周区域内含的情况：

27、此时，考虑到单点式偏振传感器的特性，应该尽量选择靠近天顶点的观测点，那么选取a1点作为最优观测点的投影点。此时，a1观测点的投影点与参考方向之间的夹角表示为βj＝0那么，各光学通道的特定角位置为：

28、

29、(4)结合转台系统的角速度信息计算出各通道在该角位置的观测时刻集合ti：

30、

31、(5)各通道在各自的特定角位置测量天空光强，结合已知的位置、时间、太阳方位信息解算出观测点的偏振信息，从而获得航向信息。

32、计算航向信息包括：

33、首先计算偏振角信息。

34、本发明基于旋转式偏振导航平台的硬件设备，该平台使用四个不同偏振化方向的光学通道进行偏振信息的采集工作，根据stokes矢量测量放，各光学通道在到达特定角位置时刻的量测光强可以表示为如下：

35、

36、其中，ii(αi,ti)表示第i个光学通道在特定角位置时采集到的量测光强，αi表示偏振片检偏方向与传感器参考基准方向的夹角，iin、qin和uin表示需要求解的stokes矢量参数。选择一组观测时刻，由四个通道的光强测量数据计算stokes矢量，即：

37、

38、qin＝i1(α1,t1)-i3(α3,t3)

39、uin＝i2(α2,t2)-i4(α4,t4)

40、于是，由stokes矢量可以计算出在载体坐标系(前-右-上坐标系)下的偏振度与偏振角：

41、

42、

43、那么，此时在载体坐标系下的入射光e矢量表示为：

44、

45、传感器视线方向在载体坐标系下的矢量可以表示为：

46、

47、根据瑞利散射模型能得到载体系下的太阳矢量：

48、

49、式中，k为常数保证两边模值相等，为需要求解的太阳矢量。

50、太阳位置通常在导航系(东-北-天地理坐标系)下表示，使用方位角βs和高度角hs描述，因此，太阳视线在导航系下的坐标分量可以表示为：

51、

52、因此，可以得到：

53、

54、其中，为导航系-载体系坐标变换矩阵，并假设载体在导航坐标系下的姿态为俯仰角αpitch、滚转角αroll和航向角αyaw，由此可以得出偏振角与航向角的解算关系：

55、asin(αyaw-βs)+bcos(αyaw-βs)+c＝0

56、其中，

57、

58、b＝cosαroll

59、c＝(sinαrollcosαpitch+sinαpitchtanθ)tanhs

60、求解即可得到航向角αyaw的表达式：

61、

62、其中，

63、

64、至此，得到了基于旋转式偏振导航平台的载体航向角计算方法。

65、本发明与现有技术相比的优点在于：

66、本发明解决了偏振导航传感器多光学通道光轴偏心误差引起的信源分离问题，有效提升偏振导航传感器导航精度。本发明充分利用旋转式偏振平台的旋转特性，根据不同通道之间的观测区域的差异性，得到更接近天空偏振光理论观测点的位置，进而使得求解的偏振角和偏振度更加准确，提高航向角的解算精度。