一种基于大气偏振信息的太阳高度角计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于大气偏振信息的太阳高度角计算方法，可用于飞行器偏振组 合导航系统建模，将偏振度信息应用到量测方程中，简化偏振导组合航系统模型，提高系统 模型的可观测性，进而提高偏振组合导航系统对准精度和导航精度。
【背景技术】
[0002] 大气偏振现象是光的一种自然属性，偏振光广泛存在于自然环境中，大气偏振分 布模式相对稳定，其中蕴涵着丰富的导航信息。科学家发现自然界中很多生物都能够利用 偏振光进行导航，地面上的沙蚁、空中飞的蜜蜂、水底的龙虾等都是利用偏振光进行导航的 代表，相应的成果发表在Nature、Science等杂志上。
[0003] 基于偏振信息的导航方式具有自主、无源、无辐射、隐蔽性好等特点，进入21世 纪，欧美等国家为了提高无卫星导航情况下组合导航系统性能，更加注重研究和实施新型 自主导航方式，偏振导航系统技术得到了迅速发展。
[0004] 目前，偏振导航系统技术的难点是偏振导航信息的提取与应用，蚂蚁、蜜蜂等生物 利用偏振光实现二维导航，主要利用大气偏振分布的方向特性，通过感知天空偏振光的偏 振化方向判断自身体轴与太阳子午线的夹角。为了模仿生物利用大气偏振特性进行导航的 能力，国内外学者根据生物复眼结构研制出了仿生偏振导航传感器，通过测量天空中某一 点不同偏振方向的光强，解算出观测点的偏振状态信息--偏振化方向和偏振度。
[0005] 实际大气由于云层、气溶胶、水滴等大颗粒物质的存在以及地面反射现象，导致大 气偏振模式呈现出各种不理想的状态，这种非理想状态使得全空域偏振度最大值不等于1， 而这种非理想状态对于偏振化方向的影响并不明显，因此在现有的偏振导航技术中主要是 利用偏振化方向来确定载体航向，忽略了对大气偏振信息另外一个重要信息一偏振度的使 用，这种现象导致对大气偏振信息利用不充分，限制了偏振导航技术在三维导航上的应用。 大气偏振现象作为太阳光的一个重要表征，蕴含着太阳的方位信息，而太阳方位信息可用 于载体的三维导航定位，目前尚无利用大气偏振信息确定太阳高度角的报道。
【发明内容】
[0006] 本发明的技术解决问题是：克服现有偏振信息利用不充分这一缺陷，利用大气偏 振信息求取太阳高度角，用于载体三维导航定位。本发明提出了一种三偏振导航传感器组 合检测结构，合理设计三个偏振导航传感器的检测方向，建立观测点偏振度与全空域最大 偏振度d_之间的六阶多项式约束关系，实现全空域最大偏振度d_的解算，进而实现模块 坐标系下太阳高度角γ的求解，提供了一条将偏振度信息利用到载体导航的有效途径。该 方法结构简单，算法上易于实现，在偏振组合导航模型中引入偏振模块坐标系下太阳高度 角γ能够大大简化偏振组合导航模型的复杂程度，提高组合导航系统的可观测性，进而提 高组合导航系统对准精度和导航精度。
[0007] 本发明的技术解决方案为：一种基于大气偏振信息的太阳高度角计算方法，其实 现步骤如下：
[0008] (1)首先设计全天域最大偏振度dmax检测结构，该检测结构由三个偏振导航传感 器构成，实时对天空中三个观测点的偏振度及偏振化方向信息进行特征提取，其中三个偏 振导航传感器安装在同一平面内，主偏振导航传感器安装在模块坐标系z轴方向上，两个 辅助偏振导航传感器安装在主偏振导航传感器两侧，两个辅助偏振导航传感器主轴与主偏 振导航传感器主轴之间的夹角均为η ;
[0009] (2)根据⑴设计的全天域最大偏振度d_检测结构，获取天空中三个观测点的偏 振度测量值，建立三个观测点的偏振度与全空域最大偏振度d_之间的六阶多项式约束关 系，确定全空域最大偏振度d max;
[0010] (3)根据（2)得到的全空域最大偏振度d_的值，确定模块坐标系下基于大气偏振 信息的太阳高度角γ。
[0011] 所述步骤（1)首先设计全天域最大偏振度(1_检测结构，该检测结构由三个偏振 导航传感器构成，实时对天空中三个观测点的偏振度及偏振化方向信息进行特征提取，其 中三个偏振导航传感器安装在同一平面内，主偏振导航传感器安装在模块坐标系ζ轴方向 上，两个辅助偏振导航传感器安装在主偏振导航传感器两侧，两个辅助偏振导航传感器主 轴与主偏振导航传感器主轴之间的夹角均为η，具体实现如下：
[0012] 设计全天域最大偏振度dmax检测结构，该检测结构由三个偏振导航传感器构成，其 中三个偏振导航传感器安装在同一平面内，主偏振导航传感器A 1的安装平面及观测方向构 成的坐标系为模块坐标系Mxyz，M为坐标原点，xy轴所在平面为主偏振导航传感器A 1安装 平面，ζ轴正方向为主偏振导航传感器A1的观测方向，其它两个辅助偏振导航传感器A 2, A3 对称安装在主偏振导航传感器A1两侧，两个辅助偏振导航传感器主轴与主偏振导航传感器 主轴在安装平面内的夹角均为n，n e (0,90° );
[0013] 以坐标原点M为球心构造单位天球，三个偏振导航传感器的观测点在单位天球上 的投影分别为Q 1, Q2, Q3, MQ1, MQ2, MQ3分别表示三个偏振导航传感器A i，A2, A3观测方向的单 位矢量，根据全天域最大偏振度d_检测结构可知，三个偏振导航传感器的观测方向共面， 则MQ 1, MQ2, MQ# ζ轴在同一平面内，且MQ2, MQAv别位于MQi的两侧，与MQ1的夹角均为 n，n e (〇,9〇° );
