[发明专利]一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法

摘要

本发明一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法属于一种天文导航定位领域，涉及一种天空偏振光分布模式的导航定位方法。该方法完全利用天空偏振光进行自主导航和定位，通过太阳高度方位信息和测试地点位置信息，计算得到天空偏振光分布模式理论数据信息，然后将实时测试的偏振模式数据信息和理论数据信息进行数据匹配，匹配成功后直接可以根据天空偏振光分布模式的理论数据获得测试地点的准确位置信息。该方法完全利用天空偏振光进行自主导航和定位，无需借助其他辅助信息，实时性好，可操作性好，不受任何外界因素干扰，精度高，能够快速提供准确的航向信息和位置信息。

主权项

一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法，其特征是，定位方法采用天空偏振光分布模式测试仪器进行测试，定位方法包括以下技术步骤：(1)确立天空偏振光分布模式的理论模型，然后依据不同的测试地点的位置信息和当地太阳高度方位信息建立偏振方位角和偏振度分布模式数据库,由偏振方位角和偏振度分布模式数据库输出了相应的天空偏振光的分布模式，用于进行数据匹配；(2)在移动设备行进过程中，利用其上的天空偏振光测试仪器进行全天空偏振光分布模式测试，测试过程中，测试仪器逐次采集全天空有限点的光强数据；测试某一点的光强数据时，偏振片需要转动0゜、60゜和120゜三个偏振方向，采集到的光强数据分别记作I′(0°)、I′(60°)和I′(120°)，根据Stokes矢量：其中I，Q，U是Stokes矢量的前三个分量，第四分量圆偏振分量为零，即V＝0：根据式(1)得到Stokes矢量的三个分量：最后根据Stokes矢量与偏振度和偏振方位角的关系，得到天空中某一点的偏振度Pij和偏振方位角θij：Pij=Q2+U2I;θij=12atanUQ---(3)]]>通过调节仪器，逐次测试得到全天空偏振光分布模式的数据信息；a)如果是晴朗天气，则直接进行步骤(4)；b)如果是是非晴朗天气，则对天空偏振光分布模式的特征信息进行提取；(3)利用提取的特征信息和已有的天空偏振光分布模式理论和规律进行全天空偏振光分布模式的反演和重构；天空偏振光分布模式中存在的最明显的特征信息是中性点，中性点的偏振度为零，且偏振方位角发生了90゜的变化，中性点的位置在距太阳点或反太阳点角距约15°～25°的范围内变化；天空偏振光偏振度关于中性点和太阳呈环状分布，在太阳角距为90゜时偏振度达到最大值，并且整个天空偏振光分布模式关于这条最大偏振线和过太阳和天顶的子午线对称；因此在某一时刻和某一确定的地方，可以根据天空偏振光分布的分布规律和对称特性进行分布模式的反演和重构，得到此时天空偏振光完整的模式分布信息；(4)利用直接测试的全天空偏振光分布模式或反演和重构的偏振模式与建立的天空偏振光偏振方位角和偏振度分布模式数据库进行数据匹配，如果某两个天空偏振光分布模式的数据匹配误差小于已经设定的误差阈值，则认为数据匹配成功；否则继续匹配直至匹配成功；数据匹配成功时，由于数据库内的天空偏振光分布模式数据与测试地点的方位信息、太阳方位信息有直接的关联性，可以直接确定此时移动设备的位置信息；具体数据匹配方法：通过理论模型获取的天空偏振光分布模式的数据标记为信息集合∑χ0，测试的偏振模式数据标记为信息集合∑χ，然后采用匹配算法对信息集合∑χ0和信息集合∑χ进行匹配，如果二者的匹配误差小于阈值Δ∑χ，则认为数据匹配成功，否则继续匹配，直至匹配成功；Σχ=Pθ---(6)]]>Σχ0=P0θ0---(9)]]>ΔΣχ＝Σχ‑∑χ0 (10)式(4)中P表示测试的天空偏振光偏振度数据信息集合，Pij(i＝1，2，……n；j＝1，2，……n)表示天空中某一测试点偏振度信息，式(5)中θ表示测试的天空偏振光偏振方位角数据信息集合，θij(i＝1，2，……n；j＝1，2，……n)表示天空中某一测试点偏振方位角信息，测试偏振度数据信息和偏振方位角数据信息经过归一化处理后构成信息集合∑χ，由式(6)表示；式(7)中P0表示理论模型计算的天空偏振光偏振度数据信息集合，P0ij(i＝1，2，……n；j＝1，2，……n)表示天空中某一理论模型计算点偏振度信息，式(8)中θ0表示理论模型计算的天空偏振光偏振方位角数据信息集合，θ0ij(i＝1，2，……n；j＝1，2，……n)表示天空中某一理论模型计算点偏振方位角信息，理论模型计算偏振度数据信息和偏振方位角数据信息经过归一化处理后构成信息集合∑χ0，由式(9)表示，匹配误差阈值Δ∑χ，由式(10)表示。