本發(fā)明涉及一種基于雙中性點(diǎn)矢量的天空偏振三維定姿方法，為研究天空偏振模式提供了一種新的思路，且可作為天空偏振導(dǎo)航的基礎(chǔ)。

背景技術(shù)：

生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)天空偏振光可以作為生物導(dǎo)航的依據(jù)，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，天空光經(jīng)大氣散射之后具有相對(duì)穩(wěn)定的偏振模式，蘊(yùn)涵著豐富的導(dǎo)航信息，自然界很多生物都能利用天空偏振光進(jìn)行導(dǎo)航或者進(jìn)行輔助導(dǎo)航。偏振導(dǎo)航機(jī)制是一種非常有效的導(dǎo)航手段，具有無源、無輻射、自主性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠?yàn)閺?fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航任務(wù)提供新的解決途徑。

研究生物仿生導(dǎo)航，是21世紀(jì)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向。大氣偏振模式的對(duì)稱性以及理想環(huán)境下的大氣瑞利散射模型都成為了偏振導(dǎo)航的依據(jù)，但這兩者都有一定的局限性，前者只能實(shí)現(xiàn)二維導(dǎo)航，后者對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較差。目前基于天空偏振定姿的方法多基于這兩種依據(jù)?；诖髿馄裰行渣c(diǎn)的導(dǎo)航定位方法，專利號(hào)：201510044262.2，利用兩中性點(diǎn)連線在太陽子午線上這一特征來實(shí)現(xiàn)定向，即利用大氣偏振的對(duì)稱性來實(shí)現(xiàn)定向，只能輸出偏航角，另外兩種姿態(tài)信息無法測(cè)量。一種基于偏振光傳感器的航姿測(cè)定方法，專利號(hào)：201410628075.4，通過對(duì)基于瑞利散射和實(shí)際測(cè)量的入射光最大偏振方向之間的誤差進(jìn)行互補(bǔ)濾波，從而輸出航向角，但這種方法的準(zhǔn)確性依舊依賴于理想的瑞利散射模型，受環(huán)境影響大，且偏振只提供偏航角這一姿態(tài)信息?；诖髿馄衲Ｊ娇臻g特性的三維姿態(tài)獲取，專利號(hào)：201210005641.7，通過對(duì)天空多點(diǎn)采樣結(jié)果特征響應(yīng)矩陣的解算來獲取傳感器的三維姿態(tài)信息，數(shù)據(jù)量大，計(jì)算復(fù)雜，且在復(fù)雜天氣環(huán)境下特征響應(yīng)關(guān)系難以尋找。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于雙中性點(diǎn)矢量的天空偏振三維定姿方法，利用偏振圖像傳感器獲取像空間坐標(biāo)系下雙中性點(diǎn)矢量w₁、w₂，再根據(jù)中性點(diǎn)模型獲取地理系下雙中性點(diǎn)矢量U₁、U₂，以雙中性點(diǎn)矢量建立坐標(biāo)系，通過在像空間坐標(biāo)系和地理系下的正交坐標(biāo)基的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)傳感器的三維姿態(tài)解算。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種基于雙中性點(diǎn)矢量的天空偏振三維定姿方法，通過下列步驟實(shí)現(xiàn)：

(1)利用偏振圖像傳感器獲取像空間坐標(biāo)系下雙中性點(diǎn)矢量w₁、w₂；

(2)根據(jù)中性點(diǎn)模型獲取地理系下雙中性點(diǎn)矢量U₁、U₂；

(3)以雙中性點(diǎn)矢量建立坐標(biāo)系，通過在像空間坐標(biāo)系和地理系下的正交坐標(biāo)基的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)傳感器的三維姿態(tài)解算。

所述步驟(1)偏振圖像傳感器獲取的像空間坐標(biāo)系下雙中性點(diǎn)矢量w₁、w₂分別為：

其中，w₁、w₂為像空間坐標(biāo)系下的雙中性點(diǎn)矢量，σ₁、σ₂分別為兩中性點(diǎn)與像空間坐標(biāo)系原點(diǎn)連線與偏振圖像傳感器光軸之間的夾角，表示為(x_1c,y_1c)、(x_2c,y_2c)分別為偏振圖像傳感器獲取的兩中性點(diǎn)在像平面中的坐標(biāo)，f為偏振圖像傳感器鏡頭的焦距；r₁、r₂分別為兩中性點(diǎn)在成像面內(nèi)的輻角，表示為同樣，(x_1c,y_1c)、(x_2c,y_2c)分別為偏振圖像傳感器獲取的兩中性點(diǎn)在像平面中的坐標(biāo)。

所述步驟(2)根據(jù)中性點(diǎn)模型獲取地理系下雙中性點(diǎn)矢量U₁、U₂分別為：

其中，U₁、U₂分別為地理系下的雙中性點(diǎn)矢量；和分別為兩中性點(diǎn)在地理系下的高度角和方位角，可通過中性點(diǎn)模型獲取兩中性點(diǎn)的赤緯角δ₁、δ₂和時(shí)角Ω₁、Ω₂，再通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換獲取兩中性點(diǎn)在地理系下的高度角和方位角過程如下：

