[发明专利]基于大气偏振模式空间特征的三维姿态获取方法

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。

主权项

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OXYZ，以地面观测位置为原点O，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上任意一点的高度角为θ、方位角为所述方位角是以正北方向为0，正北往东为正值；太阳位置表示为θ_S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来表示；b、对大气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2×m×(n+1)个采样点，m、n为正整数，n不小于2，采样点阵列记作矩阵T，T=t11t12...t12(n+1)t21t22...t22(n+1)............tm1tm2...tm2(n+1)---(1)]]>采样点t_ij在所述三维空间坐标系OXYZ中的坐标记作采样点t_i1，t_i2...t_i2(n+1)沿Z轴向O点看去顺时针方向分布在所述半球面M的同一条纬线上，1≤i≤m且i为正整数，采样点t_1j，t_2j...t_mj分布在所述半球面M的同一条经线上，1≤j≤2(n+1)且j为正整数；以各采样点的采样值组成大气偏振模式采样响应矩阵R，r_ij表示采样点t_ij的采样值，R=r11r12...r12(n+1)r21r22...r22(n+1)............rm1rm2...rm2(n+1)---(2)]]>在大气偏振模式采样响应矩阵R＝{r_ij}中，分别用R_p表示采样响应矩阵的偏振度分布矩阵，R_χ表示采样响应矩阵的E-矢量分布矩阵，即：R=Rprij=pijRχrij=χij---(3)]]>c、实测获得起始r₀时刻下的大气偏振模式采样响应矩阵R_t0，r₀时刻下采样点的响应值为r_0ij，导航载体在三维空间坐标系OXYZ中的空间位置用坐标表示，根据大气偏振模式的空间分布特性，从实测大气偏振模式采样响应矩阵R_t0中提取空间显著特征点P_t0；经Δt时间后，再次实测获得t₁时刻下的大气偏振模式采样响应矩阵R_t1，t₁时刻下采样点的响应值为r_1ij，导航载体在三维空间坐标系中的空间位置用坐标表示，并从实测大气偏振模式采样响应矩阵R_t1中提取空间显著特征点P_t1；t₁＝t₀+Δt    (4)d、通过空间显著特征点P_t0与P_t1之间的空间坐标转换关系，求解映射矩阵C，获得导航载体t₁时刻相对t₀时刻的三维空间姿态角变化值(α，β，γ)，其中α、β、γ分别表示t₁时刻相对t₀时刻导航载体横滚角、俯仰角及旋转角的变化值；P_t1≈CP_t0(5)利用公式(6)进行全局寻优，寻找使P_t1与CP_t0两者差值最小的导航载体三维空间姿态角变化值(α，β，γ)，(α，β，γ)＝argmin∑|P_t1(t_ij)-CP_t0(t_ij)|²(6)e、已知起始t₀时刻导航载体三维空间姿态用(α₀，β₀，γ₀)表示，其中α₀、β₀、γ₀分别表示t₀时刻导航载体横滚角、俯仰角及旋转角的值，假设t₁时刻导航载体三维空间姿态用(α₁，β₁，γ₁)表示，其中α₁、β₁、γ₁分别表示t₁时刻导航载体横滚角、俯仰角及旋转角的值；导航载体t₀时刻到t₁时刻的三维空间姿态角变化值(α，β，γ)与已知的起始t₀时刻导航载体三维空间姿态(α₀，β₀，γ₀)作和，得到t₁时刻导航载体三维空间姿态(α₁，β₁，γ₁)，α₁＝α₀+α(7)β₁＝β₀+β(8)γ₁＝γ₀+γ(9)。