一种基于偏振和太阳双矢量切换的惯性/偏振导航方法
阅读说明：本技术 一种基于偏振和太阳双矢量切换的惯性/偏振导航方法 (Inertia/polarization navigation method based on polarization and sun dual-vector switching ) 是由 郭雷 豆青风 杨健 王悦 于 2021-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于偏振和太阳双矢量切换的惯性/偏振导航方法。首先,根据惯导输出计算偏振矢量；其次,根据传感器更新测得的偏振矢量信息计算误差矢量；再者,利用误差矢量计算各个偏振传感器的信息判别因子,并且确定每个偏振传感器是否可靠；最后,若有多个传感器测量信息可靠时,进入太阳误差矢量导航模式,若只有一个传感器可靠时,则进入偏振误差矢量导航模式,两种模式均通过卡尔曼滤波方法实现状态估计并反馈,从而完成基于偏振和太阳矢量的双矢量组合导航方法。本发明根据误差矢量建立量测方程避免了矢量间的方向歧义性问题,同时设计信息判别准则判定传感器状态,双矢量导航的设计使得偏振信息得到充分利用,提高了系统的可靠性。(The invention relates to an inertia/polarization navigation method based on polarization and sun dual-vector switching. Firstly, calculating a polarization vector according to inertial navigation output; secondly, calculating an error vector according to polarization vector information updated and measured by a sensor; thirdly, calculating information discrimination factors of each polarization sensor by using the error vectors, and determining whether each polarization sensor is reliable; and finally, if the measurement information of a plurality of sensors is reliable, entering a sun error vector navigation mode, and if only one sensor is reliable, entering a polarization error vector navigation mode, wherein the two modes realize state estimation and feedback through a Kalman filtering method, thereby completing the dual-vector combined navigation method based on polarization and sun vectors. According to the method, the measurement equation is established according to the error vector, the problem of direction ambiguity among vectors is avoided, the information discrimination criterion is designed to judge the state of the sensor, the polarization information is fully utilized due to the design of dual-vector navigation, and the reliability of the system is improved.)
技术领域
本发明属于组合导航领域，涉及一种基于偏振和太阳双矢量切换的惯性/偏振导航方法，该方法通过矢量间叉积原理建立了两种不同的误差矢量量测模型，同时设计信息判别准则智能选择组合导航模式，从而完成传感器异常情况下的高精度可靠性导航。
