[发明专利]一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法

说明书

本发明提供一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，属于仿生偏振光导航领域，适用于从海上大气偏振光场图中提取有效的航海导航定位信息。本发明方法结合偏振光导航技术和航海天文知识，利用三维电子罗盘、成像式偏振传感器、光流传感器，得到偏振方位角图和偏振度图，构成海上大气偏振光场图，采用大气偏振光场信息融合方法，将偏振方位角图和偏振度图进行信息融合，结合鱼眼镜头成像理论，计算得到太阳高度角，根据解析式太阳移线法，结合航向航程，计算得到船只所在的经纬度。该航海导航定位方法，具有测量范围广、鲁棒性强、导航精度高，且能够充分利用天空偏振方位角和偏振度信息的优点。

技术领域

本发明涉及仿生偏振光导航技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法。

背景技术

当太阳光经过大气层时，大气中的气体分子和气溶胶粒子等成分使入射光发生散射和吸收等作用，使得天空中形成随时间、空间相对稳定分布的大气偏振光场。自然界中的沙蚁、蜜蜂、蝗虫、螳螂虾等生物，能利用它们独特的眼部结构，感知并利用大气的偏振光场。生物的这种偏振视觉现象启发了学者们利用大气偏振光场实现导航定位的仿生技术研究。仿生偏振光导航技术具有抗干扰性强、不累积误差、隐蔽性强等特点，适用于复杂环境下的长时间、远距离的导航，在航海导航领域具有广阔的前景。

传统的天文航海技术，是在某一时刻，利用六分仪等仪器对星体方位高度进行测量，通过测量不同时刻的两条天文船位线的交点，求得船位坐标，实现定位。但现代远洋船舶航速达二、三十海里，而传统的绘制时间需要三十分钟，无法实现实时的高精度定位，且在海上有雾、多云等天气条件下，雾、云层等干扰源对观测者造成很大影响，这使得六分仪的适用性有限且精度不高。

而偏振作为光学信息的第四维特征，有“弱光强化、强光弱化”的特点，天空光随太阳高度角的变化，呈现出稳定的实时偏振分布。因此将偏振场模式图作为偏振导航的信息源，结合传统的天文航海技术，可以实现测量范围广、鲁棒性强、导航精度高的实时导航定位。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法。本发明主要通过对天空中的偏振光场信息进行成像测量，识别太阳偏振子午线等偏振信息特征，结合偏振图像和鱼眼镜头成像理论实现太阳高度角的精确计算，进而绘制船位线并实现船位的经纬度计算。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法，包括如下步骤：

S1、校准大气偏振光场，采用专用夹具将成像式偏振传感器固定于船只，利用三维电子罗经盘实时测量成像式偏振传感器水平基准面的翻滚角γ、俯仰角ζ和航向角α；

S2、测量大气偏振光场：使用成像式偏振传感器进行测量，得到偏振方位角图和偏振度图，构成T1时刻的海上大气偏振光场图；同理，测量得到T2时刻的海上大气偏振光场图；

S3、采用大气偏振光场信息融合方法，将偏振方位角图和偏振度图进行信息融合，利用设定阈值从偏振方位角图中分割出太阳偏振子午线候选区域，利用设定阈值从偏振度图中分割出太阳偏振环候选区域；

S4、根据天空偏振场的对称性计算所述太阳偏振子午线候选区域和太阳偏振环候选区域的重合区域像素形心坐标；根据鱼眼镜头成像原理，计算T1、时刻的太阳高度角；同理，计算T2时刻的太阳高度角；

S5、根据T1时刻推测地理坐标E₀，结合所述计算得到的T1时刻的太阳高度角，在海图坐标系中绘制T1时刻的船位线；根据三维电子罗经盘获取航向信息，根据光流传感器获取速度信息，通过速度积分获取航向航程，计算得到T2时刻的推测地理坐标E₁；结合所述计算得到的T2时刻的太阳高度角，在海图坐标系中绘制T2时刻的船位线；采用太阳移线解析法求得船只所在的经纬度。

进一步地，所述步骤S1中成像式偏振传感器的0角度参考方向与船体轴线水平重合。