技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種載體航向角的估計(jì)方法，特別涉及一種復(fù)雜環(huán)境下基于大氣偏振角模式的航向角估計(jì)方法，屬于仿生偏振光導(dǎo)航領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)在人類的社會(huì)活動(dòng)和軍事活動(dòng)中占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)易受電磁干擾，且難以覆蓋到叢林地帶、水下和室內(nèi)等環(huán)境，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是最常用的自主導(dǎo)航方式，具有抗干擾性強(qiáng)、導(dǎo)航信息完全、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但其成本高、定位誤差隨時(shí)間積累，這些缺點(diǎn)制約了衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航的應(yīng)用范圍，不斷發(fā)展的導(dǎo)航需求促使我們探索全新的自主導(dǎo)航方式。動(dòng)物具有突出的導(dǎo)航能力，許多動(dòng)物(沙蟻、蜜蜂、狼蛛、部分鳥(niǎo)類等)都被證明擁有感知偏振光的能力，它們利用獨(dú)特的偏振視覺(jué)結(jié)構(gòu)，感知大氣的自然偏振特性，提取太陽(yáng)的方位信息，從而進(jìn)行導(dǎo)航定位?；谧匀惶卣鞯姆律窆鈱?dǎo)航已經(jīng)受到人們的關(guān)注，仿生偏振光傳感器借鑒了動(dòng)物高度敏感的視覺(jué)感知系統(tǒng)，以太陽(yáng)光的自然偏振特性和大氣偏振模式為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)載體航向信息的判斷，具有抗干擾性強(qiáng)、誤差不隨時(shí)間積累、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前偏振光傳感器的測(cè)量方式主要分為單點(diǎn)式測(cè)量和圖像式測(cè)量?jī)纱箢悺Ｇ罢咭淮沃荒懿杉粋€(gè)觀測(cè)方向的偏振信息，極其容易受到環(huán)境的干擾，一旦數(shù)據(jù)丟失或者采樣點(diǎn)誤差過(guò)大則失去定向能力；而基于圖像式測(cè)量的偏振光傳感器，可以同時(shí)提取視角范圍內(nèi)整個(gè)天空區(qū)域的偏振角和偏振度信息。信息量的增加可以有效避免單點(diǎn)式測(cè)量魯棒性差的問(wèn)題，但同時(shí)也增加了數(shù)據(jù)處理的難度。如果天空受到云層、樹(shù)葉以及建筑物的遮擋，偏振度和偏振角分布特性將會(huì)受到很大的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者(高雋等，仿生偏振光導(dǎo)航方法，科學(xué)出版社，2014)提出了基于大氣偏振模式對(duì)稱性檢測(cè)的航向角獲取方法，該方法在局部天空受到遮擋的情況下能夠有效估計(jì)載體航向，但無(wú)法有效解決大范圍天空受到遮擋條件下的估計(jì)問(wèn)題。因此，尋找一種在大范圍天空受到云層、樹(shù)葉以及建筑物遮擋的情況下，精確、快速、魯棒地估計(jì)載體航向角的方法具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于：在大范圍天空受到云層、建筑物和樹(shù)葉等遮擋的條件下，利用天空偏振角模式快速、魯棒、精確地估計(jì)載體的航向角。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的解決方案為：

復(fù)雜環(huán)境下基于大氣偏振角模式的航向角估計(jì)方法，該方法包括以下步驟：

步驟一，計(jì)算天空偏振角模式：

利用一種由多相機(jī)組成的偏振光傳感器，光軸方向指向天空，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地測(cè)量天空區(qū)域的偏振角模式；該偏振光傳感器由四個(gè)ccd(charge-coupleddevice)相機(jī)組成，每個(gè)相機(jī)上裝有一個(gè)偏振片，根據(jù)偏振片的通光軸方向按照0°、45°、90°、135°角度安裝；由外部觸發(fā)同步四個(gè)相機(jī)的采集時(shí)間，對(duì)于某一個(gè)方向的入射光，四個(gè)相機(jī)的響應(yīng)可以描述為：

式中，fj為第j個(gè)相機(jī)的亮度值，kj為第j個(gè)相機(jī)的增益系數(shù)，i為單位矩陣，d為入射光的偏振度，φ為入射光偏振方向與參考方向的夾角，βj是第j個(gè)偏振片的光軸方向與參考方向的夾角；

根據(jù)ccd相機(jī)輸出信息，采用最小二乘法估計(jì)天空偏振角模式，偏振角φ由下式給出：

其中為向量x的最小二乘估計(jì)，x1和x2分別為向量的第一和第二個(gè)元素，d、x和f定義如下：

步驟二，根據(jù)天文年歷計(jì)算太陽(yáng)天頂角和太陽(yáng)方位角：

根據(jù)天文年歷，輸入時(shí)間和位置信息可以求得導(dǎo)航坐標(biāo)系下太陽(yáng)天頂角γs和太陽(yáng)方位角本方法要求輸入信息的精度滿足下述指標(biāo)：時(shí)間精度優(yōu)于1s，位置精度優(yōu)于10km；

