[发明专利]一种基于概率密度函数估计的夜间偏振航向计算方法

说明书

本发明涉及一种基于概率密度函数估计的夜间偏振航向计算方法。首先利用安装于载体坐标系b系的偏振传感器测量当前状态下天空偏振模式，计算偏振角信息，结合预测月亮方位与0°偏振片初始位置得到偏振角误差图像；利用概率密度函数对偏振角误差数据进行估计，求解当前状态下自由度v的估计值遍历取值集合，然后根据所定义目标函数，估计当前对应的预测月亮方位最优值；遍历取值集合，设计目标函数对进行估计，最终得到的全局最优值；根据载体坐标系b系与导航坐标系n系之间的关系，结合天文年历，计算出载体在导航坐标系n系下的航向角信息。

技术领域

本发明涉及一种基于概率密度函数估计的夜间偏振航向计算方法，可用于地面机器人在夜间弱光环境中，GPS干扰条件下的航向信息获取，提高载体的生存能力。

背景技术

偏振光导航是近年来兴起的一种从仿生学发展起来的自主导航方式，它在存在电磁干扰的环境中，GPS信号可能失效的情况下，仍然能够保持可靠的导航性能，作为一种可靠的辅助导航系统具有重要的仿生意义和工程意义。但现有偏振光导航的应用主要集中于在白天的偏振模式中提取导航信息，而夜间存在环境光线较暗，城市杂光干扰，月相改变引起偏振模式变化等问题，使得针对夜间天空偏振模式的导航信息提取相比于白天更加复杂，但目前针对夜间偏振导航的研究较少，因此，设计适用于夜间陌生环境，抗干扰能力强的导航信息提取方法至关重要。

仿照沙蚁等动物行为，日间的偏振光导航已经被成功应用于初始对准、姿态获取、位置确定等多个研究方向，偏振光的日间导航能力已经得到了广泛的认可。有研究发现，蜣螂可以在夜间月光产生的天空偏振模式下，利用这一罗盘信息进行定向，这说明，与日间相似，月光产生的偏振模式也可以用于导航。现有利用天空偏振信息进行定向的方法只针对白天环境，如已授权专利CN201510324153.6《一种基于偏振罗盘的载体航向角计算方法》，论文《仿生偏振光定向算法及误差分析》，论文《基于大气偏振光特性辅助定向的自主导航方法》都只能在白天环境下通过太阳产生的大气偏振模式结合太阳年历使用，无法在夜间环境下利用月光产生的大气偏振模式实现航向确定。

发明内容

为了解决现有技术的不足，克服现有偏振导航技术只能在白天基于太阳光的大气偏振分布模式中应用的缺点，从导航信息提取的高精度、可靠性和全天候角度考虑，本发明提出了一种基于概率密度函数估计的夜间偏振航向计算方法，提高载体导航系统在夜间导航的精度与抗干扰能力。本发明的方法适用于地面移动机器人的自主导航，可在电磁干扰环境中持续为系统提供航向信息参考，增强系统抗干扰性，提高组合导航系统的生存能力。

本发明的技术解决方案为：一种基于概率密度函数估计的夜间偏振航向计算方法，包括如下步骤：

步骤1、利用安装于载体坐标系b系的偏振传感器测量当前状态下天空偏振模式，根据偏振传感器所测得的数据，计算当前状态下的偏振角信息，结合预测月亮方位与0°偏振片初始位置得到偏振角误差图像；

步骤2、利用概率密度函数对偏振角误差数据进行估计，求解当前状态下待求参数v的估计值其中v表示自由度，获得偏振角误差数据对应的估计参数，遍历预测月亮方位取值集合，重复步骤1，通过所定义目标函数，估计当前对应的月亮方位最优值；

步骤3、遍历取值集合，重复步骤2过程，设计目标函数对进行估计，以补偿当前月亮方位计算结果，得到的全局最优值；

步骤4、根据载体坐标系b系与导航坐标系n系之间的关系，结合天文年历，计算出载体在导航坐标系n系下的航向角信息。

进一步的，所述步骤(1)，安装于载体坐标系b系的偏振传感器测量得到光强图像信息，由这些光强信息得到入射光的偏振角表示为：

其中，Q_in,U_in代表两个不同方向上的入射线偏振光分量，α为偏振传感器参考方向与观测点子午线方向的夹角，为0°偏振片初始位置，是相对于偏振传感器参考方向的角度值，则偏振角误差表示为：