[发明专利]利用大气偏振光的三维定姿方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿生三维姿态自主测量方法，具体是一种利用大气自然光的偏振模式提取大气层内运动载体的三维姿态信息的一种方法。

背景技术

目前，利用大气偏振模式进行的仿生导航研究被认为是一种极具前景的新方向，普遍存在于自然界的大多数无脊椎动物和部分脊椎动物，特别是具有复眼结构的昆虫。大气偏振模式是太阳光进入大气层后与大气分子离子散射形成的一种具有稳定分布的形式，是地球的自然属性，其中所蕴含的方向信息可为昆虫提供航向信息，具有纯自主，不易受到外部干扰的特点。

研究表明，复眼中对偏振光敏感的小眼集中在成扇形分布背部边缘区，朝向天空各个方向上的小眼可检测到天空大片区域的偏振模式。昆虫利用所检测到的该区域的偏振信息感知太阳子午线与体轴的夹角来确定航向。对飞行昆虫，实现三维导航不仅要解决航向问题，还要解决飞行中的姿态问题。仿生行为学实验表明，利用大气偏振模式信息进行三维导航的方法是可行的。爬行昆虫利用偏振光和里程计定位，而飞行昆虫利用偏振光和光流感知来定位。

大气偏振模式的分布规律：太阳辐射出的光线经过大气层的散射，到达地球表面的光线成了自然光和线偏振光的叠加，形成了具有稳定分布的偏振态。由于稳定分布的偏振态是针对整个太阳光的辐射光谱，其分布具有不易受电磁/人为干扰、全天候的特点，且分布沿着整个地球的表面，其大气偏振态特征矢量信息与太阳间的相对位置具有极强的规律性，可为偏振光检测提供一个全球范围内可靠的信息载体。经过研究发现，任意观测位置下的大气存在一种相对稳定的偏振模式，其表现为两条稳定分布的对称线，一条是太阳子午线以及逆太阳子午线SM-ASM，大气偏振模式的偏振度关于SM-ASM对称分布，E-矢量关于SM-ASM逆对称分布；另一条是与太阳角距为90°的最大偏振线，大气偏振模式关于最大偏振线对称，在偏振线所在的位置，偏振度最大，距离对称线越远，偏振度越小。

目前，对于大气层内的运动载体，尤其是无人自主移动平台如无人机、机器人等，其导航过程中，三维姿态的测量极为关键。传统的惯导存在积累误差的缺陷，而GPS需要大量卫星支持，易受到外部电磁波干扰。

发明内容

本发明为了解决现有的针对空间运行体的导航方法存在的上述问题，提供了一种利用大气偏振光的三维定姿方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种利用大气偏振光的三维定姿方法，包括如下步骤：

（1）、建立体坐标系，以运载体的重心为原点O′，运载体的体轴为X′轴，指向运载体顶部为Z′轴，Y′轴满足右手直角坐标系规定；即X′O′Y′平面为运载体的飞行倾斜面；

建立参考直角坐标系，以地面检测点为原点O，指向正东方向为X轴，垂直向上为Z轴，指向正北方向为Y轴；以XOY平面为参考水平面；

将仿生复眼球面传感器阵列安装在运载体的重心O′处。

（2）、利用仿生复眼传感器阵列实时采集各个方向上的太阳光E-矢量信息，并确定检测到水平方向的E-矢量的小眼阵列及其在球面上的几何位置；

然后将原点O′和O重合后，确定检测到水平方向的E-矢量的小眼阵列在参考水平面上的投影，即太阳子午线在参考水平面上的投影CD；某时刻X′O′Y′平面和XOY平面的交线为AB；

则在参考水平面上CD与AB之间的夹角σ由公式（1）确定

sinσ=sinα-cosβsinθssinβcosθs---(1)]]>

其中，α为太阳投影点S与倾斜面法线之间的夹角；β为倾斜面法线与Z轴之间的夹角；α和β均可由仿生复眼球面传感器阵列测量得到；θ_s为太阳极角，可由太阳历理论计算得出。