[发明专利]利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器空间姿态自主测量方法，具体是一种利用大气自然光的偏振模式确定大气层内运动载体（飞行器）的空间姿态信息的方法。

背景技术

目前，模仿昆虫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，可为时下重点研究的微型飞行器提供导航新方法。大气偏振模式是太阳光进入大气层后与空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昆虫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，提供了一种利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器三维姿态的方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法，包括如下步骤：

（1）、建立体坐标系，以飞行器的质心为原点O_b，X_b轴（纵轴）位于飞行器对称面内、平行于机身轴线，向前为正（即指向机头方向为正）；Y_b轴（横轴）垂直于飞行器对称面，向右为正；Z_b轴（竖轴）位于飞行器对称平面内，向下为正；

建立参考坐标系，原点O_α位于地面上某一点，X_α轴指向正北方向，Y_α轴指向正东方向，X_α轴铅直向下；以X_αO_αY_α平面为参考水平面；

将仿生复眼球面传感器阵列安装在飞行器的质心处，即原点O_b。

（2）、确定偏航角ψ

飞行器三维姿态的确定与飞行器的质心位置无关，将原点O_b和O_α重合后，利用仿生复眼球面传感器阵列实时采集各个方向上的太阳光E-矢量信息与偏振度信息，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，这些水平方向的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；同时仿生复眼球面传感器阵列测量确定CD与X_b纵轴在参考水平面上的投影X_b′的夹角

此时，由太阳历理论计算得出在参考水平面上CD与X_α轴的夹角

偏航角ψ由公式（1）确定：

（3）、确定太阳位置

参考坐标系下，太阳位置S_a=(x_a y_a z_a)^T，由太阳历理论确定；