背景技术
近年来,偏振导航发展迅速，随着研究的深入，各种各样的偏振导航系统相继被提出，同时偏振导航模型也得到了丰富。作为捷联惯性导航系统在航向测量上的互补导航系统，偏振导航在姿态测量上具有全自主的独特优势，且传感器测量不存在累计误差，因此，其在组合导航领域的应用越来越广泛。
偏振导航的原理来自于太阳光经过大气后的散射传播，其主要揭示了光矢量在大气中的分布规律，更多的是反映矢量间的关系，根据散射理论可知，散射光的极化角可以通过传感器精确确定，但是方向未知，使得偏振信息在应用的过程中存在方向模糊性问题。
目前，已有基于偏振矢量量测的惯导/偏振组合导航方法的研究。论文“基于微惯性/偏振视觉的组合定向方法”基于瑞利散射原理，基于单方向的偏振矢量与太阳矢量、观测矢量间的关系计算太阳矢量，利用最小二乘方法提出一种鲁棒定向方法，连同单目相机测量结果解决了车辆在城市中导航的定向和定位问题；论文“Integrated polarizedskylight sensor and MIMU with a metric map for urban ground navigation”基于瑞利散射原理，利用单方向的偏振矢量与太阳矢量、观测矢量间的关系计算偏振矢量，利用最小二乘方法提出一种鲁棒定向方法，连同单目相机测量结果解决了车辆在城市中导航的定向和定位问题；论文“An Autonomous Initial Alignment and Observability Analysisfor SINS with Bio-inspired Polarized Skylight Sensors”利用太阳矢量建立偏振量测模型，并且分析了SINS/POL组合导航系统的可观测性，为偏振高精度导航提供了理论指导；中国授权专利CN 104880191 A利用太阳矢量建立偏振量测模型，将利用天文年历求得的太阳矢量与利用偏振信息求得的太阳矢量作差构建量测完成惯导/偏振组合导航。上述文献中的模型设计需要引入矢量方向判定规则，给组合导航带来了额外的计算成本，为提高惯导/偏振组合导航系统的性能，简单无方向性问题的偏振量测是值得研究的一个重要问题。另外，偏振光导航容易受建筑物、云层等因素的遮挡，遮挡问题导致偏振信息受损，使用单一偏振矢量进行导航会严重降低惯导/偏振组合导航系统的可靠性，实现偏振矢量信息的高效利用是惯导/偏振组合导航方法研究的重要内容。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对偏振导航中矢量方向二义性及传感器异常下切换机制问题，提出了一种基于偏振和太阳双矢量切换的惯性/偏振导航方法，根据矢量间叉积原理建立了两种不同的法矢量偏振量测模型，同时设计信息判别准则智能选择组合导航模式，从而完成传感器异常情况下的高精度可靠性导航。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于偏振和太阳双矢量切换的惯性/偏振导航方法，其实现步骤如下：
第一步、采集惯导输出数据解算得到经度、纬度L、高度h和姿态矩阵，结合天文年历信息得到n系下太阳矢量s n ，进而计算得到b系下太阳矢量，根据瑞利散射理论计算得到对应l个观测方向的理论偏振矢量，其中，为第i个传感器的观测矢量在b系下的投影；
第二步、检测偏振传感器是否更新，待偏振传感器输出数据更新时，利用偏振传感器测量数据得到l个偏振传感器输出的偏振方位角信息，根据偏振方位角信息以及偏振传感器坐标系m系到b系的转移矩阵，求得l个偏振传感器的偏振矢量信息，结合第一步中的理论偏振矢量计算得到l个偏振误差矢量；
第三步、根据第二步中的偏振误差矢量计算各个偏振传感器的信息判别因子，依据经验阈值T p 制定判别准则，由 判别准则确定每个偏振传感器的信息质量，即q i =1表示i方向上偏振传感器正常可用，q i =0 表示i方向上偏振传感器异常不可用。
第四步、利用第三步得到的偏振传感器的信息质量，若有多个传感器测量信息正常可用时，进入太阳误差矢量导航模式，构建太阳误差矢量量测方程，Z ps 为太阳误差矢量量测，H ps 为量测矩阵，X为系统状态向量，v ps 为量测噪声，若只有一个偏振传感器时，则进入偏振误差矢量导航模式，构建偏振误差矢量量测方程，Z pp 为偏振误差矢量量测，H pp 为量测矩阵，X为系统状态向量，v pp 为量测噪声。进入导航模式后，均采用卡尔曼滤波方法实现系统状态的估计与反馈，完成惯导/偏振组合导航。
