专利名称：一种飞行器三维定姿系统及方法
技术领域：
本发明属于导航技术领域，具体涉及ー种基于天空光偏振特性的飞行器三维定姿方法。
背景技术：
太阳光是自然光,本身不是偏振光，太阳光在大气传输过程中，受到大气分子或其他颗粒的散射，变成只在某ー个方向上振动或某一方向上振动占优势的偏振光，当大气较为清洁时，瑞利散射占主导，散射出射的光线主要是线偏振光。偏振特性可用偏振度和偏振方位角来描述。研究表明，天空的偏振特性和太阳位置紧密相关，天空中某观测点的电矢量振动方向垂直于太阳、地面观察点和天空中观测点所构成的平面。有人提出一种基于天空光的偏振分布与太阳方向之间的关系得到舰船的位置和航向信息的方法，但是，其仅仅考虑了舰船在海平面上航行时，基座保持水平的情况，因而大大的局限了此种方法的应用范围。有人提出利用天空偏振光分布模式确定导航系统航向角的方法，该方法通过建立天空偏振光分布模型，确定了导航參考线并结合天文导航方法，确定太阳的相对位置，继而得到航向角，但是对于需要导航的运动体来讲，不具备敏感偏振的视觉系统，从而无法确定导航參考线，也就无法顺利的利用此种方法完成导航任务。针对这ー问题，有人提出通过硬件设计，求得当前位置和太阳子午线的方位角，为船舶、飞行器、车辆与机器人等交通工具和运动物体进行实时导航，但却只给出了太阳在中天附近的导航精度，对太阳在其它位置的导航精度没有作详细的说明。也有人提出了一种基于海洋散射光偏振特性的水下偏振光导航技木，但其导航坐标系的建立是使探測基座保持水平，而实际的导航过程中，由于航行器的姿态变化，基座很难保持水平，从而限制了此种方法的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞行器三维定姿系统，解决现有技术存在的飞行器导航实时定姿困难的问题。本发明的另ー个目的在于提供一种飞行器三维定姿方法。本发明的目的是这样实现的，一种飞行器三维定姿系统，包括观测模块，利用天空散射光偏振特性測量系统实时的、自动的测量两相互垂直方向的天空光的光振动方向；模型建立模块，模型建立模块与所述观测模块相连，在计算机中建立飞行器的本体坐标系，赤道坐标系；数据查询模块，数据查询模块与观测模块相连，用于获得观测时刻太阳的赤纬和格林时角。数据处理模块，数据处理模块与观测模块、模型建立模块、数据查询模块相连，用于对观测模块和数据查询模块所获得的数据在所建立的模型坐标系中进行变换加工。姿态求解模块，姿态求解模块与数据处理模块相连，利用数据处理模块传输出的数据建立方程组，求解并输出結果。本发明的另ー个目的是这样实现的，一种飞行器三维定姿方法，包括观测模块，利用天空散射光偏振特性測量系统实时的、自动的测量两相互垂直方向的天空光的光振动方向；模型建立模块，模型建立模块与观测模块相连，在计算机中建立飞行器的本体坐标系，赤道坐标系；数据查询模块，数据查询模块与观测模块相连，用于获得观测时刻太阳的赤纬和格林时角。 数据处理模块，数据处理模块与观测模块、模型建立模块、数据查询模块相连，用于对观测模块和数据查询模块所获得的数据在所建立的模型坐标系中进行变换加工。姿态求解模块，姿态求解模块与数据处理模块相连，利用数据处理模块传输出的数据建立方程组，求解并输出结果；包括如下步骤步骤1，在计算机中建立飞行器的本体坐标系，利用天空散射光偏振特性測量系统实时的、自动的获得两相互垂直方向的天空光的光振动方向；步骤2，在计算机中建立赤道坐标系将步骤I中所获得的光振动方向自动的传递给计算机，利用旋转坐标系公式将两束光的振动方向转换到赤道坐标系中；利用两偏振光方向与太阳的位置关系在赤道坐标系中计算出太阳的方向；步骤3，获得探测时刻太阳的赤纬，格林视角以及飞行器的经纬度，表示出太阳的方向；步骤4 :利用步骤2和步骤3中所得的太阳方向建立方程组；步骤5 :将步骤3中所获得的数据传输到步骤4所得的方程组中进行最后的数值求解。