[发明专利]利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法

摘要

利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法。本发明涉及导航技术，具体为一种利用大气偏振光的三维定姿方法。该方法是采用如下步骤实现的：（1）利用球面传感器阵列在线实时采集大气偏振模式；（2）将所采集的大气偏振模式作为三维定姿模型的原始数据，利用数据分析求出太阳子午线与体轴夹角及太阳投影点在体坐标系下位置坐标；（3）利用子午线与体轴夹角确定偏航角；（4）利用姿态解算公式求俯仰角及滚转角。本发明设计合理，采用大气偏振模式进行三维定姿，提供了一种很好的技术手段，具有完全自主特性，通过实时对大气偏振模式分布的检测，就可以解算出自身的三维姿态，简单可行没有累计误差，同时偏振信息存在于大气层内的可见光中，很难被人为的大面积干扰和破坏。

主权项

一种利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）、建立体坐标系，以飞行器的质心为原点O_b，X_b轴位于飞行器对称面内、平行于机身轴线，向前为正；Y_b轴垂直于飞行器对称面，向右为正；Z_b轴位于飞行器对称平面内，向下为正；建立参考坐标系，原点O_α位于地面上某一点，X_α轴指向正北方向，Y_α轴指向正东方向，Z_α轴铅直向下；以X_αO_αY_α平面为参考水平面；将仿生复眼球面传感器阵列安装在飞行器的质心处，即原点O_b；（2）、确定偏航角ψ将原点O_b和O_α重合后，利用仿生复眼球面传感器阵列实时采集各个方向上的太阳光E‑矢量信息与偏振度信息，并确定检测到水平方向的E‑矢量的小眼阵列及其在球面上的几何位置，那么检测到水平方向的E‑矢量的小眼阵列在参考水平面上的投影，即太阳子午线在参考水平面上的投影CD；同时仿生复眼球面传感器阵列测量确定CD与X_b纵轴在参考水平面上的投影X_b′的夹角此时，由太阳历理论计算得出在参考水平面上CD与X_α轴的夹角偏航角ψ由公式（1）确定：（3）、确定太阳位置参考坐标系下，太阳位置S_a=(x_a y_a z_a)^T，由太阳历理论确定；体坐标系下，太阳位置S_b=(x_b y_b z_b)^T，由仿生复眼球面传感器阵列检测到的偏振信息确定，即寻找满足下列三个条件的点：a)光强最大；b）偏振度为零；c）E‑矢量方向水平；（4）、确定俯仰角θ和滚转角γ俯仰角θ由公式（2）确定：$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{x_a}{\sqrt{{\left(y_c\right)}^2+{\left(x_c\right)}^2}}-\arcsin \frac{y_c}{\sqrt{{\left(y_c\right)}^2+{\left(x_c\right)}^2}}.....................\left(2\right)$滚转角γ由公式（3）确定：$\mathrm{\γ}=\arcsin \frac{z_a}{\sqrt{u^2+{\left(z_c\right)}^2}}-\arcsin \frac{z_c}{\sqrt{u^2+{\left(z_c\right)}^2}}.....................\left(3\right)$其中中间变量u由公式（4）确定：u=x_csinθ‑y_ccosθ……………………………………（4）参数x_c、y_c和z_c由公式（5）确定：$\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right)=R_Z\left(\mathrm{\ψ}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_b\cos \mathrm{\ψ}+y_b\sin \mathrm{\ψ}\\ y_b\cos \mathrm{\ψ}-x_b\sin \mathrm{\ψ}\\ z_b\end{array}\right).....................\left(5\right)$即解算出偏航角ψ、俯仰角θ和滚转角γ，完成飞行器在空间的三维姿态确定。