[发明专利]一种用于仿生偏振光导航的姿态无约束优化求解方法

说明书

本发明涉及一种用于仿生偏振光导航的姿态无约束优化求解方法，属于仿生导航姿态解算技术领域。包括如下步骤：采集加速度计与偏振光传感器测量数据，经姿态坐标转换结合瑞利散射模型构建姿态误差函数；采集陀螺仪测量数据，由实时四元数微分构建动态步长因子，预测姿态四元数变化趋势；设计共轭参数修正姿态迭代寻优过程中的负梯度方向，以保证前后搜索方向相互共轭，提高收敛速度，获得最优四元数完成姿态解算。本发明采用姿态误差函数建模的方法，修正了陀螺仪的测量偏差，可以消除偏振光传感器测角的模糊性，实现三维空间全姿态角解算；设计动态步长因子预测四元数更新趋势，以提高复杂运动状态下的姿态解算性能，保障了偏振光辅助航姿参考系统的可靠性与准确性。

技术领域

本发明属于仿生导航姿态解算技术领域，涉及一种用于仿生偏振光导航的姿态无约束优化求解方法，特别是涉及一种采用动态步长因子的共轭梯度优化姿态求解方法。

背景技术

导航技术是信息化社会和武器装备信息化的重要支撑之一。航姿参考系统(AHRS，Attitude and Heading Reference System)可以为导航提供稳定的姿态参数信息。目前，航姿参考系统一般采用低成本的MEMS惯性测量单元作为姿态解算的主要部件。惯性测量单元由陀螺仪和加速度计组成，两者进行姿态数据融合可以修正陀螺仪的水平姿态角漂移。为修正航向误差，一般在惯性测量单元的基础上，引入磁强计或GPS作进一步融合。磁强计也叫地磁传感器，通过测量地磁场强度和方向获得载体方位信息，但机体振动或控制电路产生的电磁场会降低其测量精度，信息化战争中电磁权是双方争夺的首要制高点，其工作环境无法得到安全保障。GPS卫星导航作为非自主导航方式之一，卫星信号易受人为干扰甚至导航卫星存在被摧毁的可能，不适用于某些特殊场合。

针对磁强计和GPS存在的显著缺点，国内外学者在寻找和利用全新的导航方法方面做了大量研究。偏振光导航是近几年兴起的新型导航方式，其原理是通过大气偏振光在天空中的偏振分布模式进行航向测量，具有完全自主、误差不随时间累积、稳定性好的优势。现阶段偏振光导航方法主要有两种：一是利用偏振光传感器进行自主定位；二是基于卡尔曼滤波与惯性测量单元进行数据融合，由测量所得的偏振方位角修正姿态误差。利用偏振光传感器进行自主定位由于其精度较低所以并不适合实际应用。基于卡尔曼滤波的姿态数据融合由于每次迭代过程中计算量大，实时性难以保证，同时偏振光传感器测量误差受多种因素影响，无法准确获得噪声模型，因此很多还停留在仿真阶段。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提出一种用于仿生偏振光导航的姿态无约束优化求解方案。为克服一般梯度下降法收敛速度慢的缺点，本发明设计共轭参数保证姿态迭代寻优过程中前后搜索方向相互共轭；由实时四元数微分构建动态步长因子预测姿态更新趋势，使搜索方向具有目的性，提高姿态求解效率，避免了一般梯度优化方法中步长需要求二阶导数带来的计算复杂性。最后，以无约束梯度优化理论为基础，构建融合陀螺仪、加速度计、偏振光传感器的共轭梯度优化模型，实现偏振光辅助定姿的三维全姿态角求解，保证了偏振光辅助导航系统的精度与可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种用于仿生偏振光导航的姿态无约束优化求解方法，具体步骤如下：

步骤一：采集陀螺仪在载体坐标系下的测量值、加速度计在载体坐标系下的测量值、偏振光传感器在测量坐标系下的测量值，陀螺仪测量值设为ω_b＝[ω_x ω_y ω_z]^T，加速度计测量值设为a_b＝[a_x a_y a_z]^T，偏振光传感器测量值设为p_m＝[p_x p_y p_z]^T；其中，下标b表示载体坐标系；下标m表示偏振光传感器测量坐标系；下标x,y,z表示测量值在三轴的投影分量；