进ー步，步骤I包括I)建立飞行器本体导航坐标系，在天球上，S是太阳，D1, D2为飞行器在水平面上时两组相互垂直的探測方向，D' i和D' 2为实际的两垂直天空光探測方向，分别沿Y"'轴和Z"，轴；X"，轴是X"随基座转动后所得坐标轴；N’为飞行器当地(￠, A)的真北方向，E为正东方向，P1为在D1 ‘方向探测到的天空光光振动方向，己为在ら’方向探测到的天空光光振动方向，TC为飞行器的真航向；忽略地球半径的影响，以地心为坐标原点，建立坐标系XYZ、X' Y' Z'、X" Y" Z"和X" ’ Y" ’ I"'，其中X轴沿正东方向，Y轴沿真北方向，Z、Z'轴沿飞行器水平时立轴朝上方向；X、X’、X"轴沿飞行器水平右翼方向Y'轴沿飞行器的机首方向；Y"轴沿D1方向，Z"轴沿D2方向，Y"，轴沿D' i方向，Z"，轴沿D' 2方向；2)对两垂直方向的天空光光振动方向进行实时观測，并记录观测时刻；在偏振片上固定带有标定指针的旋转架，以便旋转偏振片和做水平面參考，偏振片和旋转架的作用是产生三个不同方向的起偏角，通过对这三个不同方向的起偏角的光强的测量，便可得到这ー方向的偏振光的振动方向。
进ー步，步骤2包括I)将两相互垂直的两探测方向所测得的偏振光振动方向变换到X" Y" Z"中；当俯仰角为X和翻滚角为V吋。可有下面过渡矩阵进行变换，变换到X" Y" I"坐标系。
权利要求
1.一种飞行器三维定姿系统，其特征在于，包括 观测模块(1)，利用天空散射光偏振特性测量系统实时的、自动的测量两相互垂直方向的天空光的光振动方向； 模型建立模块(2)，模型建立模块(2)与观测模块(I)相连，在计算机中建立飞行器的本体坐标系，赤道坐标系； 数据查询模块(3)，数据查询模块(3)与观测模块(I)相连，用于获得观测时刻太阳的赤纬和格林时角； 数据处理模块(4)，数据处理模块(4)与观测模块(I)、模型建立模块(2)、数据查询模块(4)相连，用于对观测模块(I)和数据查询模块(4)所获得的数据在所建立的模型坐标系中进行变换加工； 姿态求解模块(5)，姿态求解模块(5)与数据处理模块(4)相连，利用数据处理模块(4)传输出的数据建立方程组，求解并输出结果。
2.一种飞行器三维定姿方法，其特征在于，包括 观测模块(1)，利用天空散射光偏振特性测量系统实时的、自动的测量两相互垂直方向的天空光的光振动方向； 模型建立模块(2)，模型建立模块(2)与观测模块(I)相连，在计算机中建立飞行器的本体坐标系，赤道坐标系； 数据查询模块(3)，数据查询模块(3)与观测模块(I)相连，用于获得观测时刻太阳的赤纬和格林时角； 数据处理模块(4)，数据处理模块(4)与观测模块(I)、模型建立模块(2)、数据查询模块(4)相连，用于对观测模块(I)和数据查询模块(4)所获得的数据在所建立的模型坐标系中进行变换加工； 姿态求解模块(5 )，姿态求解模块(5 )与数据处理模块(4 )相连，利用数据处理模块(4 )传输出的数据建立方程组，求解并输出结果； 包括如下步骤 步骤1，在计算机中建立飞行器的本体坐标系，利用天空散射光偏振特性测量系统实时的、自动的获得两相互垂直方向的天空光的光振动方向； 步骤2，在计算机中建立赤道坐标系将步骤I中所获得的光振动方向自动的传递给计算机，利用旋转坐标系公式将两束光的振动方向转换到赤道坐标系中；利用两偏振光方向与太阳的位置关系在赤道坐标系中计算出太阳的方向； 步骤3，获得探测时刻太阳的赤纬，格林视角以及飞行器的经纬度，表示出太阳的方向； 步骤4 :利用步骤2和步骤3中所得的太阳方向建立方程组； 步骤5 :将步骤3中所获得的数据传输到步骤4所得的方程组中进行最后的数值求解。
