[发明专利]基于偏振-天文夹角信息观测的自主航向与姿态确定方法

说明书

本发明涉及基于偏振‑天文夹角信息观测的自主航向与姿态确定方法。首先利用安装于载体坐标系b系的偏振传感器测量当前姿态下偏振矢量p^b，根据不同方向上偏振传感器测得的偏振矢量，计算得到载体坐标系b系下的月亮矢量L^b，利用系统输出的姿态转换矩阵将L^b转化到导航坐标系n系中，得到系统测量得到的地理坐标系n系下的月亮矢量Lⁿ；利用安装于载体坐标系b系的星敏感器，测得载体坐标系下的星光矢量A^b，根据星图匹配，结合天文年历，可以获得惯性坐标系i系下的星光矢量，结合时间与位置信息，进而获得n系下的星光矢量Aⁿ；将载体坐标系b系下的星光矢量A^b和月亮矢量L^b的夹角α作为量测，建立该夹角α与平台误差角φ的关系，得到姿态量测方程。

技术领域

本发明涉及一种基于偏振-天文夹角信息观测的自主航向与姿态确定方法，可用于地面机器人在夜间GPS干扰环境下的全自主导航，提高载体的生存能力。

背景技术

导航系统用于引导载体到达目地的，对于任务的完成具有决定性的作用。现有导航方式包括惯性、视觉、天文、GPS、地磁等多采用组合的方式应用，充分利用不同导航系统优势。夜间环境光线较暗，基于可见光波段的导航方式如光流等都不能使用，同时，出于自身隐蔽性和抗干扰性能的考虑，GPS易受到干扰和被发现。对于复杂的导航环境，单一导航体制已经难以满足载体对导航系统的需求，设计适用于陌生复杂环境，抗干扰能力强，精度高的导航系统至关重要。

偏振导航是基于仿生学发展起来的一种隐蔽性好，不需与外界进行信息交互的自主导航方法，其在日间的导航能力已经得到了广泛的认可。有研究发现蜣螂在夜间利用天空偏振进行定向，证实了天空偏振光的夜间导航能力。但偏振导航精度较低，通常需与其他导航方式组合使用。天文导航是一种利用星光信息作为测量信息的导航方式，星敏感器作为目前测姿精度最高的仪器，又一直得到了各单位的青睐，但其精度受到惯导系统的限制。

现有组合导航方法多利用了卫星导航系统，如论文“基于矢量信息分配的INS/GNSS/CNS组合导航系统”、“INS/CNS/GPS组合导航系统仿真研究”，其组合导航系统受到卫星导航系统的制约，在存在电子干扰的环境下，容易导致组合导航系统精度急剧降低。

发明内容

为了解决现有技术的不足，从精度和稳定性的综合角度考虑，本文提出了基于偏振-天文夹角信息观测的自主航向与姿态确定方法，结合偏振信息与天文信息，确定载体姿态转换矩阵，提高载体姿态测量精度与抗干扰能力。本发明的方法还可增强系统抗干扰性，提高组合导航系统的生存能力，用于地面机器人导航。

本发明的技术解决方案为：基于偏振-天文夹角信息观测的自主航向与姿态确定方法，包括如下步骤：

步骤1、利用安装于载体坐标系即b系的偏振传感器测量当前姿态下偏振矢量p^b，根据模块坐标系即m系下，不同偏振传感器在不同测量方向上测得的偏振矢量j,k代表不同的测量方向，结合偏振矢量与月亮矢量的垂直关系，计算得到载体坐标系b系下的月亮矢量L^b；

步骤2、利用导航系统输出的上一时刻的姿态转换矩阵将载体坐标系b系下的L^b转化到导航坐标系n系中，得到系统测量的导航坐标系n系下的月亮矢量的表示Lⁿ；

步骤3、利用安装于载体坐标系b系的星敏感器，测得载体坐标系b系下的星光矢量A^b，根据星图匹配，结合天文年历，获得惯性坐标系即i系下的星光矢量Aⁱ，结合时间与载体的位置信息，进而获得导航坐标系n系下的星光矢量Aⁿ；