[发明专利]基于水下下行辐射光强和偏振光场的三维航姿确定方法

说明书

本发明涉及基于水下下行辐射光强和偏振光场的三维航姿确定方法。水下下行辐射光场包括光强场及偏振光场，通过图像式水下偏振传感器获取的不同检偏通道的偏振光强场图像，计算得光强场图像及偏振光场图像；从光强场图像中提取斯涅尔窗口中心像素，建立基于天顶矢量的量测方程；从偏振光场图像中计算天顶偏振方位角，建立基于偏振航向角的量测方程；根据捷联惯导系统误差建立状态方程，并结合两组量测方程，采用卡尔曼滤波器估计平台失准角，并对惯导进行反馈校正，确定三维航向与姿态信息。本发明仅利用水下下行辐射光场辅助惯导建立组合导航模型，用以修正惯导的三轴平台失准角，提高了水下自主导航信息的完备性。

技术领域

本发明属水下自主导航领域，具体涉及一种基于水下下行辐射光强和偏振光场的三维航姿确定方法。

背景技术

现有研究表明，有些昆虫可感知大气偏振光场用于自身航向角的确定，从而发展出仿生偏振光导航技术，这种导航方式具有无源自主、误差不积累等优势。对于导航信息匮乏的水下环境而言，将仿生偏振光导航应用于水下是对水下导航的有力补充。

中国发明专利CN104833352B提出了一种基于视觉/惯性组合的水下导航方法，该方法需要水下标志点信息，但在陌生海域水下环境中，已知视觉标志点匮乏，无法有效提供导航信息；中国发明专利CN110887476B提出了一种偏振、天文及惯导的组合导航方法用以确定载体的航向角与姿态，但天文导航仅能应用于夜间环境，且该方法仅适用于大气环境中，水下环境对偏振光的折射等作用也影响了导航信息的获取精度。中国发明专利CN112129285A利用磁罗经/惯性组合导航实现姿态校正，但磁罗经易受外界磁环境的影响，这也使得该方法的应用受到了限制。而且上述方法需要天文、地磁等额外的辅助导航手段，增加了整体系统的复杂程度。中国发明专利CN202011307276.6通过辨识斯涅尔窗口边缘来确定载体水平姿态，但仅获取了水平姿态信息，无法估计航向信息。

针对上述问题，本发明提出了基于水下下行辐射光强和偏振光场的三维航姿确定方法。充分融合了水下下行辐射光场中的光强场与偏振场，综合获取水下运动体的姿态与航向信息，用于修正惯导的三轴平台失准角。实现了仅利用水下自然光场的三维航姿的实时确定，减少了对额外导航传感器的依赖。

发明内容

为解决水下自主导航技术中的航向角与姿态三维空间信息解算问题，本发明提出了基于水下下行辐射光强和偏振光场的三维航姿确定方法。该方法可从水下下行辐射光场的光强场图像与偏振图像中分别提取姿态信息与航向角信息，实现了仅利用水下自然光场对三维空间信息的解算。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：基于水下下行辐射光强和偏振光场的三维航姿确定方法，其实现步骤如下：

（1）水下下行辐射光场包括光强场及偏振光场，通过图像式水下偏振传感器获取的不同检偏通道的偏振光强场图像为I_α，计算得水下下行辐射光场的光强场图像I_p及偏振光场图像P，其中α为检偏方向；

（2）根据水下下行辐射光强场中的斯涅尔窗口效应，提取步骤（1）计算的光强场图像I_p中的斯涅尔窗口中心像素(i_z,j_z)，得到载体坐标系下的天顶矢量测量值，与惯导输出的姿态转换矩阵结合，并选择组合导航状态变量组成状态空间X，建立基于天顶矢量的量测方程，其中，所述b为载体坐标系，所述n’为惯导计算坐标系；