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1、(10)申请公布号 CN 103913167 A (43)申请公布日 2014.07.09 CN 103913167 A (21)申请号 201410143392.7 (22)申请日 2014.04.11 G01C 21/02(2006.01) (71)申请人 中北大学 地址 030051 山西省太原市学院路 3 号 (72)发明人 刘俊 唐军 任建斌 石云波 李杰 张晓明 王飞 张楠 (74)专利代理机构 太原科卫专利事务所 ( 普通 合伙 ) 14100 代理人 朱源 (54) 发明名称 利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空 间姿态的方法 (57) 摘要 利用自然光偏振模式确定大气层内飞。
2、行器空 间姿态的方法。 本发明涉及导航技术， 具体为一种 利用大气偏振光的三维定姿方法。该方法是采用 如下步骤实现的 ：（1） 利用球面传感器阵列在线 实时采集大气偏振模式 ；（2） 将所采集的大气偏 振模式作为三维定姿模型的原始数据， 利用数据 分析求出太阳子午线与体轴夹角及太阳投影点在 体坐标系下位置坐标 ；（3） 利用子午线与体轴夹 角确定偏航角 ；（4） 利用姿态解算公式求俯仰角 及滚转角。 本发明设计合理， 采用大气偏振模式进 行三维定姿， 提供了一种很好的技术手段， 具有完 全自主特性， 通过实时对大气偏振模式分布的检 测， 就可以解算出自身的三维姿态， 简单可行没有 累计误差， 。
3、同时偏振信息存在于大气层内的可见 光中， 很难被人为的大面积干扰和破坏。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103913167 A CN 103913167 A 1/1 页 2 1. 一种利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法， 其特征在于 ： 包括 如下步骤 ： （1） 、 建立体坐标系， 以飞行器的质心为原点 Ob， Xb轴位于飞行器对称面内、 平行于机身 轴线， 向前为正 ； Yb轴垂直于飞行器对称面， 向右为正 。
4、； Zb轴位于飞行器对称平面内， 向下为 正 ； 建立参考坐标系， 原点 O位于地面上某一点， X轴指向正北方向， Y轴指向正东方 向， Z轴铅直向下 ； 以 XOY平面为参考水平面 ； 将仿生复眼球面传感器阵列安装在飞行器的质心处， 即原点 Ob； （2） 、 确定偏航角 将原点 Ob和 O重合后， 利用仿生复眼球面传感器阵列实时采集各个方向上的太阳光 E- 矢量信息与偏振度信息， 并确定检测到水平方向的 E- 矢量的小眼阵列及其在球面上的 几何位置， 那么检测到水平方向的 E- 矢量的小眼阵列在参考水平面上的投影， 即太阳子午 线在参考水平面上的投影 CD ； 同时仿生复眼球面传感器阵列测。
5、量确定 CD 与 Xb纵轴在参考 水平面上的投影 Xb的夹角 此时， 由太阳历理论计算得出在参考水平面上 CD 与 X轴的夹角 偏航角 由公式 （1） 确定 ： （3） 、 确定太阳位置 参考坐标系下， 太阳位置 Sa=(xa ya za)T， 由太阳历理论确定 ； 体坐标系下， 太阳位置 Sb=(xb yb zb)T， 由仿生复眼球面传感器阵列检测到的偏振信息 确定， 即寻找满足下列三个条件的点 ： a) 光强最大 ； b） 偏振度为零 ； c） E- 矢量方向水平 ； （4） 、 确定俯仰角 和滚转角 俯仰角 由公式 （2） 确定 ： 滚转角 由公式 （3） 确定 ： 其中中间变量 u 由。
