[发明专利]一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法及系统

说明书

本发明公开一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法及系统，偏振光罗盘捷联式安装在载体上，包括相机、偏振件与广角镜头，在载体移动过程中通过相机拍摄观测图像，通过对观测图像进行图像分析以获得当前载体在导航坐标系中的航向角，具体包括如下步骤：获得观测图像中入射光的偏振信息；根据入射光偏振信息，结合相机的俯仰角和滚动角，获得入射光E矢量的偏振方向；根据入射光E矢量的偏振方向获得最佳太阳子午线方向；获取当前的时间、位置信息，并根据天文年历，获得太阳方位角；根据太阳方位角和最佳太阳子午线方向，计算出载体在导航坐标系中的航向角。能够在偏振光罗盘水平姿态角变化的情况下也能精确、快速、鲁棒地估算载体航向角。

技术领域

本发明涉及一种载体航向角的估计方法，具体是一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法及系统。

背景技术

航向信息在自主导航过程中至关重要。就小型无人平台而言，惯性导航系统是最常用的自主导航方式，具有抗干扰性强、导航信息完全、实时性强等优势，但定位定向误差随时间积累；视觉/惯性组合仍属于递推式的导航方法，仅能在一定程度上抑制航向的发散；磁罗盘可以提供航向信息，但其易受环境磁场干扰。近年来，随着对生物导航机理的探索，基于自然偏振特性的仿生偏振光导航得到了学者们的广泛关注。

偏振光定向技术借鉴生物敏感偏振光的能力，模仿生物复眼结构测量大气偏振模式，实现载体航向信息的获取，从而进行导航定位，具有抗干扰性强、误差不随时间积累、适用范围广等优势。基于图像式偏振测量的偏振光罗盘，可以同时提取视角范围内整个天空区域的偏振角和偏振度信息。目前关于偏振光导航的研究主要在传感器水平放置的情况下，没有考虑光罗盘捷联式的安装在载体上时导致的水平姿态角变化。因此，寻找一种在偏振光罗盘捷联式安装在动态载体条件下，如何精确、快速、鲁棒地估计载体航向角的方法具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法系统。

其采用的技术方案是：

一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法，所述偏振光罗盘为图像式偏振光传感器且捷联式安装在载体上，所述偏振光罗盘包括相机、偏振件与广角镜头，所述偏振件位于相机的镜头与广角镜头之间，在载体移动过程中通过相机拍摄观测图像，这里的观测图像指的是相机拍摄视场中的景观图像，随着载体的移动而实时变化；通过对观测图像进行图像分析以获得当前载体在导航坐标系中的航向角，其中，所述偏振件为微阵列式偏振片，具体包括成阵列分布的偏振测量单元，每一个偏振测量单元都包含呈田字形分布的0°、45°、90°和135°四个方向的偏振片，每一个偏振测量单元中的每一个偏振片与相机的像元一一对应，其中，相机的每四个像元响应一束入射光。

具体包括如下步骤：

步骤101，从观测图像中获得观测图像中入射光的偏振信息，偏振光罗盘可以测得入射光透过偏振片的光强，基于光强信息计算入射光的偏振角和偏振度：

用STOKES向量来表示部分偏振光，STOKES向量包含四个参数S＝[S₀,S₁,S₂,S₃]，其中，S₀表示总的光强度，S₁是0°方向的偏振光分量，S₂是45°方向的偏振分量，S₃是圆偏振分量，由于大多数情况下圆偏振分量可以忽略，在偏振探测中认为S₃≡0，则偏振光透过方向为θ的偏振片后的光强为：

当θ分别取0°、45°、90°和135°时，通过偏振光罗盘测得入射光透过对应的偏振片时的光强I(0°)、I(45°)、I(90°)和I(135°)，使得STOKES向量可以通过下式求得：

S₁＝I(0°)-I(90°)