复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法

摘要

本发明属于仿生偏振光导航领域，公开了复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法。首先，利用图像式的偏振光传感器测量大气的偏振角模式；其次，根据天文年历计算太阳天顶角和太阳方位角；再次，根据一阶瑞利散射模型，在载体系下建立太阳子午线方向关于偏振角和太阳天顶角的表达式，基于投票机制估计最优的太阳子午线方向；最后，根据太阳方位角和最优的太阳子午线方向求解载体航向角。本发明在不增加硬件结构的条件下，充分利用了偏振角模式、太阳方位角和太阳天顶角，在天空受到云层、建筑物和树叶等遮挡条件下，运用投票机制有效地解决了载体航向角的估计问题，具有原理简单、估计精度高、鲁棒性好的优点。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种载体航向角的估计方法，特别涉及一种复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法，属于仿生偏振光导航领域。

背景技术：

卫星导航、惯性导航等现代导航技术已经在人类的社会活动和军事活动中占据了主导地位，但是卫星导航信号易受电磁干扰，且难以覆盖到丛林地带、水下和室内等环境，惯性导航系统是最常用的自主导航方式，具有抗干扰性强、导航信息完全、实时性强等优势，但其成本高、定位误差随时间积累，这些缺点制约了卫星导航和惯性导航的应用范围，不断发展的导航需求促使我们探索全新的自主导航方式。动物具有突出的导航能力，许多动物(沙蚁、蜜蜂、狼蛛、部分鸟类等)都被证明拥有感知偏振光的能力，它们利用独特的偏振视觉结构，感知大气的自然偏振特性，提取太阳的方位信息，从而进行导航定位。基于自然特征的仿生偏振光导航已经受到人们的关注，仿生偏振光传感器借鉴了动物高度敏感的视觉感知系统，以太阳光的自然偏振特性和大气偏振模式为基础，实现载体航向信息的判断，具有抗干扰性强、误差不随时间积累、适用范围广等优势。

当前偏振光传感器的测量方式主要分为单点式测量和图像式测量两大类。前者一次只能采集一个观测方向的偏振信息，极其容易受到环境的干扰，一旦数据丢失或者采样点误差过大则失去定向能力；而基于图像式测量的偏振光传感器，可以同时提取视角范围内整个天空区域的偏振角和偏振度信息。信息量的增加可以有效避免单点式测量鲁棒性差的问题，但同时也增加了数据处理的难度。如果天空受到云层、树叶以及建筑物的遮挡，偏振度和偏振角分布特性将会受到很大的影响。国内学者(高隽等，仿生偏振光导航方法，科学出版社，2014)提出了基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法，该方法在局部天空受到遮挡的情况下能够有效估计载体航向，但无法有效解决大范围天空受到遮挡条件下的估计问题。因此，寻找一种在大范围天空受到云层、树叶以及建筑物遮挡的情况下，精确、快速、鲁棒地估计载体航向角的方法具有十分重要的意义。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于：在大范围天空受到云层、建筑物和树叶等遮挡的条件下，利用天空偏振角模式快速、鲁棒、精确地估计载体的航向角。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：

复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，计算天空偏振角模式：

利用一种由多相机组成的偏振光传感器，光轴方向指向天空，实时、动态地测量天空区域的偏振角模式；该偏振光传感器由四个CCD(Charge-Coupled Device)相机组成，每个相机上装有一个偏振片，根据偏振片的通光轴方向按照0°、45°、90°、135°角度安装；由外部触发同步四个相机的采集时间，对于某一个方向的入射光，四个相机的响应可以描述为：

式中，f_j为第j个相机的亮度值，K_j为第j个相机的增益系数，I为单位矩阵，d为入射光的偏振度，φ为入射光偏振方向与参考方向的夹角，β_j是第j个偏振片的光轴方向与参考方向的夹角；

根据CCD相机输出信息，采用最小二乘法估计天空偏振角模式，偏振角φ由下式给出：

其中为向量X的最小二乘估计，x₁和x₂分别为向量的第一和第二个元素，D、X和F定义如下：

步骤二，根据天文年历计算太阳天顶角和太阳方位角：

根据天文年历，输入时间和位置信息可以求得导航坐标系下太阳天顶角γ_S和太阳方位角本方法要求输入信息的精度满足下述指标：时间精度优于1s，位置精度优于10km；

步骤三，基于天空偏振角模式和太阳天顶角，运用投票机制估计太阳子午线方向：

1)根据一阶瑞利散射模型，在载体系下建立太阳子午线方向关于观测点的偏振角和太阳天顶角的表达式：

其中，α_S为太阳在载体坐标系下的方位角，φ入射光偏振方向与参考方向的夹角，图像中的每一个像素点(x_p,y_p)都与天空中的某一观测点P相对应，γ和α分别为载体坐标系下观测点P的天顶角和方位角，相机的焦距为f_c，光轴在图像中投影的坐标值为(x_c,y_c)；

