[发明专利]一种基于扩展卡尔曼滤波的仿生偏振传感器多源误差标定方法

说明书

本发明公开了一种基于扩展卡尔曼滤波的仿生偏振传感器多源误差标定方法，该方法包含以下步骤：(1)仿生偏振光传感器多源误差分析；(2)以安装误差、比例因子等多源误差和偏振方位角为系统状态量建立系统状态模型；(3)以含有多源误差的光强测量值为输出建立系统量测模型；(4)搭建实验环境，采集传感器数据；(5)设计扩展卡尔曼滤波器，估计安装误差、尺度因子和偏振方位角；(6)根据安装误差和尺度因子估计值补偿含有多源误差的偏振传感器测量值。本发明不依赖于高精密测量仪器，成本低，可操作性强，易实现，精度高，适用于仿生偏振导航系统多源误差的同时标定与补偿。

技术领域

本发明涉及仿生偏振导航系统标定与补偿的技术领域，具体涉及一种基于扩展卡尔曼滤波的仿生偏振传感器多源误差标定方法。

背景技术

导航是引导运动体或运载体从某一出发地沿设定的路径有效到达目的地的一种技术手段，随着现代导航技术的不断发展，它早已从一种经验技能发展成专门的一门科学。近年来，导航技术不断朝着低成本、智能化、抗干扰等方向发展。与此同时，随着导航设备工作环境日益复杂与多样化，对导航系统的精度和性能的要求越来越高。在实际应用中，面对复杂的任务场景，研究灵敏度高、抗干扰性强、工作可靠性高的导航系统有着极为紧迫的现实要求。

随着科技的不断进步，生物学家对生物器官结构研究的深入，发现很多昆虫，如蜜蜂、沙蚁等能够利用天空偏振光信息进行导航。其中撒哈拉沙漠蚂蚁利用天空偏振光导航的策略是：路径积分、视觉领航和系统搜索，通过对沙蚁的生理结构特征剖析，发现它依靠复眼来感知外界的偏振模式获取准确的位置和方向信息。进一步研究发现，昆虫、候鸟等生物在觅食、迁徙、归巢、捕食等活动中也借助大气偏振光来辅助导航；这些发现为提升传统导航方式提供了新思路和新方法，仿生偏振光与传统导航相比具有融合互补特性，为实现高精度，抗干扰的组合导航方式具有科学和工程的借鉴意义。

通过长期的研究，人们已经可以设计出符合生物特性的仿生偏振导航传感器。但由于偏振传感器具有结构紧凑、功能集成的特点，对传感器误差分析和标定的精确性还有待提高。针对这一问题，需要设计一种新型的偏振传感器误差标定方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对偏振导航系统中偏振传感器含有误差干扰，提供一种针对偏振传感器安装误差和光电二级管传输响应系数即比例因子等多源误差的标定方法，标定过程借助于扩展卡尔曼滤波实现，解决了偏振传感器多源误差实时标定精确性不高的问题，提高了偏振光导航的精度和抗干扰能力。

本发明的技术解决方案为：一种基于扩展卡尔曼滤波的仿生偏振传感器多源误差标定方法，其实现步骤如下：

第一步，仿生偏振传感器多源误差分析：

在仿生偏振传感器实际应用中，传感器实际输出数据精度受多源误差制约，主要包括三类，偏振传感器安装误差、测量噪声和多通道光电二级管传输响应系数即比例因子。

偏振传感器安装误差主要由偏振片和光电二极管安装不精确导致。理论上，偏振传感器中偏振片在极化方向上是相互垂直安装，它的输出信号与偏振片在极化方向上安装是否垂直有关；光电二极管对光信号转换成电信号易受到它是否安装在同一水平面上影响。偏振片和光电二极管对偏振传感器采集的光信号响应存在差异，光电二极管把光信号转换为电信号后存在加性漂移误差；经过放大电路后，存在电压幅值乘性误差；该类误差统称为多通道光电二级管传输响应系数即比例因子。

第二步，选择安装误差、比例因子等多源误差和偏振方位角为系统状态变量建立仿生偏振导航系统状态模型：

根据偏振传感器对立通道信号处理方法，选取9个状态量作为标定参数，考虑偏振传感器待估计的参数为：

X＝[ε₁ ε₂ ε₃ ε₄ ε₅ K₁ K₂ K₃ φ]^T