进一步地，所述第一步中，采集惯导输出数据解算得到经度、纬度L、高度h和姿态矩阵，结合天文年历信息得到n系下太阳矢量s n ，进而计算得到b系下太阳矢量，根据瑞利散射理论计算得到对应l个观测方向的理论偏振矢量，其中，为第i个传感器的观测矢量在b系下的投影，具体实现如下：
导航系统涉及两种坐标系：导航系，即n系，坐标轴分别指向东（E）、北（N）、天（U）；载体系，即b系，坐标轴分别指向载体右（x）,前（y），上（z）；
利用惯导输出的位置信息：经度、纬度L、高度h，根据天文年历得到太阳在n系下的高度角和方位角，从而导航系下的太阳矢量为，结合姿态旋转矩阵得到b系下太阳矢量。
偏振传感器坐标系，即m系建立如下：以传感器零位参考方向为x m ，y m 与其构成右手螺旋准则，且m系到b系的旋转矩阵为。
则第i个偏振传感器的观测矢量为，其中，为第i个方向偏振传感器相对于b系的旋转矩阵。
进一步地，所述第二步中检测偏振传感器是否更新，待偏振传感器输出数据更新时，利用传感器测量数据得到l个偏振传感器输出的偏振方位角信息，根据偏振方位角信息以及偏振传感器坐标系m系到b系的转移矩阵，求得l个偏振传感器的测量偏振矢量信息，结合第一步中的理论偏振矢量计算得到l个偏振误差矢量。具体实现如下：
定义第i个偏振传感器输出方位角为，则测量偏振矢量，则偏振误差矢量为。
进一步地，所述第三步中，根据第二步中的偏振误差矢量计算各个偏振传感器的 信息判别因子，依据经验阈值T p 制定判别准则， 由判别准则确定每个偏振传感器的信息质量，即q i =1表示i方向上偏振传感器正常可用，q i = 0表示i方向上偏振传感器异常不可用，具体实现如下：
根据第一步中的理论偏振矢量和第二步中的测量偏振矢量可建立信息判别因子：
给定判定阈值T p ，则信息判别准则为：
其中，l为偏振传感器观测方向的个数，q i =1表示i方向上偏振传感器正常可用，q i =0表示i方向上偏振传感器异常不可用。
进一步地，所述第四步中，利用第三步得到的偏振传感器的信息质量，若有多个传感器测量信息正常可用时，进入太阳误差矢量导航模式，构建太阳误差矢量量测方程，Z ps 为太阳误差矢量量测，H ps 为量测矩阵，X为系统状态向量，v ps 为量测噪声，若只有一个偏振传感器测量信息正常可用时，则进入偏振误差矢量导航模式，构建偏振误差矢量量测方程，Z pp 为偏振误差矢量量测，H pp 为量测矩阵，X为系统状态向量，v pp 为量测噪声；进入导航模式后，均采用卡尔曼滤波方法实现系统状态的估计与反馈，完成惯导/偏振组合导航。具体实现如下：
组合导航使用的系统状态模型为捷联惯导误差状态方程，具体如下：
失准角动态方程：
速度误差动态方程：
位置误差动态方程：
漂移动态方程：
其中，V n 为载体在n系下的速度，为速度误差；为位置误差，分别为纬度误差、经度误差、高度误差；为地球自转角速度在n系下的投影，为的误差，为n系相对于e系（地球坐标系）的角速度在n系下的投影，为的误差，为b系到n系的旋转矩阵；f b 为b系下加速度，分别为陀螺、加计的常值漂移；为位置误差导数与速度误差之间的关系矩阵，为位置误差导数与速度之间的关系矩阵；
系统状态方程为：
其中，F为状态转移矩阵，,W为过程噪声。
根据偏振信息判别准则，如果存在两个及以上偏振传感器正常工作，即(k≥2)，其中，k≥2，为正常工作的偏振传感器的个数，则进入太阳误差矢量导航模式。太阳误差矢量工作模式下的量测模型建立如下：
在k个偏振传感器中任选两个计算其偏振矢量为，，则根据Rayleigh散射理论，，太阳误差矢量量测为：
省略的二次项，考虑偏振传感器噪声，得到太阳误差矢量量测方程如下：
其中，，v ps 为量测噪声。
如果存在1个偏振传感器正常工作，则进入偏振误差矢量导航模式，偏振误差矢量工作模式下的量测模型建立如下：
省略的二次项，考虑偏振传感器噪声，得到偏振误差矢量量测方程如下：
其中，，v pp 为量测噪声；
两种工作模式均通过卡尔曼滤波方法对状态进行估计和反馈，完成惯导/偏振组合导航。
与现有的技术相比，本发明具有以下的优点：
（1）目前存在的三维偏振量测模型存在矢量方向二义性问题，需要设计判定准则确定，本发明借助矢量间叉积原理设计了两种法矢量偏振量测模型，避免了矢量方向问题。
（2）本发明利用所建两种模型的资源利用特点，设计信息判别准则，提出传感器异常情况下传感器模型切换机制，提高了传感器信息异常情况下的可靠性。