6、公式 （4） 确定 ： u=xcsin-yccos（4） 参数 xc、 yc和 zc由公式 （5） 确定 ： 即解算出偏航角 、 俯仰角 和滚转角 ， 完成飞行器在空间的三维姿态确定。 权 利 要 求 书 CN 103913167 A 2 1/4 页 3 利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法 技术领域 0001 本发明涉及飞行器空间姿态自主测量方法， 具体是一种利用大气自然光的偏振模 式确定大气层内运动载体 （飞行器） 的空间姿态信息的方法。 背景技术 0002 目前， 模仿昆虫利用大气偏振模式进行的仿生导航研究被认为是一种极具前景的 新方向， 可为时下重点研究的微型飞行器提供导。
7、航新方法。大气偏振模式是太阳光进入大 气层后与空气分子离子散射形成的一种具有稳定分布的形式， 是地球的自然属性， 其中所 蕴含的方向信息可为昆虫提供航向信息， 具有纯自主， 不易受到外部干扰的特点。 0003 研究表明， 复眼中对偏振光敏感的小眼集中在成扇形分布背部边缘区， 朝向天空 各个方向上的小眼可检测到天空大片区域的偏振模式。 昆虫利用所检测到的该区域的偏振 信息感知太阳子午线与昆虫体轴的夹角来确定航向。对飞行昆虫， 实现三维导航不仅要解 决航向问题， 还要解决飞行中的姿态问题。 仿生行为学实验表明， 利用大气偏振模式信息进 行三维导航的方法是可行的。爬行昆虫利用偏振光和里程计定位， 而。
8、飞行昆虫利用偏振光 和光流感知来定位。 0004 大气偏振模式的分布规律 ： 太阳辐射出的光线经过大气层的散射， 到达地球表面 的光线成了自然光和线偏振光的叠加， 形成了具有稳定分布的偏振态。由于稳定分布的偏 振态是针对整个太阳光的辐射光谱， 其分布具有不易受电磁 / 人为干扰、 全天候的特点， 且 分布沿着整个地球的表面， 其大气偏振态特征矢量信息与太阳间的相对位置具有极强的规 律性， 可为偏振光检测提供一个全球范围内可靠的信息载体。 经过研究发现， 任意观测位置 下的大气存在一种相对稳定的偏振模式， 其表现为两条稳定分布的对称线， 一条是太阳子 午线以及逆太阳子午线SM-ASM， 大气偏振。
9、模式的偏振度关于SM-ASM对称分布， E-矢量关于 SM-ASM 逆对称分布 ； 另一条是与太阳角距为 90的最大偏振线， 大气偏振模式关于最大偏 振线对称， 在偏振线所在的位置， 偏振度最大， 距离对称线越远， 偏振度越小。 0005 目前， 对于大气层内的运动载体， 尤其是无人自主移动平台如无人机、 机器人等， 其导航过程中， 三维姿态的测量极为关键。传统的惯导存在积累误差的缺陷， 而 GPS 需要大 量卫星支持， 易受到外部电磁波干扰。 发明内容 0006 本发明为了解决现有的针对空间运行体的导航方法存在的上述问题， 提供了一种 利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器三维姿态的方法。 0。
10、007 本发明是采用如下技术方案实现的 ： 0008 一种利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法， 包括如下步骤 ： 0009 （1） 、 建立体坐标系， 以飞行器的质心为原点 Ob， Xb轴 （纵轴） 位于飞行器对称面内、 平行于机身轴线， 向前为正 （即指向机头方向为正） ； Yb轴 （横轴） 垂直于飞行器对称面， 向右 为正 ； Zb轴 （竖轴） 位于飞行器对称平面内， 向下为正 ； 说 明 书 CN 103913167 A 3 2/4 页 4 0010 建立参考坐标系， 原点 O位于地面上某一点， X轴指向正北方向， Y轴指向正东 方向， X轴铅直向下 ； 以 XOY平面为。
