[发明专利]一种偏振-地磁信息深度融合全自主姿态解算方法

说明书

本发明涉及一种偏振‑地磁信息深度融合全自主姿态解算方法。首先利用偏振传感器获取天空偏振场信息，根据信息传递关系解算机体系下的太阳矢量，通过运动体的位置、时间信息，参考天文年历解算导航系下的太阳矢量；其次，利用三轴磁力计获取机体系下地磁矢量，并且从世界地磁模型中解算出导航系下地磁矢量；再次，结合已有信息分别构建机体系下的二阶方位张量和导航系下的二阶方位张量；最终，通过两坐标系下二阶方位张量的姿态转换关系即可解得姿态转换矩阵和运动体任一时刻的航向角和姿态角。使用天然物理矢量场作为信息源，具有稳定性、自主性、隐蔽性和误差不累积的优点。同时，本方法计算量小，传感器成本低，易实现应用。

技术领域

本发明涉及一种偏振-地磁信息深度融合全自主姿态解算方法，该方法通过结合大气偏振矢量场信息和地磁矢量场信息，实现了运动体在GNSS拒止或失效条件下，全自主的解算航向角和姿态角。属于运动体导航中的定姿定向领域。

背景技术

目前，全球导航卫星系统GNSS是多领域普遍使用的导航方式，但其通信信号易被干扰、遮挡，甚至篡改，可靠性差，惯性导航及惯导作为主体的组合导航是最常用的全自主导航方式，存在误差累积的原理性不足，因此，GNSS拒止或失效条件下，全自主地准确获取运动体的航向角和姿态角成为一个关键问题。偏振导航启发于沙蚁、帝王蝶等生物眼睛的巧妙结构，太阳光经过大气散射形成含有丰富方位信息的偏振分布场，运动体通过获取天空偏振光信息，可实现姿态和航向的精确解算。地磁导航作为最常用的地球物理场导航方式，利用地磁场固有的地磁矢量场分布信息，可为运动体提供姿态和航向的可靠参考。现有研究中对二者信息的利用，都是简单的作为量测量来补偿惯导误差，在运动体长时间运行时，导航解算效果不佳。

现有研究中，例如，卢鸿谦等发表的论文“偏振光/地磁/GPS/SINS组合导航方法”和范之国等发表的论文“利用偏振光，地磁，GPS进行多信息源融合导航方法的研究与实现”，导航解算中对GPS有很大的依赖性，无法实现运动体的自主导航解算。现有专利中，例如，申请中的中国专利(201510312112.5)“一种双模式仿生偏振/地磁辅助组合导航系统”和中国授权专利(ZL201410628075.4)“一种基于偏振光传感器的航姿测定方法”，进行全自主导航信息解算时，只是简单地将偏振信息、地磁信息作为量测信息，通过与惯导输出量的差值从而修正惯导误差，这种松组合模式下，没有实现对偏振和地磁信息的深度融合与利用，只是基于量测信息的统计意义对惯导信息修正，修正量有限，不能达到很好的解算精度和导航效果，机动条件下加速度计被影响，导航系统极可能失效。申请中的中国专利(201811336222.5)“一种基于偏振-地磁矢量紧组合的导航方法”，以姿态角误差为状态量，通过对偏振量测方程与地磁量测方程进行叉乘实现偏振和地磁的深融合，再将融合信息与惯导信息联合解算姿态角和航向角，其在融合过程中为简化舍去了高阶小角度量，这样使得精度有所损失，并且，该融合方法不可直接由偏振/地磁融合信息解算得到姿态角和航向角。由此可分析，在GNSS拒止或失效条件下，全自主导航解算主要还是依赖惯导为主体的组合导航方法，现有方法对偏振和地磁信息没有实现充分利用。

发明内容

本发明提出了一种偏振-地磁信息深度融合全自主姿态解算方法。通过构建二阶方位张量，用一种全新的融合方式对偏振信息和地磁信息进行深度融合，算法简单，并且可直接从二者融合信息中解算求取绝对姿态角和航向角，实现了在GNSS拒止或失效条件下，运动体的全自主的航向和姿态解算。由于二者的矢量分布规律均不受运动体的运动状态改变的影响，具有很好的稳定性、可靠性、隐蔽性和误差不累积的优势，对于运动体机动条件下的全自主航向和姿态的解算也有很好的适用性。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种偏振-地磁信息深度融合全自主姿态解算方法，包括如下步骤：

步骤(1)、利用运动体上安装的偏振传感器获取天空偏振场信息，通过偏振矢量p与太阳矢量s^*b的信息传递关系，解算机体系下的太阳矢量s^*b并进行单位化得s^b，结合运动体当地位置及时间，确定导航系下的太阳矢量sⁿ；所述机体系是指以运动体为参考建立的坐标系；