专利名称：基于大气偏振模式空间特征的三维姿态获取方法
技术领域：
本发明涉及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三维姿态获取方法，特别涉及一种利用大气偏振模式信息若干特征点进行三维姿态测量，从而进行三维空间导航与定位的方法。
背景技术：
导航技术无论是在民用还是军事领域，都有着极为广泛的应用。随着科学技术的进步和导航技术研究的发展，基于地球自然属性的导航方法因其抗干扰能力较强，不易受到人为因素影响的特点得到了广泛的关注。仿生偏振光导航方法是一种基于地球大气稳定偏振态分布属性的自主导航方法，瑞士苏黎世大学的R. Wehner教授及其团队自上世纪60 年代开始就一直致力于沙蚁等生物利用偏振光导航的行为和机理方面的探索，近年来这种新型的导航方法成为了国内的研究热点，许多学者和研究机构对其展开了深入的研究，但是在现有的研究中，都是面向于二维平面的导航方法，没有对三维姿态的获取进行研究。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、N2、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大气偏振模式。大气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，其中主要包括偏振度、偏振化方向、天顶点位置和中性点位置等参数信息，蕴含了重要的导航和三维空间信息。大气偏振模式分布在某一时刻和地点是相对稳定，利用大气偏振光信息获取装置可以提取大气偏振模式的偏振角与偏振度信息，计算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，即导航所需的航向角信息，根据路径积分的原理即可完成导航与定位。在现有的仿生偏振光导航方法理论中，都是针对二维平面的方向信息获取，研究都是以假定导航载体始终保持水平为前提条件进行偏振信息的检测和方向的获取，而在实际导航行为过程中，方向信息的获取并不完全局限于二维平面，大多数情况下，导航载体都是处于非水平状态，需要为载体的导航提供三维空间信息，但是目前没有针对利用大气偏振模式信息进行三维姿态测量的相关研究。
发明内容
本发明是针对上述技术存在的不足之处，提供一种利用大气偏振模式信息若干特征点进行三维姿态测量的基于大气偏振模式空间特征的三维姿态获取方法，根据天空中偏振模式信息有限点的采样结果，提取大气偏振模式特征点，通过对此特征点的三维姿态角动态测量方程的求解，实现三维姿态角的获取，从而实现三维空间中的偏振光导航与定位。本发明为解决技术问题采用如下技术方案本发明基于大气偏振模式空间特征的三维姿态获取方法的特点是按如下过程进
a、建立描述理论大气偏振模式的三维空间坐标系0ΧΥΖ，以地面观测位置为原点 0，地理正北方向为X轴，地理正东方向为Y轴，过天顶点Z的垂线为Z轴，从原点O出发的所有方向上的偏振信息，在以地面观测位置为球心，半径为r的半球面M上描述；半球面M 上任意一点妁的高度角为Θ、方位角为炉，所述方位角炉是以正北方向为0，正北往东为正值；太阳位置表示为^/,&,%)，9S表示太阳高度角，％表示太阳方位角，太阳子午线在三维空间坐标系OXYZ中的位置以太阳方位角A来表示；b、对大气偏振模式中若干点的偏振信息进行米样，在所述半球面M上分布 2XmX (η+1)个采样点，m、n为正整数，η不小于2，采样点阵列记作矩阵Τ，
权利要求
1.一种基于大气偏振模式空间特征的三维姿态获取方法，其特征是按照如下过程进行a、建立描述理论大气偏振模式的三维空间坐标系0ΧΥΖ，以地面观测位置为原点0，地理正北方向为X轴，地理正东方向为Y轴，过天顶点z的垂线为Z轴，从原点O出发的所有方向上的偏振信息，在以地面观测位置为球心，半径为r的半球面M上描述；半球面M上任意一点妁的高度角为Θ、方位角为炉，所述方位角炉是以正北方向为0，正北往东为正值；太阳位置表示为^/, ,，Qs表示太阳高度角，％表示太阳方位角，太阳子午线在三维空间坐标系OXYZ中的位置以太阳方位角A来表示；b、对大气偏振模式中若干点的偏振信息进行米样，在所述半球面M上分布 2XmX (η+1)个采样点，m、n为正整数，η不小于2，采样点阵列记作矩阵Τ，
2.根据权利要求I中所述的基于大气偏振模式空间特征的三维姿态获取方法，其特征所述步骤c中从大气偏振模式采样响应矩阵中提取空间显著特征点的方法是按如下步骤进行选取大气偏振模式的天顶点ζ为所述大气偏振模式的空间显著特征点Ptl，通过隐函数对称性检测和主元分析的方法对采样响应矩阵R进行对称性检测，得到两条对称线太阳子午线和太阳子午线顶垂线的交点即天顶点ζ ；或选取中性点N作为空间显著特征点Ptl，通过遍历方法从大气偏振模式采样响应矩阵 R的偏振度分布矩阵Rp中提取O矩阵，得到此O矩阵的重心即为中性点N。
3.根据权利要求I中所述的基于大气偏振模式空间特征的三维姿态获取方法，其特征是所述步骤d中空间坐标转换关系的映射矩阵C的求解按如下过程进行假设h时刻导航载体自身的坐标系为O系，时刻导航载体自身的坐标系为r系；O系绕自身OX轴的正向转过a角得到a系的坐标变换为
全文摘要
本发明涉及一种基于大气偏振模式空间特征的三维姿态获取方法，其特征是利用大气偏振模式的分布规律对三维空间姿态进行获取，在建立大气偏振模式三维空间坐标系和导航载体坐标系的基础上，获得大气偏振模式空间显著特征点的空间信息，通过测量空间显著特征点的空间位置变化，求解导航载体的三维姿态角动态测量方程实现导航载体的三维姿态信息获取。本发明提供了一种导航载体的三维姿态获取方法，应用于三维偏振光导航与定位。
文档编号G01C21/02GK102589544SQ20121000564
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者王子谦, 王昕 , 王波, 田柳, 范之国, 高丽娟, 高隽 申请人:合肥工业大学