11、参考水平面 ； 0011 将仿生复眼球面传感器阵列安装在飞行器的质心处， 即原点 Ob。 0012 （2） 、 确定偏航角 0013 飞行器三维姿态的确定与飞行器的质心位置无关， 将原点 Ob和 O重合后， 利用仿 生复眼球面传感器阵列实时采集各个方向上的太阳光 E- 矢量信息与偏振度信息， 并确定 检测到水平方向的 E- 矢量的小眼阵列及其在球面上的几何位置， 这些水平方向的 E- 矢量 的小眼阵列在参考水平面上的投影， 即太阳子午线在参考水平面上的投影 CD ； 同时仿生复 眼球面传感器阵列测量确定 CD 与 Xb纵轴在参考水平面上的投影 Xb的夹角 0014 此时， 由太阳历理论计算得出。
12、在参考水平面上 CD 与 X轴的夹角 0015 偏航角 由公式 （1） 确定 ： 0016 0017 （3） 、 确定太阳位置 0018 参考坐标系下， 太阳位置 Sa=(xa ya za)T， 由太阳历理论确定 ； 0019 体坐标系下， 太阳位置 Sb=(xb yb zb)T， 由仿生复眼球面传感器阵列检测到的偏振 信息确定， 即寻找满足下列三个条件的点 ： a) 光强最大 ； b） 偏振度为零 ； c） E- 矢量方向水 平。 0020 （4） 、 确定俯仰角 和滚转角 0021 俯仰角 由公式 （2） 确定 ： 0022 0023 滚转角 由公式 （3） 确定 ： 0024 0025 。
13、其中中间变量 u 由公式 （4） 确定 ： 0026 u=xcsin-yccos（4） 0027 参数 xc、 yc和 zc由公式 （5） 确定 ： 0028 0029 即解算出偏航角 、 俯仰角 和滚转角 ， 完成飞行器在空间的三维姿态确定。 0030 上述方法利用大气偏振模式所蕴含的方向信息， 为飞行器的飞行姿态提供参考， 其工作原理是 ： 利用仿生复眼传感器阵列实时采集各个方向上的 E- 矢量信息， 确定检测水 平方向的 E- 矢量的小眼阵列及其在球面上的几何位置 ； 然后根据检测到太阳子午线的小 眼阵列在参考水平面上的投影与 Xb纵轴 （平行于飞行器的体轴） 在参考水平面上的投影的 夹。
14、角， 进而确定偏航角 ； 最后利用公式 （2） 、（3） 、（4） 、（5） 分别计算出俯仰角和滚转角。 0031 本发明设计合理， 利用太阳子午线与 Xb纵轴确定偏航角， 利用飞行器所携带的偏 振光检测阵列检测到的当前模式与水平状态下的偏振模式进行匹配， 解算出俯仰角与横滚 说 明 书 CN 103913167 A 4 3/4 页 5 角。采用大气偏振模式进行三维定姿， 提供了一种很好的技术手段， 具有完全自主特性， 通 过实时对大气偏振模式分布的检测， 就可以解算出自身的三维姿态， 简单可行， 没有累计误 差， 同时偏振信息存在于大气层内的可见光中， 很难被人为的大面积干扰和破坏。 附图说。
15、明 0032 图 1 是具有偏航角的示意图。 具体实施方式 0033 下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。 0034 一种利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法， 包括如下步骤 ： 0035 （1） 、 建立体坐标系， 以飞行器的质心为原点 Ob， Xb轴 （纵轴） 位于飞行器对称面内、 平行于机身轴线， 向前为正 ； Yb轴 （横轴） 垂直于飞行器对称面， 向右为正 ； Zb轴 （竖轴） 位于 飞行器对称平面内， 向下为正 ； 0036 建立参考坐标系， 原点 O位于地面上某一点， X轴指向正北方向， Y轴指向正东 方向， Z轴铅直向下 ； 以 XOY平面为参考水平面 。