附图说明
图1为本发明一种基于偏振和太阳双矢量切换的惯性/偏振导航方法的流程图；
图2为Rayleigh散射几何关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明方法具体实现如下：
第一步、采集惯导输出数据解算得到经度、纬度L、高度h和姿态矩阵，结合天文年历信息得到n系下太阳矢量s n ，进而计算得到b系下太阳矢量，根据瑞利散射理论计算得到对应l个观测方向的理论偏振矢量，其中，为第i个传感器的观测矢量在b系下的投影；具体实现如下：
导航系统涉及两种坐标系：导航系，即n系，坐标轴分别指向东（E）、北（N）、天（U）；载体系，即b系，坐标轴分别指向载体右（x）,前（y），上（z）。
利用惯导输出的位置信息：经度、纬度L、高度h，根据天文年历得到太阳在n系下的高度角和方位角，从而导航系下的太阳矢量为，结合姿态旋转矩阵得到系下太阳矢量。
偏振传感器坐标系，即m系建立如下：以偏振传感器零位参考方向为x m ，y m 与其构成右手螺旋准则，且m系到b系的旋转矩阵为。
则第i个偏振传感器的观测矢量为，其中，为第i个方向偏振传感器相对于b系的旋转矩阵；得到理论偏振矢量；
第二步、检测偏振传感器是否更新，待偏振传感器输出数据更新时，利用偏振传感器测量数据得到l个偏振传感器输出的偏振方位角信息，根据偏振方位角信息以及偏振传感器坐标系m系到b系的转移矩阵，求得l个偏振传感器的测量偏振矢量信息，结合第一步中的理论偏振矢量计算得到l个偏振误差矢量，具体实现如下：
定义第i个偏振传感器输出方位角为，则测量偏振矢量，则偏振误差矢量为。
第三步、根据第二步中的偏振误差矢量计算各个传感器的信息判别因子，依据经验阈值T p 制定判别准则，由 判别准则确定每个偏振传感器的信息质量，即q i =1表示i方向上偏振传感器正常可用，q i =0 表示i方向上偏振传感器异常不可用。具体实现如下：
根据第一步中的理论偏振矢量和第二步中的测量偏振矢量可建立信息判别因子：
给定判定阈值T p ，则信息判别准则为：
其中，l为偏振传感器观测方向的个数，q i =1表示i方向上偏振传感器正常可用，q i =0表示i方向上偏振传感器异常不可用。
第四步、利用第三步得到的偏振传感器的信息质量结果，若有多个传感器测量信息正常可用时，进入太阳误差矢量导航模式，构建太阳误差矢量量测方程，Z ps 为太阳误差矢量量测，H ps 为量测矩阵，X为系统状态向量，v ps 为量测噪声，若只有一个偏振传感器测量信息正常可用时，则进入偏振误差矢量导航模式，构建偏振误差矢量量测方程，Z pp 为偏振误差矢量量测，H pp 为量测矩阵，X为系统状态向量，v pp 为量测噪声；进入导航模式后，均采用卡尔曼滤波方法实现系统状态的估计与反馈，完成惯导/偏振组合导航。具体实现如下：
组合导航使用的系统状态模型为捷联惯导误差状态方程，具体如下：
失准角动态方程：
速度误差动态方程：
位置误差动态方程：
漂移动态方程：
其中，V n 为载体在n系下的速度，为速度误差；为位置误差，分别为纬度误差、经度误差、高度误差；为地球自转角速度在n系下的投影，为的误差，为n系相对于e系（地球坐标系）的角速度在n系下的投影，为的误差，为b系到n系的旋转矩阵；f b 为b系下加速度，分别为陀螺、加计的常值漂移，；为位置误差导数与速度误差之间的关系矩阵，为位置误差导数与速度之间的关系矩阵；
系统状态方程为：
其中， F为状态转移矩阵，,W为过程噪声；
根据偏振信息判别准则，如果存在两个及以上偏振传感器正常工作，(k≥2)，其中，k≥2，为正常工作的偏振传感器的个数，则进入太阳误差矢量导航模式；太阳误差矢量工作模式下的量测模型建立如下：
在k个偏振传感器中任选两个测量其偏振矢量为，，则根据Rayleigh散射理论，，太阳误差矢量量测为：
省略的二次项，考虑偏振传感器噪声，得到太阳误差矢量量测方程如下：
其中，，v ps 为量测噪声；
如果存在1个偏振传感器正常工作，则进入偏振误差矢量导航模式，偏振误差矢量工作模式下的量测模型建立如下：
省略的二次项，考虑偏振传感器噪声，得到偏振误差矢量量测方程如下：
其中，，v pp 为量测噪声；
两种工作模式均通过卡尔曼滤波方法对状态进行估计和反馈，完成惯导/偏振组合导航。
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