[发明专利]复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法

说明书

本发明属于仿生偏振光导航领域，公开了复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法。首先，利用图像式的偏振光传感器测量大气的偏振角模式；其次，根据天文年历计算太阳天顶角和太阳方位角；再次，根据一阶瑞利散射模型，在载体系下建立太阳子午线方向关于偏振角和太阳天顶角的表达式，基于投票机制估计最优的太阳子午线方向；最后，根据太阳方位角和最优的太阳子午线方向求解载体航向角。本发明在不增加硬件结构的条件下，充分利用了偏振角模式、太阳方位角和太阳天顶角，在天空受到云层、建筑物和树叶等遮挡条件下，运用投票机制有效地解决了载体航向角的估计问题，具有原理简单、估计精度高、鲁棒性好的优点。

技术领域：

本发明涉及一种载体航向角的估计方法，特别涉及一种复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法，属于仿生偏振光导航领域。

背景技术：

卫星导航、惯性导航等现代导航技术已经在人类的社会活动和军事活动中占据了主导地位，但是卫星导航信号易受电磁干扰，且难以覆盖到丛林地带、水下和室内等环境，惯性导航系统是最常用的自主导航方式，具有抗干扰性强、导航信息完全、实时性强等优势，但其成本高、定位误差随时间积累，这些缺点制约了卫星导航和惯性导航的应用范围，不断发展的导航需求促使我们探索全新的自主导航方式。动物具有突出的导航能力，许多动物(沙蚁、蜜蜂、狼蛛、部分鸟类等)都被证明拥有感知偏振光的能力，它们利用独特的偏振视觉结构，感知大气的自然偏振特性，提取太阳的方位信息，从而进行导航定位。基于自然特征的仿生偏振光导航已经受到人们的关注，仿生偏振光传感器借鉴了动物高度敏感的视觉感知系统，以太阳光的自然偏振特性和大气偏振模式为基础，实现载体航向信息的判断，具有抗干扰性强、误差不随时间积累、适用范围广等优势。

当前偏振光传感器的测量方式主要分为单点式测量和图像式测量两大类。前者一次只能采集一个观测方向的偏振信息，极其容易受到环境的干扰，一旦数据丢失或者采样点误差过大则失去定向能力；而基于图像式测量的偏振光传感器，可以同时提取视角范围内整个天空区域的偏振角和偏振度信息。信息量的增加可以有效避免单点式测量鲁棒性差的问题，但同时也增加了数据处理的难度。如果天空受到云层、树叶以及建筑物的遮挡，偏振度和偏振角分布特性将会受到很大的影响。国内学者(高隽等，仿生偏振光导航方法，科学出版社，2014)提出了基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法，该方法在局部天空受到遮挡的情况下能够有效估计载体航向，但无法有效解决大范围天空受到遮挡条件下的估计问题。因此，寻找一种在大范围天空受到云层、树叶以及建筑物遮挡的情况下，精确、快速、鲁棒地估计载体航向角的方法具有十分重要的意义。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于：在大范围天空受到云层、建筑物和树叶等遮挡的条件下，利用天空偏振角模式快速、鲁棒、精确地估计载体的航向角。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：

复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，计算天空偏振角模式：

利用一种由多相机组成的偏振光传感器，光轴方向指向天空，实时、动态地测量天空区域的偏振角模式；该偏振光传感器由四个CCD(Charge-Coupled Device)相机组成，每个相机上装有一个偏振片，根据偏振片的通光轴方向按照0°、45°、90°、135°角度安装；由外部触发同步四个相机的采集时间，对于某一个方向的入射光，四个相机的响应可以描述为：

式中，f_j为第j个相机的亮度值，K_j为第j个相机的增益系数，I为单位矩阵，d为入射光的偏振度，φ为入射光偏振方向与参考方向的夹角，β_j是第j个偏振片的光轴方向与参考方向的夹角；

根据CCD相机输出信息，采用最小二乘法估计天空偏振角模式，偏振角φ由下式给出：