16、； 0037 将仿生复眼球面传感器阵列安装在飞行器的质心处， 即原点 Ob。 0038 所述仿生复眼球面传感器阵列， 本领域技术人员可以基于沙蚁生物模型自行独立 设计或定制国内外科研机构现有成熟产品。 0039 （2） 、 确定偏航角 0040 飞行器三维姿态的确定与飞行器的质心位置无关， 将原点 Ob和 O重合后， 利用仿 生复眼球面传感器阵列实时采集各个方向上的太阳光 E- 矢量信息与偏振度信息， 并确定 检测到水平方向的 E- 矢量的小眼阵列及其在球面上的几何位置， 那么检测到水平方向的 E- 矢量的小眼阵列在参考水平面上的投影， 即太阳子午线在参考水平面上的投影 CD ； 同时 仿生复。
17、眼球面传感器阵列测量确定 CD 与 Xb纵轴在参考水平面上的投影 Xb的夹角如 图 1 所示。 0041 此时， 本领域技术人员由太阳历理论计算得出在参考水平面上 CD 与 X轴的夹角 如图 1 所示。 0042 原理如下 ： 根据已有的研究成果， 大气偏振模式具有稳定的对称性， 由于仿生复眼 球面传感器阵列上朝向天空不同方向的小眼同时检测来自该方向上的偏振信息与光强信 息， 用以确定天空偏振模式与飞行姿态之间的关系。首先， 如图 1 所示， 在仿生复眼球面传 感器阵列的球面上所有检测到的偏振角 =90的那些小眼在球面上的位置形成一条曲 线， 这条曲线与在天空半球内太阳子午线对应， 太阳子午线。
18、必定通过太阳投影点 S（检测点 与太阳位置的连线和天空半球的交点） 与天顶点 Z（Z轴与天空半球的交点） ， 太阳子午线 关于天顶点 Z 对称 ； 然后， 测量太阳投影点 S 与天顶点 Z 在球面阵列上的位置， 根据瑞利散 射理论， 太阳投影点 S 方向上有这样几个特点 ：（1） 偏振度 P=0 ；（2） E- 矢量方向水平 ； (3) 光强最大。而 Z 处于太阳子午线中心点。以参考水平面上的正北方向为坐标基准方向， 任 意时刻任意地点的太阳子午线ASM-SM在参考水平面上的投影CD与正北方向的夹角为 本领域技术人员可由太阳历理论计算得出在参考水平面上CD与X轴的夹角由于太阳 说 明 书 CN。
19、 103913167 A 5 4/4 页 6 子午线上的任一点的 E- 矢量方向具有这样的特点， 即 ： 沿着太阳子午线 E- 矢量方向水平。 因此， 在测量时， 只需要关注所有检测到偏振角 =90的那些小眼位置， 它们在参考水平 面上的投影和太阳子午线在参考水平面上的投影一致， 测量得到这条投影线与 Xb纵轴在参 考水平面上的投影 Xb之间的夹角即为 0043 那么， 偏航角 由公式 （1） 确定 ： 0044 0045 （3） 、 确定太阳位置 0046 参考坐标系下， 太阳位置 Sa=(xa ya za)T， 由太阳历理论确定 ； 0047 体坐标系下， 太阳位置 Sb=(xb yb z。
20、b)T， 由仿生复眼球面传感器阵列检测到的偏振 信息确定， 即寻找满足下列三个条件的点 ： a) 光强最大 ； b） 偏振度为零 ； c） E- 矢量方向水 平。 0048 （4） 、 确定俯仰角 和滚转角 0049 俯仰角 由公式 （2） 确定 ： 0050 0051 滚转角 由公式 （3） 确定 ： 0052 0053 其中中间变量 u 由公式 （4） 确定 ： 0054 uuxcsin-yccos（4） 0055 参数 xc、 yc和 zc由公式 （5） 确定 ： 0056 0057 即解算出偏航角 、 俯仰角 和滚转角 ， 完成飞行器在空间的三维姿态确定。 说 明 书 CN 103913167 A 6 1/1 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103913167 A 7 。