[发明专利]基于双偏振光矢量的三维姿态信息快速解算方法

摘要

本发明属于无人机三维姿态信息的求解技术领域，提供了一种基于双偏振光矢量的三维姿态信息快速解算方法，是通过分析偏振光传感器的输出特性并结合瑞利散射理论，在利用测量输出的双偏振光E‑矢量确定机体坐标系下太阳空间位置的基础上，进一步结合当地时间和位置信息计算得到导航坐标系下的太阳特征点空间位置，实现直接求解当前时刻三维姿态角的目标，避免现有解算方法中存在的误差传递现象，保证无人机姿态求解过程的实时性与快速性要求。本发明提供一种快速解算导航机体三维姿态的方法，应用于偏振光三维航姿测量。

主权项

一种基于双偏振光矢量的三维姿态信息快速解算方法，其特征在于该方法所用的设备，包括组合式偏振光传感器量测单元、GPS模块、天文年历查询模块和导航计算机；组合式偏振光传感器量测单元包括三个偏振光传感器，导航计算机用来处理各个传感器的数据信息；GPS模块提供的无人机所在位置实时经纬度信息、天文历查询模块提供的不同时刻太阳赤纬以及太阳时角信息，计算出当前时刻的太阳高度角与太阳方位角，实现对太阳位置的实时跟踪；根据瑞利散射原理确定的空间矢量几何关系，通过双偏振光E‑矢量确定无人机坐标系下的太阳空间位置，一步解算出无人机实时的三维导航姿态角信息，形成一种自主性强、快速性好的航姿测量方法，实现对无人机飞行姿态的实时控制；具体步骤如下：步骤一：采集天文历模块提供的不同时刻太阳赤纬以及太阳时角数据和GPS模块提供的实时经纬度数据，计算出当前时刻的太阳高度角HS与太阳方位角AS，从而得到太阳方向矢量在导航坐标系下的投影asumn=cos(HS)cos(AS)sin(HS)sin(AS)sin(HS)T---(1)]]>其中，向量参数中的下角标sun表示针对的是太阳方向矢量，上角标n表示是在导航坐标系下的投影；步骤二：在组合式实验平台基础上，依次建立相应的模块坐标系mk(OkXkYkZk)，k＝1,2,3；同时，根据每个偏振光传感器在相应表面的安装位置关系，分别计算出三个偏振光传感器模块坐标系到无人机坐标系的姿态变换矩阵Cm1b=-3/2-cosα/2sinα/2-1/23cosα/2-3sinα/20-sinα-cosα---(2)]]>Cm2b=3/2-cosα/2sinα/2-1/2-3cosα/23sinα/20-sinα-cosα---(3)]]>Cm3b=0cosα-sinα1000-sinα-cosα---(4)]]>其中，α是正四面体中任意两个表面所成的二面角，根据正四面体的几何特征有α＝70°32'；矩阵参数表示该矩阵是从偏振光模块坐标系mk到无人机坐标系b的姿态变换矩阵；步骤三：将三个偏振光传感器测量输出的入射光最大偏振方向E‑矢量pk从各自所在的模块坐标系转化为在无人机坐标系下的投影：ap1b=Cm1bap1m1=Cm1b[sinδp1,cosδp1,0]Tap2b=Cm2bap2m2=Cm2b[sinδp2,cosδp2,0]Tap3b=Cm3bap3m3=Cm3b[sinδp3,cosδp3,0]T---(5)]]>其中，是入射光最大偏振方向E‑矢量在各自偏振光传感器模块坐标系OXY平面的投影向量与Yk轴的夹角；步骤四：从偏振光传感器的实际输出结果中，选取测量效果最佳的一个偏振光传感器用来估计得到无人机控制系统的航向角ψ0；步骤五：根据瑞利散射原理，偏振光传感器所测天顶点处的最大偏振方向矢量垂直于观测方向矢量与太阳方向矢量所确定的平面；因此，在无人机坐标系下有：ap1b=O1Z1×asumbap2b=O2Z2×asumbap3b=O3Z3×asumb---(6)]]>根据几何学中的空间垂直定理，太阳方向矢量应垂直于观测到的两个最大偏振方向矢量所构成的平面，因此从三者中任选两个均能确定出并规范化有：asumb=(Ap1bap2b)/||Ap1bap2b||2asumb=(Ap1bap3b)/||Ap1bap3b||2asumb=(Ap2bap3b)/||Ap2bap3b||2---(7)]]>其中，是的反对称矩阵；||·||2是对其中参量取欧几里得范数；步骤六：由于导航求解的姿态矩阵是无人机相对于地理空间位置的角度变化关系，因此随着无人机姿态的改变，太阳方向矢量在前后无人机坐标系下的投影是不同的，再结合导航坐标系下实时计算得到的太阳矢量投影，即求出当前时刻的姿态矩阵；太阳方向矢量的坐标变换关系如下式：asunb=Cnbasunn---(8)]]>将已测出的航向角ψ0带入方向余弦矩阵简化有：其中，θ是俯仰角，γ是横滚角，Cij是方向余弦矩阵中的第i行第j列元素，i,j＝1,2,3；令与式(1)和式(9)一起带入式(8)有：cos(HS)cos(AS)cos(HS)sin(AS)sin(HS)=C11C12C13C21C22C23C31C32C33as1bas2bas3b---(10)]]>将上式(10)展开得到方程组如下：cos(HS)cos(AS)=C11bas1b+C12bas2b+C13bas3bcos(HS)sin(AS)=C21as1b+C22as2b+C23as3bsin(HS)=C31as1b+C32as2b+C33as3b---(11)]]>通过求解上述方程组，解算出当前时刻的横滚角与俯仰角信息；步骤七：重复步骤一至步骤六的过程，为无人机系统提供实时的姿态信息。