2)计算所有像素点的太阳子午线方向，然后对计算结果进行直方图统计，直方图分布的峰值即最优的太阳子午线方向

步骤四，根据太阳方位角和最优的太阳子午线方向求解载体航向角：

其中，为载体在导航坐标系下的方位角，为太阳在载体系下的方位角，为太阳在导航坐标系下的方位角。

通过以上步骤，实现了复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

1)综合利用天空区域、时间和位置信息，采用投票机制估计太阳子午线方向，并求解载体航向角，有效克服云层、建筑物、树叶等的遮挡，具有较高的鲁棒性和准确性；

2)算法流程简单，易于实现，运算速度快。

附图说明：

1.图1是本发明方法的流程示意图；

2.图2是偏振相机的实际测量图像；

3.图3是天空偏振角模式测量结果；

4.图4是一阶瑞利散射模型原理图；

5.图5是根据偏振角模式计算得到的太阳子午线方向；

6.图6是太阳子午线方向的直方图统计；

7.图7是载体系下太阳子午线方向的最优估计。

具体实施方式：

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，为复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法的流程图，具体包括如下步骤：

步骤一，计算天空偏振角模式：

大气偏振模式是无偏的自然光与粒子、尘埃发生散射后，多种不同偏振度和偏振角的偏振光在天空中形成的相对稳定的分布模式。利用一种由多相机组成的偏振光传感器，将其安装在移动车辆上，光轴方向指向天空，实时、动态地测量天空区域的偏振角模式；该偏振光传感器主要由四个CCD(Charge-Coupled Device)相机组成，每个相机上装有一个偏振片，根据偏振片的通光轴方向按照0°、45°、90°、135°角度安装；由外部触发同步四个相机的采集时间，对于某一个方向的入射光，四个相机的响应可以描述为：

式中，f_j为第j个相机的亮度值，K_j为第j个相机的增益系数，I为单位矩阵，d为入射光的偏振度，φ为入射光偏振方向与参考方向的夹角，β_j是第j个偏振片的光轴方向与参考方向的夹角；图2展示了偏振相机的实际测量图像；

根据CCD相机输出信息，采用最小二乘法估计天空偏振角模式，偏振角φ由下式给出：

其中为向量X的最小二乘估计，x₁和x₂分别为向量的第一和第二个元素，D、X和F定义如下：

图3为通过式(7)计算得到的天空偏振角模式。

步骤二，根据天文年历计算太阳天顶角和太阳方位角

根据天文年历，输入时间和位置信息可以求得导航坐标系下太阳天顶角γ_S和太阳方位角本方法要求输入信息的精度满足下述指标：时间精度优于1s，位置精度优于10km。

步骤三，基于天空偏振角模式和太阳天顶角，运用投票机制估计太阳子午线方向：

1)根据一阶瑞利散射模型，在载体系下建立太阳子午线方向关于观测点的偏振角和太阳天顶角的表达式；

如图4所示，首先定义如下右手直角坐标系：

导航坐标系(ONED)：其中N轴为地理真北，E为东向，D为垂直向下方向，E轴和D轴未在图中标出；

载体坐标系(O_lX_lY_lZ_l)：选择1号相机作为参考基准，O_l为图像的中心，X_l轴和Y_l轴分别沿CCD传感器的横向和纵向，Z_l轴为载体的光轴，系统经过调平后，Z_l轴指向天顶方向；

入射光坐标系(O_iX_iY_iZ_i)：其Z_i轴指向观测方向，X_i轴位于观测方向所在的竖直平面(OPP′)内，Y_i轴与X_i轴和Z_i轴构成右手直角坐标系(Y_i轴未标出)；

假设观测者处于位置O，太阳在天球上的位置为S，天空中的观测点为P，太阳天顶角为γ_S，导航坐标系下太阳方位角为载体坐标系下太阳方位角α_S，观测点P在载体坐标系下的天顶角和方位角分别为γ和α，入射光的偏振角为φ；

晴朗的天空中，散射粒子主要由大气分子组成，其尺寸远小于光的波长，因此可以用一阶瑞利散射模型来描述晴朗天气下大气散射过程；如图4所示，散射光的E矢量方向垂直于散射平面POS；向量和E矢量方向在载体坐标系l中的表示为：

从载体坐标系l到入射光坐标系i的方向余弦矩阵为E矢量方向在入射光坐标系i下的表示为：

根据式(10)，推导太阳在载体系l中的方位角α_s与偏振角φ的关系，如下式：

式(11)中，载体坐标系下观测点P的天顶角γ和方位角α可由下式计算得到：

其中，相机的焦距为f_c，光轴在图像中投影的坐标值为(x_c,y_c)，图像中的每一个像素点(x_p,y_p)都与天空中的某一观测点P相对应；由步骤一和步骤二计算每个像素点的偏振角φ和太阳天顶角γ_S，通过式(11)和式(12)计算所有像素点的α_S，计算结果如图5所示；

2)计算所有像素点的太阳子午线方向，然后对计算结果进行直方图统计，直方图分布的峰值即最优的太阳子午线方向

图6为对α_S进行直方图统计的结果，与直方图分布的峰值相对应的α_S即为载体系下太阳方位角的最优估计图7为天空偏振角模式的实测结果，载体坐标系的X_l轴和Y_l轴已在图中标出，X_l为载体的主方向，太阳子午线方向的最优估计如图所示。

步骤四，根据太阳方位角和最优的太阳子午线方向求解载体航向角：

其中为载体在导航坐标系下的方位角，为太阳在载体系下的方位角，是太阳在导航坐标系下的方位角。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。