其中，δ₁、δ₂和Ω₁、Ω₂分別為兩中性點(diǎn)的赤緯角和時(shí)角，由中性點(diǎn)模型獲得；φ為偏振圖像傳感器所在的地理緯度。

所述步驟(3)中設(shè)計(jì)的三維姿態(tài)解算算法如下：

其中，C_mh為圖像傳感器的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣；C_cm為以兩中性點(diǎn)矢量建立的坐標(biāo)系S_c到像空間坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，表示為其中，[a b c]為S_c在像空間坐標(biāo)系下的正交坐標(biāo)基，a、b、c表示為：其中，w₁、w₂為像空間坐標(biāo)系下的雙中性點(diǎn)矢量；C_ch為以兩中性點(diǎn)矢量建立的坐標(biāo)系S_c到地理系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，表示為其中，[A B C]為S_c在地理系下的正交坐標(biāo)基，A、B、C表示為：其中，U₁、U₂為地理系下的雙中性點(diǎn)矢量。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明提出的一種基于雙中性點(diǎn)矢量的天空偏振三維定姿方法，通過圖像坐標(biāo)系和模型獲取的雙中性點(diǎn)矢量的轉(zhuǎn)換可以獲得傳感器的三維姿態(tài)，簡單易實(shí)現(xiàn)，且能實(shí)現(xiàn)無源、無輻射、自主導(dǎo)航。

(2)本發(fā)明提出的一種基于雙中性點(diǎn)矢量的天空偏振三維定姿方法，具有較低的算法復(fù)雜度和解算度，可以有效的減小數(shù)據(jù)的計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)在線快速導(dǎo)航。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述流程圖；

圖2為本發(fā)明涉及的地理系下的雙中性點(diǎn)矢量示意圖；

圖3為本發(fā)明涉及的像空間坐標(biāo)系下的雙中性點(diǎn)矢量示意圖；

圖4為本發(fā)明涉及的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟(1)中，偏振圖像傳感器獲取的像空間坐標(biāo)系下雙中性點(diǎn)矢量w₁、w₂分別為：

其中，w₁、w₂為像空間坐標(biāo)系下的雙中性點(diǎn)矢量(如圖2所示，圖中s₁、s₂分別表示兩中性點(diǎn)，s₁'、s'₂分別為兩中性點(diǎn)在像平面上的投影，o為相機(jī)光心，o'為像平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)，o到o'的距離即為偏振圖像傳感器焦距f)，σ₁、σ₂分別為兩中性點(diǎn)與像空間坐標(biāo)系原點(diǎn)連線與偏振圖像傳感器光軸之間的夾角，表示為(x_1c,y_1c)、(x_2c,y_2c)分別為偏振圖像傳感器獲取的兩中性點(diǎn)在像平面中的坐標(biāo)，f為偏振圖像傳感器鏡頭的焦距；r₁、r₂分別為兩中性點(diǎn)在成像面內(nèi)的輻角，表示為同樣，(x_1c,y_1c)、(x_2c,y_2c)分別為偏振圖像傳感器獲取的兩中性點(diǎn)在像平面中的坐標(biāo)。

步驟(2)中，根據(jù)中性點(diǎn)模型獲取地理系下雙中性點(diǎn)矢量U₁、U₂分別為：

其中，U₁、U₂分別為地理系下的雙中性點(diǎn)矢量(如圖3所示，圖中O為偏振圖像傳感器所在的位置，s₁、s₂分別表示兩中性點(diǎn)，中性點(diǎn)的高度角為中性點(diǎn)矢量與水平面之間的夾角，方位角為中性點(diǎn)在水平面上的投影與正北方向的夾角)；和分別為兩中性點(diǎn)在地理系下的高度角和方位角，可通過中性點(diǎn)模型獲取兩中性點(diǎn)的赤緯角δ₁、δ₂和時(shí)角Ω₁、Ω₂，再通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換獲取兩中性點(diǎn)在地理系下的高度角和方位角過程如下：

其中，δ₁、δ₂和Ω₁、Ω₂分別為兩中性點(diǎn)的赤緯角和時(shí)角，由中性點(diǎn)模型獲得；φ為偏振圖像傳感器所在的地理緯度。

步驟(3)中，設(shè)計(jì)的三維姿態(tài)解算算法如下：

其中，C_mh為圖像傳感器的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣(如圖4所示，圖中表示出圖像傳感器的姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程，可看作沿x、y、z三個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度分別為橫滾角、俯仰角和偏航角)；C_cm為以兩中性點(diǎn)矢量建立的坐標(biāo)系S_c到像空間坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，表示為其中，[a b c]為S_c在像空間坐標(biāo)系下的正交坐標(biāo)基，a、b、c表示為：其中，w₁、w₂為像空間坐標(biāo)系下的雙中性點(diǎn)矢量；C_ch為以兩中性點(diǎn)矢量建立的坐標(biāo)系S_c到地理系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，表示為其中，[A B C]為S_c在地理系下的正交坐標(biāo)基，A、B、C表示為：其中，U₁、U₂為地理系下的雙中性點(diǎn)矢量。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。