[发明专利]一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法

说明书

本发明涉及一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法，首先，由月光大气偏振传感器获取夜间天空月光的偏振度和偏振方位角信息；其次，根据天空各点月光偏振度均值确定偏振度阈值并筛选出可用于计算的天空观测点；接着利用夜间天空月光的偏振度和偏振方位角解算出当前时刻的月亮高度角；最后使用两个固定时间间隔的月亮高度角计算出载体位置。该方法具有夜间自主定位能力，增强了偏振定位技术全天时工作的能力。

技术领域

本发明涉及一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法，可在夜间环境下利用月光偏振信息实现自主定位。本发明不依赖卫星信号和其他电磁信号，是一种无源自主定位方式，可应用于地面机器人、无人机、舰船等载体，提高其夜间环境下的自主定位能力。

背景技术

对载体进行定位是实现导航的基础。目前，对载体的定位技术应用最多的是卫星导航，其可以获取载体的绝对位置，提供精确的载体经纬度信息和高度信息等，但是极易受到电磁干扰导致卫星信号失锁，难以在复杂电子对抗环境下持续稳定地为载体提供定位信息。

近年来，随着对大气偏振光的研究，科研人员发现大气偏振模式在一定时间内始终处于一种相对稳定的状态，可以作为偏振罗盘使用。自然界中的许多昆虫和动物如沙蚁、帝王蝶和鸽子等都可以在白天利用偏振太阳光辅助导航，蜣螂等昆虫可以在夜间利用偏振月光辅助导航。科研人员进一步的研究发现，偏振罗盘不仅可以为载体提供姿态信息，也可以为载体提供位置信息。

现如今基于偏振信息实现载体定位的方法有：已授权中国专利CN201611041702.X《一种基于单中性点模型的天空偏振定位方法》需要先利用GPS和全站仪测得偏振传感器的姿态信息才可以解算出载体的位置信息。在复杂电磁干扰环境下GPS信号极易失锁，导致无法工作。已授权中国专利CN201410012966.7《一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法》利用天空偏振光分布模式计算出太阳高度角和方位角，和理论值进行匹配后得出载体位置。该方法需要预先建立偏振方位角和偏振度数据库，工作量大。论文《一种偏振光自定位方法的分析及实现》需要借助电子罗盘测量载体航向角，容易受到电磁干扰导致无法工作。同时，以上专利和论文只能在白天环境下通过提取太阳光大气偏振模式使用，无法在夜间环境下利用月光的大气偏振模式实现自主定位。

发明内容

本发明要解决的问题是:克服现有偏振定位技术只能在白天基于太阳光的大气偏振模式实现载体定位，无法全天时工作的缺陷。通过在夜间环境下静止测量两个间隔固定时刻的月光大气偏振模式，计算得到月亮高度角，借助天文导航中的双星定位原理可以计算得到载体的经纬度信息，从而确定载体位置。该方法可以在夜间工作，增强了偏振导航技术的自主性和全天时性。

本发明的技术解决方案为：一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法，其实现步骤如下：

(1)通过月光大气偏振传感器获取多组夜间天空观测点的月光偏振度d_i和偏振方位角i＝1,2,...,n，n为传感器能够测得的天空观测点总数，然后根据各天空观测点月光偏振度均值设定偏振度阈值d_t，筛选出偏振度大于阈值d_t的天空观测点偏振信息用于下一步计算，这些筛选后的天空观测点的偏振度和偏振方位角分别记为d_j和j＝1,2,...,N，N为筛选后能用于计算的天空点观测点总数，N＜n，完成月光偏振信息初始化；

(2)在载体坐标系b系下，建立筛选后各天空观测点散射月光的偏振e矢量与月亮矢量m^b方向的垂直关系：

利用步骤(1)筛选出的天空观测点偏振度d_j和偏振方位角解算出载体系下的月亮高度角通过陀螺仪测量出载体姿态并获取姿态转换矩阵后，将载体系下的月亮高度角转换为地理系t系下的月亮高度角完成月亮高度角信息初始化；