[发明专利]一种差分天空偏振罗盘大气折射误差的反演及修正方法

说明书

本发明公开一种差分天空偏振罗盘大气折射误差的反演及修正方法，包括以下步骤：基准站测量天空偏振光，结合已知的位置、时间、航向等信息反演出当前天空下的大气折射误差角，并上传数据中心；天空偏振数据中心接收并存储多个基准站发送来的大气折射误差角数据；用户端天空偏振罗盘向天空偏振数据中心发送数据请求；天空偏振数据中心选取用户端邻近的多个基准站的大气折射误差角数据，加权后分配给用户端天空偏振罗盘；用户端天空偏振罗盘利用接收到的大气折射误差角数据进行导航修正，实现高精度的航向计算。本发明与现有技术相比具有如下优点：可减小随机变化的大气折射误差对天空偏振罗盘的影响，提高天空偏振罗盘航向计算精度。

技术领域

本发明涉及一种差分天空偏振罗盘大气折射误差的反演及修正方法，可用于天空偏振罗盘高精度导航。

背景技术

天空偏振光有相对稳定的分布模式，结合运载体实时的时间、地理位置等信息，即可确定偏振光中蕴含的方位信息。运动载体利用天空偏振罗盘对天空偏振光进行检测与演算，能够得到本体的导航参数，实现全自主的偏振光导航。大气折射是一种普遍的光学现象，原本直线前进的太阳光或其它电磁波在穿越大气层时，会因空气密度等环境因素而产生偏折。实际上，我们看到的太阳，比它的实际位置要高一些。这种效应越是接近地平线就越明显。在卫星光学遥感、GPS导航定位、天文测量等技术领域，大气折射效应带来的观测误差都是必须考虑的。

马洪兵等在已授权中国专利CN102346252A中提出了一种光学卫星遥感数据地理定位中的大气折射补偿方法，通过对地球半径进行补偿后,再利用常规成像模型计算获取卫星图像中某一像元点对应的地面点的坐标，实现高精度定位。李葆华等在已授权中国专利CN102261921A中提出了一种修正大气折射对星敏感器精度影响的方法，将大气折射值分解到星敏感器像空间坐标系下的X轴方向分量ΔX和Y轴方向的分量ΔY，再利用所有成功识别的恒星星像减去由于大气折射值带来的偏差ΔX和ΔY,计算姿态四元数。尽管在这些相关领域中已经出现了对大气折射误差进行修正的技术和方法，但是这些方法没有考虑其随机变化特性，一般是利用其经验值进行修正。实际上大气折射效应受天顶距、气温、气压、湿度等各种因素的影响，是一个随机变化的过程，在不同的气象条件下相差较大。

大连理工大学褚金奎团队在已授权中国专利CN103822629A中公开了一种基于多方向偏振光导航传感器的定位系统,在固定架体的任意两个平面上分别安装有测量入射光最大偏振方向的偏振光角度传感器,可以测量多个方向的天空偏振光信息实现导航功能。北京航空航天大学的郭雷团队在专利CN2018103918761中提出了一种基于公有误差更新的天空偏振光导航方法。其提出的公有误差指的是最大偏振度的理论值与实际测量值的差值，此方法也仅仅修正了最大偏振度的值。其没有考虑大气折射误差对偏振角测量值的影响，无法解决随机变化的大气折射误差导致航向精度下降的问题。现有的天空偏振罗盘在进行测量和导航解算的过程中，没有考虑大气折射对偏振光传输的影响，认为偏振光线是沿直线传输的。因此不可避免地存在大气折射导致的误差，尽管在理想的晴朗天空下这种误差很小，但是如果要实现高精度偏振光导航，就必须对其进行修正。

总的来说，目前的天空偏振罗盘存在着没有进行大气折射误差修正这一缺陷，现有的其它技术领域的大气折射误差修正方法也没有考虑大气折射的随机变化特性，这些修正方法存在不足。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种差分天空偏振罗盘大气折射误差的反演及修正方法，将大气折射效应对天空偏振罗盘的影响定量归结为一个大气折射误差角，利用位于不同位置的天空偏振光测量基准站获取偏振信息并反演出当前天空下的大气折射误差角，以此数据为依据进行导航修正以计算更新后的航向值。该方法借鉴了差分GPS系统消除基准站和用户端公共误差项的思想，通过建立天空偏振光测量基准站可以有效减小随机变化的大气折射误差角对用户端天空偏振罗盘的影响，提高用户端天空偏振罗盘航向计算精度。

本发明的技术解决方案为：一种差分天空偏振罗盘大气折射误差的反演及修正方法，包括以下步骤：