[发明专利]复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法

摘要

本发明属于仿生偏振光导航领域，公开了复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法。首先，利用图像式的偏振光传感器测量大气的偏振角模式；其次，根据天文年历计算太阳天顶角和太阳方位角；再次，根据一阶瑞利散射模型，在载体系下建立太阳子午线方向关于偏振角和太阳天顶角的表达式，基于投票机制估计最优的太阳子午线方向；最后，根据太阳方位角和最优的太阳子午线方向求解载体航向角。本发明在不增加硬件结构的条件下，充分利用了偏振角模式、太阳方位角和太阳天顶角，在天空受到云层、建筑物和树叶等遮挡条件下，运用投票机制有效地解决了载体航向角的估计问题，具有原理简单、估计精度高、鲁棒性好的优点。

主权项

1.复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，计算天空偏振角模式：利用一种由多相机组成的偏振光传感器，光轴方向指向天空，实时、动态地测量天空区域的偏振角模式；该偏振光传感器由四个CCD(Charge‑Coupled Device)相机组成，每个相机上装有一个偏振片，根据偏振片的通光轴方向按照0°、45°、90°、135°角度安装；由外部触发同步四个相机的采集时间，对于某一个方向的入射光，四个相机的响应可以描述为：式中，fj为第j个相机的亮度值，Kj为第j个相机的增益系数，I为单位矩阵，d为入射光的偏振度，φ为入射光偏振方向与参考方向的夹角，βj是第j个偏振片的光轴方向与参考方向的夹角；根据CCD相机输出信息，采用最小二乘法估计天空偏振角模式，偏振角φ由下式给出：其中为向量X的最小二乘估计，x₁和x₂分别为向量的第一和第二个元素，D、X和F定义如下：步骤二，根据天文年历计算太阳天顶角和太阳方位角：根据天文年历，输入时间和位置信息可以求得导航坐标系下太阳天顶角γ_S和太阳方位角本方法要求输入时间和位置信息的精度满足下述指标：时间精度优于1s，位置精度优于10km；步骤三，基于天空偏振角模式和太阳天顶角，运用投票机制估计太阳子午线方向：1)根据一阶瑞利散射模型，在载体系下建立太阳子午线方向关于观测点的偏振角和太阳天顶角的表达式：其中，αS为太阳在载体坐标系下的方位角，φ入射光偏振方向与参考方向的夹角，图像中的每一个像素点(xp,yp)都与天空中的某一观测点P相对应，γ和α分别为载体坐标系下观测点P的天顶角和方位角，相机的焦距为fc，光轴在图像中投影的坐标值为(xc,yc)；2)计算所有像素点的太阳子午线方向，然后对计算结果进行直方图统计，直方图分布的峰值即最优的太阳子午线方向步骤四，根据太阳方位角和最优的太阳子午线方向求解载体航向角：其中，为载体在导航坐标系下的方位角，为太阳在载体系下的方位角，为太阳在导航坐标系下的方位角。