[0014] 通过设计的全天域最大偏振度dmax检测结构，实时获取A P Α2, Α3Ξ个偏振导航传 感器的偏振度测量值，分别用山，d2, d3表示；
[0015] 所述步骤⑵根据⑴设计的全天域最大偏振度d_检测结构，获取天空中三个 观测点的偏振度测量值，建立三个观测点的偏振度与全空域最大偏振度d_之间的六阶多 项式约束关系，确定全空域最大偏振度d_，具体实现如下：
[0016] 基于瑞利散射理论观测点偏振度与偏振观测角有如下关系：
[0017]
[0018] 其中，dn为第η个偏振导航传感器所测观测点偏振度，
，I为三个观 测点偏振度的最大值，Θ "第η个偏振导航传感器观测方向与太阳矢量MS的夹角，S为太阳 在单位天球上的投影，MS为模块坐标系下的太阳方向单位矢量，0ne [0, π ]，η e {1，2， 3}；
[0019] 三个偏振导航传感器A1, A2, A3的观测方向MQ p MQ2, MQ3与太阳矢量MS的夹角分 别为θ1; θ2, θ3，根据瑞利散射理论，则有：
[0020]
[0021] 其中，Θ i为主偏振导航传感器A 3见测方向MQ 1与MS的夹角，Θ 2为第二个偏振导 航传感器^观测方向MQ 2与MS的夹角，Θ 3为第三个偏振导航传感器A 3观测方向MQ 3与MS 的夹角；
[0022] 根据步骤（1)设计的全天域最大偏振度(1_检测结构，主偏振导航传感器A i观测 方向MQ1与模块坐标系z轴重合，因此有如下等式成立：
[0023] Θ j+γ = Ji /2
[0024] 其中，用γ为模块坐标系下太阳高度角；
[0025] 在球面三角形Λ Q2Q1S和Λ Q3Q1S中利用球面三角形余弦定理可得：
[0026] cos Θ 2= cos Θ jcos η +sin Θ jsin η cos Z SQ1Q2
[0027] cos Θ 3= cos Θ jcos η +sin Θ jsin η cos Z SQ1Q3
[0028] 根据步骤（I)设计的全天域最大偏振度dmax检测结构，MQ ^!^(^，!^(^在同一平面内， 则Z SQ1Q2+ Z SQ1Q3= π，Θ Θ 2, Θ 3之间的关系可表示为：
[0029] cos Θ 2+cos Θ 3= 2cos η cos Θ i
[0030] 令a = 2cos n，全天域最大偏振度d_检测结构中三个偏振导航传感器之间的相 对安装位置，以及三个观测点偏振度与偏振观测角关系，建立三个观测点的偏振度与全空 域最大偏振度d_之间的六阶多项式约束关系，在实数区间内方程存在唯一解；
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 所述步骤（3)中的根据（2)得到的全空域最大偏振度d_的值，确定模块坐标系 下基于大气偏振信息的太阳高度角γ，具体实现如下：
[0043] 根据步骤（2)得到的全空域最大偏振度d_，得到主偏振导航传感器心偏振观测 角0 i为：
[0044]
[0045]
[0046] 其中，土表示Θ 1可能小于π /2也可能大于π /2, +或-的选择可由外界附加光 强传感器来进行判断。
[0047] 根据步骤（1)主偏振导航传感器A1的安装方式以及步骤（2)太阳高度角γ与散 射角S 1之间的关系，得到模块坐标系下太阳高度角γ为：
[0048] γ = Ji /2- Θ j
[0049] 本发明的原理是：基于瑞利散射理论大气偏振分布模式具有一定的对称性，全空 域偏振化方向与偏振度分布在某一时刻某一地理位置的分布特性是固定的，偏振导航传感 器能够实现天空中某一点的偏振信息测量，但由于大气偏振度分布特性为非理想状态，某 一点偏振度信息无法充分用于偏振导航系统中。本发明针对偏振信息无法充分利用与偏振 导航系统中，提出一种利用大气偏振信息求取太阳高度角方法，将偏振信息利用达到最大 化。首先，构建了一种三传感器偏振检测结构，合理设计三个偏振导航传感器的安装方向； 然后，基于瑞利散射理论和球面三角形余弦定理，构造出三个观测点偏振度信息与全空域 最大偏振度之间的联系；最后，通过求解多元非线性方程组获得偏振模块坐标系下太阳高 度角γ。
[0050] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0051] (1)本发明设计了三传感器全空域最大偏振度(1_检测结构，通过合理的设计三 个偏振导航传感器的安装方向，建立三个观测点的偏振度与全空域最大偏振度Cl max之间的 六阶多项式约束关系，降低求解全空域最大偏振度d_的难度，与传统的通过全空域偏振成 像方法求(1_相比结构、成本、算法复杂度降低，同时增加了系统冗余度。根据全空域最大 偏振度d_的值，求取太阳高度角，用于载体的三维导航定位。
【附图说明】
[0052] 图1为本发明的设计流程图；
[0053] 图2为本发明涉及三偏振导航传感器检测结构示意图；
[0054] 图3为本发明涉及的偏振模块坐标系下太阳高度角γ及偏振观测角Θ示意图。
【具体实施方式