[发明专利]基于双偏振光矢量的三维姿态信息快速解算方法

说明书

本发明属于无人机三维姿态信息的求解技术领域，提供了一种基于双偏振光矢量的三维姿态信息快速解算方法，是通过分析偏振光传感器的输出特性并结合瑞利散射理论，在利用测量输出的双偏振光E‑矢量确定机体坐标系下太阳空间位置的基础上，进一步结合当地时间和位置信息计算得到导航坐标系下的太阳特征点空间位置，实现直接求解当前时刻三维姿态角的目标，避免现有解算方法中存在的误差传递现象，保证无人机姿态求解过程的实时性与快速性要求。本发明提供一种快速解算导航机体三维姿态的方法，应用于偏振光三维航姿测量。

技术领域

本发明利用瑞利散射理论和偏振光传感器的量测输出特性，在搭建组合式偏振光传感器姿态测量平台的基础上，实现导航系统的仿生化、模块化与功能化。通过使用这种仿生光学传感器，以达到逐步摆脱对传统航姿参考系统的依赖并实现完全自主定姿的目的，主要用于无人机仿生导航领域。

背景技术

无人机是一种利用无线电传输装置进行遥控或使用自身装载的程序系统实现控制的无人驾驶飞机。与载人飞机不同的是，它不仅在体积上轻便、造价上低廉，而且对作战条件的要求更低、在实际恶劣战场环境中的生存能力更强。随着近年来相关技术的发展，自主性强的无人机越来越受到各国军方的关注。

尽管如此，但无人机在飞行任务时容易受到干扰和欺骗。因此，研究一种抗干扰性好，自主能力强的导航方法成为如今导航领域的研究热点之一。传统的航姿参考系统一般由多种类型的传感器组成，这些不同类型的传感器在抗干扰性与自主性方面都存在各自的弊端：磁强计极易受到周围软、硬磁场和机载电子设备的影响，特别是战时容易遭到破坏而使得航向误差显著增大。在零偏漂移、温度漂移、随机误差等因素的影响下，陀螺仪的积分解算结果会存在误差累积，导致求解精度变差。为了解决陀螺仪的这种误差累积问题，通常利用加速度计低频特性良好的特点，与陀螺仪进行互补滤波以实现信息融合。然而，加速度计对无人机无人机振动等高频干扰十分敏感，而且单独使用加速度计时无法区分运动加速度与重力加速度，如果无人机处于加速运动或者强机动飞行状态，就会出现姿态角度发散，互补滤波效果减弱的情况。

在现有的仿生偏振光导航理论中，针对三维姿态角获取研究主要集中在对大气偏振模式的重构方面，一般通过建立误差函数模型或者利用聚类分析等数据处理技术实现对太阳空间位置的求取。然而，这种数据处理方案不仅增加了时间和内存的开销，而且对采集到的偏振光信息也有较高要求，只有数据具有极好的对称性和偏振变化规律，才能重构出接近理想状态下的大气偏振模式，从而进一步使用统计聚类的方案求取太阳特征点位置。因此除了系统误差和环境因素干扰外，还会引入统计分析算法导致的解算误差，求解精度受到一定程度影响。与此同时，无人机在执行任务过程中会有较高的实时性要求，而且对于无人机姿态的控制更是要求快速且准确，而现有的方法中一般都是近似解算出三维姿态角的中间变化值，再通过与前一时刻姿态角度值叠加的方式得到当前时刻的无人机姿态，但是这样的姿态角计算方法无疑会存在误差传递现象。如果某一步求解的姿态角误差超出容许范围，就会造成整体求解结果的失效。

发明内容

本发明针对以上传统导航器件抗干扰性差，自主能力弱的弊端以及现有基于偏振光信息获取三维姿态算法中存在的解算精度受限和误差传递的问题。本发明提出一种基于双偏振光矢量直接求解无人机载体姿态的方案。偏振光传感器通过检测天空中的大气偏振模式为导航控制提供角度信息，具有不易受电磁干扰及测量误差不随时间累积等优势。本发明采用三个偏振光传感器组合测量大气偏振信息方案，利用其中实际量测输出结果最佳的提供航向信息，再通过其余两个偏振光传感器输出的双偏振光E-矢量确定太阳特征点的空间位置，并结合导航坐标系下的太阳方向矢量信息，直接解算出导航所需的三维姿态角度。

本发明的技术方案：