[发明专利]一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法

说明书

本发明公开一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，使用图像式偏振传感器以固定时间间隔连续采集多张全天空区域偏振图像，提取天空中各散射点的偏振角，根据拍摄时间间隔计算天空中每个散射点的平均旋转角速度；遍历找到图像中平均旋转角速度为15度/小时的北极点，根据图像式偏振传感器相机成像模型与相机安装矩阵，确定载体系下北极点矢量；确定天空中各散射点的E矢量，构造载体系下E矢量矩阵，计算载体系下太阳矢量；分别根据地理系和载体系下的北极点矢量及地理系和载体系下的太阳矢量，计算姿态转移矩阵，以此完成静基座初始对准。本发明使用天空偏振光信息确定运载体三维姿态，计算过程简便，具有较好的自主性与鲁棒性。

技术领域

本发明涉及天空偏振光导航领域，尤其涉及一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，适用于地面车辆、无人机等初始三维姿态确定。

背景技术

运载体在开始进行导航之前首先应进行初始对准，确定最初的三维姿态。现有的初始对准方法通常借助惯导系统、GNSS、磁罗盘等设备，在某些环境下存在一定局限性，例如惯性导航设备进行初始对准时需要借助高精度的陀螺仪，设备成本较高，方位角对准精度不高且对准时间较长；磁罗盘、GNSS设备在电磁干扰情况下极易受到干扰、自主性差，难以进行初始对准。

近年来，仿生偏振光导航逐渐发展成一种新的导航方式。偏振导航不易受到电磁等环境干扰，具有较强的自主性与鲁棒性，其误差不随时间积累。现有借助天空偏振光信息确定运载体三维姿态、进行初始对准的方法有：已受理中国专利CN201611052227.6提出一种基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法，该方法利用加速度计测得重力矢量与偏振传感器测得太阳矢量进行初始粗对准，由于粗对准阶段加速度计零偏无法估计，因此粗对准结果存在常值误差；已受理中国专利CN201611078923.4提出一种基于双中性点矢量的天空偏振三维定姿方法，该方法中所提到的中性点容易受到天气干扰，在某些情况下难以同时找到两个中性点，导致无法确定三维姿态。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有初始对准技术的不足，提出在电磁干扰等复杂情况下一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，借助天空偏振光信息解决运载体初始姿态的静基座快速对准问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于偏振北极点及偏振太阳矢量的静基座粗对准方法，通过下列步骤实现：

步骤(1)、使用图像式偏振传感器以时间间隔ΔT连续采集n张全天空区域偏振图像，提取天空中各个方向散射点的偏振角m为图像式偏振传感像素数，根据拍摄时间间隔ΔT计算天空中每个散射点的平均旋转角速度ω_i；

步骤(2)、遍历找到图像中平均旋转角速度ω_i为15度/小时的北极点P，根据图像式偏振传感器相机成像模型与相机安装矩阵，确定载体系下北极点P矢量p^b；

步骤(3)、根据偏振角确定天空中各散射点的E矢量e_i，构造载体系下E矢量矩阵E^b，计算载体系下太阳矢量s^b；

步骤(4)、根据地理系n下的北极点矢量pⁿ,和载体系b下的北极点矢量p^b，以及地理系n下的太阳矢量sⁿ,和载体系b下的太阳矢量s^b，计算姿态转移矩阵以此完成静基座初始对准。

进一步的，所述步骤(2)中，若遍历找到的北极点P在图像坐标系中的坐标为(x_p,y_p)，根据图像式偏振传感器相机成像模型与相机安装矩阵，载体系b下北极点矢量p^b表示为：

p^b＝[sinγ_p cosα_p sinγ_p sinα_p cosγ_p]^T,