[发明专利]一种基于偏振光传感器的航姿测定方法

摘要

本发明公开了一种基于偏振光传感器的航姿测定方法，采用设备包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、偏振光传感器、GPS和飞控计算机。采用互补滤波器算法对各传感器数据进行融合，通过加速度计测量数据修正陀螺仪角速率的俯仰角和滚转角误差，偏振光传感器测量数据修正陀螺仪角速率的航向角误差，提高飞行器的姿态测量精度。本发明相比于传统航姿参考系统，具有不受电磁干扰、静动态环境测量精度高等优点。

主权项

一种基于偏振光传感器的航姿测定方法，其特征在于以下步骤，(1)采集三轴加速度计、偏振光传感器和GPS的输出数据，确定飞行器的初始滚转角φ、俯仰角θ和航向角ψ，建立导航坐标系到机体坐标系的初始姿态矩阵和机体坐标系到偏振光传感器坐标系的姿态矩阵(2)根据飞行器所属时区，通过天文历计算方法估算当地太阳高度角h_s、方位角A_s，然后依据下式(1)计算得到太阳方向矢量在导航坐标系下的投影$a_{\mathrm{sun}}^n=\left[\cos \left(\mathrm{hs}\right)\sin \left(A_s\right)\cos \left(\mathrm{hs}\right)\cos \left(A_s\right)\sin \left(\mathrm{hs}\right)\right]---\left(1\right)$(3)根据下式(2)中偏振光传感器坐标系、机体坐标系、导航坐标系之间关系和瑞利散射原理得到偏振光传感器坐标系下的入射光最大偏振方向矢量的观测值：$\left[\begin{array}{c}\sin {\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{p1}\\ \cos {\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{p1}\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& -1& 0\\ 1& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]C_b^m{C}_n^b{a}_{\mathrm{sun}}^n=\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ 0_{1\×3}\end{array}\right]C_b^m{C}_n^b{a}_{\mathrm{sun}}^n=\left[\begin{array}{c}{A}_1{C}_b^m{C}_n^b{a}_{\mathrm{sun}}^n\\ A_2{C}_b^m{C}_n^b{a}_{\mathrm{sun}}^n\\ 0\end{array}\right]---\left(2\right)$(4)采集偏振光传感器输出的偏振方位角ψ_pl，在偏振光传感器坐标系下，计算入射光的最大偏振方向矢量的测量值：$\left[\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\ψ}}_{p1}\\ \cos {\mathrm{\ψ}}_{p1}\\ 0\end{array}\right];$(5)计算航向误差校正矢量，入射光最大偏振方向矢量的观测值与测量值的偏差即为航向角误差，其值为两个矢量的叉乘：$e_{\mathrm{\ψ}}=\left[\begin{array}{c}\sin {\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{p1}\\ \cos {\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{p1}\\ 0\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\ψ}}_{p1}\\ \cos {\mathrm{\ψ}}_{p1}\\ 0\end{array}\right]---\left(3\right)$(6)采集三轴加速度数据g_b和三轴陀螺仪数据ω_b，去掉加速度计测量值中的向心加速度，得到重力加速度矢量参考值；$g_r=g_b+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n\×V---\left(4\right)$其中速度V由GPS得到，由V经过公式计算得到。(7)计算俯仰、滚转误差校正矢量，即重力加速度的观测值与实际测量参考值g_r单位矢量的差值，其值为两矢量的叉乘：$e_{\mathrm{\φ\θ}}=\left[\begin{array}{c}{C}_{13}\\ C_{23}\\ C_{33}\end{array}\right]\×\frac{g_r}{\left|g_r\right|}---\left(5\right)$(8)进行互补滤波，通过反馈控制校正陀螺仪测量角速率，从而提高航向角、俯仰角、滚转角的精度；ω＝ω_b+k_ψPe_ψ+k_ψIdtΣe_ψ+k_φθPe_φθ+k_φθIdtΣe_φθ  (6)(9)通过四元数法更新，得到新的姿态矩阵和姿态角；(10)重复(1)至(9)过程，实现系统实时输出飞行器的航姿信息。