专利名称：利用天空偏振模式分布规律计算导航方向角的方法
技术领域：
本发明属于智能信息获取与处理，以及仿生导航技术领域，是一种基于自然偏振 特性的仿生偏振光导航方法，特别涉及一种根据天空中偏振模式信息有限点的采样结果， 确定太阳子午线位置，进而计算导航方位角信息的方法。
背景技术：
导航无论是在军事还是民用领域，都有着极为广泛的应用，随着科技进步与社会 发展，出现了越来越多的导航方式，其中，仿生偏振光导航就是其中的一种重要方法，它是 自然界中生物体常用的自主导航方式之一。目前，越来越多的人们开始研究偏振光导航， 瑞士苏黎世大学的R. Wehner教授及其团队一直致力于生物利用天空偏振信息导航机理的 研究，国内许多学者近年来也在开展利用偏振光的仿生导航研究及对天空偏振光学特性的 研究，但是对偏振光导航的研究大多数集中在发现并解释生物利用偏振光导航的现象和原 理，关于偏振光导航方法应用的研究却相对较少。太阳光是一种无偏振的自然光，但是在大气传输过程中，与大气中的粒子发生散 射或反射，如02、队、水滴和尘埃等，便会产生偏振光。具有不同偏振方向、不同偏振强度的 太阳光，便形成了特定的蕴含丰富导航信息天空偏振模式。天空偏振模式和地理位置、太阳 位置、大气环境、天气情况，甚至和地面环境有着密切的联系，其规律非常复杂。天空偏振模 式信息主要包括偏振度、偏振化方向等参数信息，其中蕴含了重要的导航信息。沙蚁等生物可以利用天空偏振模式信息进行导航，由于天空偏振模式分布在某一 时刻和地点是相对稳定的，沙蚁等生物利用特殊复眼结构所具有的偏振敏感性提取天空偏 振模式，得到自身体轴与太阳子午线的夹角，同时，某一时刻和地点的太阳方位角可以由当 地的经纬度和时间这两个参数求出，根据太阳的方位角和体轴与太阳子午线夹角就能确定 体轴与地理南北方向的夹角，即导航所需的方向角信息，再结合此时运动的速度，根据路径 积分的原理即可完成导航定位的任务。在偏振光导航过程中一个重要的研究问题就是沙蚁如何通过感知天空偏振模式 来获得太阳子午线位置。在实际自然条件下，沙蚁并不需要看见太阳在空中的位置就能通 过天空偏振模式导航，对天空偏振光的检测也不是基于精确提取偏振光的偏振方向，而是 基于整个天空的偏振模式，其中由天空偏振模式转化为导航方向信息涉及到复杂的神经及 信号处理过程。那么在仿生偏振光导航中如何根据天空偏振模式获得太阳子午线的位置， 进而获得导航的方向角信息。在现有的仿生偏振光导航方法理论中，获得导航方向角信息主要是通过偏振光获 取装置采集到局部天空偏振信息，以局部天空偏振信息为参考基准，计算导航方向信息。但 是在长时间导航中，随着时间和观测区域的变化，观测区域内的天空偏振信息在不断发生 变化，而且这种局部天空偏振信息的变化是没有规律可以遵循的，即作为计算导航方向信 息的基准发生无规律的变化；并且在采集区域受遮挡或噪声污染时，所得导航方向信息就 是完全错误的。因此仅仅依靠局部天空偏振信息是很难获得准确有效的导航信息的。
发明内容
本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种利用天空偏振模式 分布规律计算导航方向角的方法，根据天空中偏振模式信息有限点的采样结果，确定太阳 子午线位置，进而提供导航方位角信息的方法，以满足对于利用天空偏振模式进行导航时 准确可靠有效性等要求。
进行:
本发明解决技术问题采用如下技术方案本发明利用天空偏振模式分布规律计算导航方向角的方法的特点是按如下过程a、建立描述理论天空偏振模型的三维空间坐标系OXYZ以地理正北方向为X轴，以地理正东方向为Y轴，以过天顶的垂线为Z轴，以地面 观测者所在位置为原点0，建立三维空间坐标系OXYZ ；在所述三维空间坐标系OXYZ中，从原 点O出发的所有方向上的偏振信息，在原点0为球心、半径为r的半球面M上描述，r为常 数，将所述三维空间坐标系OXYZ的X轴与Y轴所在的坐标平面记为平面XY ；定义半球面M 上任意一点炒及妁和原点0之间的连线h与Z轴的夹角为t点的高度角Θ，高度角θ的 取值范围是，90° ]；连线h在平面XY上的投影与X轴的夹角为t点的方位角识，方位 角识的取值范围是，360° ]；设定处在平面XY中过原点的两条直线之间的夹角是以自 天顶沿Z轴向0点看去的顺时针方向为正向夹角，所述正向夹角的取值不大于360° ；导航 方向用观测者朝向表征，地理正北方向到观测者朝向的正向夹角为观测者方位角礼；b、利用观测的时刻和地面观测者所在位置的经纬度确定当前时刻的太阳子午线 位置，当前时刻太阳位置和地面观测者位置的连线与半球面M的交点为点Mr,代，θ s为 点s的高度角，％为点s的方位角；三维空间坐标系OXYZ中Z轴与所述半球面M的交点记作 点z，半球面M上连接点ζ与点s的半圆弧线为太阳子午线，太阳子午线在三维空间坐标系 OXYZ中的位置以方位角％来表征，地理正北方向到太阳子午线在所述平面XY上的投影OS 的正向夹角为巧；观测者朝向到太阳子午线在所述平面XY上投影OS的正向夹角记作δ， δ的取值范围是W。，180° ]；C、对天空偏振模式中若干点的偏振信息进行采样，在所述半球面M上分布 2XmX (n+1)个采样点，m、n为正整数，η彡2，采样点阵列记作矩阵Τ，
权利要求
1. 一种利用天空偏振模式分布规律计算导航方向角的方法，其特征是按如下过程进行a、建立描述理论天空偏振模式的三维空间坐标系OXYZ以地理正北方向为X轴，以地理正东方向为Y轴，以过天顶的垂线为Z轴，以地面观测 者所在位置为原点0，建立三维空间坐标系OXYZ ；在所述三维空间坐标系OXYZ中，从原点0 出发的所有方向上的偏振信息，在原点0为球心、半径为r的半球面M上描述，r为常数，将 所述三维空间坐标系OXYZ的X轴与Y轴所在的坐标平面记为平面XY ；定义半球面M上任 意一点炒及妁和原点0之间的连线h与Z轴的夹角为t点的高度角Θ，高度角θ的取值 范围是，90° ]；连线h在平面XY上的投影与X轴的夹角为t点的方位角<3，方位角々 的取值范围是，360° ]；设定处在平面XY中过原点的两条直线之间的夹角是以自天顶 沿Z轴向0点看去的顺时针方向为正向夹角，所述正向夹角的取值不大于360° ；导航方向 用观测者朝向表征，地理正北方向到观测者朝向的正向夹角为观测者方位角b、利用观测的时刻和地面观测者所在位置的经纬度确定当前时刻的太阳子午线位置， 当前时刻太阳位置和地面观测者位置的连线与半球面M的交点为点呛及，θ s为点s 的高度角，％为点s的方位角；三维空间坐标系OXYZ中Z轴与所述半球面M的交点记作 点z，半球面M上连接点ζ与点s的半圆弧线为太阳子午线，太阳子午线在三维空间坐标系 OXYZ中的位置以方位角％来表征，地理正北方向到太阳子午线在所述平面XY上的投影OS 的正向夹角为见；观测者朝向到太阳子午线在所述平面XY上投影OS的正向夹角记作δ， δ的取值范围是W。，180° ]；c、对天空偏振模式中若干点的偏振信息进行采样，在所述半球面M上分布 2XmX (n+1)个采样点，m、η为正整数，η彡2，采样点阵列记作矩阵Τ，
全文摘要
本发明涉及一种利用天空偏振模式分布规律计算导航方向角的方法，其特征是在建立描述理论天空偏振模式的三维空间坐标系基础上，将天空偏振信息在所述三维空间坐标系中，以原点为球心、半径为r的半球面M上描述；在半球面M上分布位置对称的有限个采样点，获取各采样点的偏振信息，并根据天空偏振信息分布的对称性，通过对偏振响应和的计算，确定天空偏振模式对称轴的位置，即太阳子午线所在的位置，从而确定导航中所需的方向角信息。本发明方法可以满足利用天空偏振模式导航的准确性及可靠性等要求。
文档编号G01C21/20GK102052914SQ20101054116
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者吴良海, 田柳, 范之国, 高丽娟, 高隽 申请人:合肥工业大学