[发明专利]利用天空偏振模式分布规律计算导航方向角的方法

说明书

技术领域

本发明属于智能信息获取与处理，以及仿生导航技术领域，是一种基于自然偏振特性的仿生偏振光导航方法，特别涉及一种根据天空中偏振模式信息有限点的采样结果，确定太阳子午线位置，进而计算导航方位角信息的方法。

背景技术

导航无论是在军事还是民用领域，都有着极为广泛的应用，随着科技进步与社会发展，出现了越来越多的导航方式，其中，仿生偏振光导航就是其中的一种重要方法，它是自然界中生物体常用的自主导航方式之一。目前，越来越多的人们开始研究偏振光导航，瑞士苏黎世大学的R.Wehner教授及其团队一直致力于生物利用天空偏振信息导航机理的研究，国内许多学者近年来也在开展利用偏振光的仿生导航研究及对天空偏振光学特性的研究，但是对偏振光导航的研究大多数集中在发现并解释生物利用偏振光导航的现象和原理，关于偏振光导航方法应用的研究却相对较少。

太阳光是一种无偏振的自然光，但是在大气传输过程中，与大气中的粒子发生散射或反射，如O₂、N₂、水滴和尘埃等，便会产生偏振光。具有不同偏振方向、不同偏振强度的太阳光，便形成了特定的蕴含丰富导航信息天空偏振模式。天空偏振模式和地理位置、太阳位置、大气环境、天气情况，甚至和地面环境有着密切的联系，其规律非常复杂。天空偏振模式信息主要包括偏振度、偏振化方向等参数信息，其中蕴含了重要的导航信息。

沙蚁等生物可以利用天空偏振模式信息进行导航，由于天空偏振模式分布在某一时刻和地点是相对稳定的，沙蚁等生物利用特殊复眼结构所具有的偏振敏感性提取天空偏振模式，得到自身体轴与太阳子午线的夹角，同时，某一时刻和地点的太阳方位角可以由当地的经纬度和时间这两个参数求出，根据太阳的方位角和体轴与太阳子午线夹角就能确定体轴与地理南北方向的夹角，即导航所需的方向角信息，再结合此时运动的速度，根据路径积分的原理即可完成导航定位的任务。

在偏振光导航过程中一个重要的研究问题就是沙蚁如何通过感知天空偏振模式来获得太阳子午线位置。在实际自然条件下，沙蚁并不需要看见太阳在空中的位置就能通过天空偏振模式导航，对天空偏振光的检测也不是基于精确提取偏振光的偏振方向，而是基于整个天空的偏振模式，其中由天空偏振模式转化为导航方向信息涉及到复杂的神经及信号处理过程。那么在仿生偏振光导航中如何根据天空偏振模式获得太阳子午线的位置，进而获得导航的方向角信息。

在现有的仿生偏振光导航方法理论中，获得导航方向角信息主要是通过偏振光获取装置采集到局部天空偏振信息，以局部天空偏振信息为参考基准，计算导航方向信息。但是在长时间导航中，随着时间和观测区域的变化，观测区域内的天空偏振信息在不断发生变化，而且这种局部天空偏振信息的变化是没有规律可以遵循的，即作为计算导航方向信息的基准发生无规律的变化；并且在采集区域受遮挡或噪声污染时，所得导航方向信息就是完全错误的。因此仅仅依靠局部天空偏振信息是很难获得准确有效的导航信息的。

发明内容

本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种利用天空偏振模式分布规律计算导航方向角的方法，根据天空中偏振模式信息有限点的采样结果，确定太阳子午线位置，进而提供导航方位角信息的方法，以满足对于利用天空偏振模式进行导航时准确可靠有效性等要求。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明利用天空偏振模式分布规律计算导航方向角的方法的特点是按如下过程进行：

a、建立描述理论天空偏振模型的三维空间坐标系OXYZ

以地理正北方向为X轴，以地理正东方向为Y轴，以过天顶的垂线为Z轴，以地面观测者所在位置为原点O，建立三维空间坐标系OXYZ；在所述三维空间坐标系OXYZ中，从原点O出发的所有方向上的偏振信息，在原点O为球心、半径为r的半球面M上描述，r为常数，将所述三维空间坐标系OXYZ的X轴与Y轴所在的坐标平面记为平面XY；定义半球面M上任意一点和原点O之间的连线h与Z轴的夹角为t点的高度角θ，高度角θ的取值范围是[0°，90°]；连线h在平面XY上的投影与X轴的夹角为t点的方位角方位角的取值范围是[0°，360°]；设定处在平面XY中过原点的两条直线之间的夹角是以自天顶沿Z轴向O点看去的顺时针方向为正向夹角，所述正向夹角的取值不大于360°；导航方向用观测者朝向表征，地理正北方向到观测者朝向的正向夹角为观测者方位角