3.如权利要求2所述的飞行器三维定姿方法，其特征在于，步骤I包括 O建立飞行器本体导航坐标系，在天球上，S是太阳，D1, D2为飞行器在水平面上时两组相互垂直的探测方向，D' 1和1)' 2为实际的两垂直天空光探测方向，分别沿Y"'轴和Z" /轴；X" /轴是X"随基座转动后所得坐标轴；N'为飞行器当地(Φ，λ)的真北方向，E为正东方向，P1为在D1 ‘方向探测到的天空光光振动方向，P2为在D2’方向探测到的天空光光振动方向，TC为飞行器的真航向；忽略地球半径的影响，以地心为坐标原点，建立坐标系XYZ、X’Y’Z’、X" Y" Ζ"和X" ' Y" ' I"'，其中X轴沿正东方向，Y轴沿真北方向，Ζ、ζ'轴沿飞行器水平时立轴朝上方向；Χ、Χ’、Χ"轴沿飞行器水平右翼方向Y'轴沿飞行器的机首方向；Y"轴沿D1方向，Ζ"轴沿D2方向，Y"，轴沿D' i方向，Ζ"，轴沿D' 2方向； 2)对两垂直方向的天空光光振动方向进行实时观测，并记录观测时刻；在偏振片上固定带有标定指针的旋转架，以便旋转偏振片和做水平面参考，偏振片和旋转架的作用是产生三个不同方向的起偏角，通过对这三个不同方向的起偏角的光强的测量，便可得到这一方向的偏振光的振动方向。
4.如权利要求3所述的飞行器三维定姿方法，其特征在于，步骤2包括 1)将两相互垂直的两探测方向所测得的偏振光振动方向变换到X"Y" Z"中； 当俯仰角为X和翻滚角为Ψ时，可由下面过渡矩阵进行变换，变换到X" Y" Z"坐标系;
5.如权利要求4所述的飞行器三维定姿方法，其特征在于，步骤3包括 I)先将记录的时刻转换为世界时；设所记录的时间为北京时间，而北京时间处于东八区，所以Te (世界时)=T (北京时间)_8h; 2 )先按整点时刻查表，然后利用附表中的时角，赤纬内插表求分钟、秒钟的内插值；时角=整点时刻值+分秒内插值+时角超差；赤纬=整点时刻值+分秒内插值+赤纬差数；赤纬内插值得正负和赤纬差数的正负相同； 3)建立赤道坐标系；坐标系xyz,其中X轴沿正东方向，y轴沿地轴指向北极方向，ζ轴穿过(0，λ )点； 4)通过《天文航海历》可以查得探测时刻太阳的赤纬(δ)、格林时角(t)，则在xyz坐标系中，可以表示太阳方向为
6.如权利要求5所述的飞行器三维定姿方法，其特征在于，步骤4中，由于P'和P表不同一方向，贝1J有 PXP' =0(14)
7.如权利要求6所述的飞行器三维定姿方法，其特征在于，步骤5中，联立(6)(7) (8)(9) (11) (12) (13) (14)式即可求得飞行器的三维姿态翻滚角￥，俯仰角X和偏航角TC。
全文摘要
本发明提供了一种飞行器三维定姿系统及方法，包括观测模块，利用天空散射光偏振特性测量系统实时的、自动的测量两相互垂直方向的天空光的光振动方向；模型建立模块，模型建立模块与所述观测模块相连，在计算机中建立飞行器的本体坐标系，赤道坐标系；数据查询模块，数据查询模块与观测模块相连，用于获得观测时刻太阳的赤纬和格林时角；数据处理模块，数据处理模块与观测模块、模型建立模块、数据查询模块相连，用于对观测模块和数据查询模块所获得的数据在所建立的模型坐标系中进行变换加工；姿态求解模块，姿态求解模块与数据处理模块相连，利用数据处理模块传输出的数据建立方程组，求解并输出结果。
文档编号G01C21/20GK103017768SQ20121048914
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者李建勋, 剌博, 陈丹 申请人:西安理工大学