步驟三，基于天空偏振角模式和太陽(yáng)天頂角，運(yùn)用投票機(jī)制估計(jì)太陽(yáng)子午線方向：

1)根據(jù)一階瑞利散射模型，在載體系下建立太陽(yáng)子午線方向關(guān)于觀測(cè)點(diǎn)的偏振角和太陽(yáng)天頂角的表達(dá)式：

其中，αs為太陽(yáng)在載體坐標(biāo)系下的方位角，φ入射光偏振方向與參考方向的夾角，圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)(xp,yp)都與天空中的某一觀測(cè)點(diǎn)p相對(duì)應(yīng)，γ和α分別為載體坐標(biāo)系下觀測(cè)點(diǎn)p的天頂角和方位角，相機(jī)的焦距為fc，光軸在圖像中投影的坐標(biāo)值為(xc,yc)；

2)計(jì)算所有像素點(diǎn)的太陽(yáng)子午線方向，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，直方圖分布的峰值即最優(yōu)的太陽(yáng)子午線方向

步驟四，根據(jù)太陽(yáng)方位角和最優(yōu)的太陽(yáng)子午線方向求解載體航向角：

其中，為載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的方位角，為太陽(yáng)在載體系下的方位角，為太陽(yáng)在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的方位角。

通過(guò)以上步驟，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下基于大氣偏振角模式的航向角估計(jì)。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)綜合利用天空區(qū)域、時(shí)間和位置信息，采用投票機(jī)制估計(jì)太陽(yáng)子午線方向，并求解載體航向角，有效克服云層、建筑物、樹(shù)葉等的遮擋，具有較高的魯棒性和準(zhǔn)確性；

2)算法流程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算速度快。

附圖說(shuō)明：

1.圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖；

2.圖2是偏振相機(jī)的實(shí)際測(cè)量圖像；

3.圖3是天空偏振角模式測(cè)量結(jié)果；

4.圖4是一階瑞利散射模型原理圖；

5.圖5是根據(jù)偏振角模式計(jì)算得到的太陽(yáng)子午線方向；

6.圖6是太陽(yáng)子午線方向的直方圖統(tǒng)計(jì)；

7.圖7是載體系下太陽(yáng)子午線方向的最優(yōu)估計(jì)。

具體實(shí)施方式：

以下將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，為復(fù)雜環(huán)境下基于大氣偏振角模式的航向角估計(jì)方法的流程圖，具體包括如下步驟：

步驟一，計(jì)算天空偏振角模式：

大氣偏振模式是無(wú)偏的自然光與粒子、塵埃發(fā)生散射后，多種不同偏振度和偏振角的偏振光在天空中形成的相對(duì)穩(wěn)定的分布模式。利用一種由多相機(jī)組成的偏振光傳感器，將其安裝在移動(dòng)車輛上，光軸方向指向天空，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地測(cè)量天空區(qū)域的偏振角模式；該偏振光傳感器主要由四個(gè)ccd(charge-coupleddevice)相機(jī)組成，每個(gè)相機(jī)上裝有一個(gè)偏振片，根據(jù)偏振片的通光軸方向按照0°、45°、90°、135°角度安裝；由外部觸發(fā)同步四個(gè)相機(jī)的采集時(shí)間，對(duì)于某一個(gè)方向的入射光，四個(gè)相機(jī)的響應(yīng)可以描述為：

式中，fj為第j個(gè)相機(jī)的亮度值，kj為第j個(gè)相機(jī)的增益系數(shù)，i為單位矩陣，d為入射光的偏振度，φ為入射光偏振方向與參考方向的夾角，βj是第j個(gè)偏振片的光軸方向與參考方向的夾角；圖2展示了偏振相機(jī)的實(shí)際測(cè)量圖像；

根據(jù)ccd相機(jī)輸出信息，采用最小二乘法估計(jì)天空偏振角模式，偏振角φ由下式給出：

其中為向量x的最小二乘估計(jì)，x1和x2分別為向量的第一和第二個(gè)元素，d、x和f定義如下：

圖3為通過(guò)式(7)計(jì)算得到的天空偏振角模式。

步驟二，根據(jù)天文年歷計(jì)算太陽(yáng)天頂角和太陽(yáng)方位角

根據(jù)天文年歷，輸入時(shí)間和位置信息可以求得導(dǎo)航坐標(biāo)系下太陽(yáng)天頂角γs和太陽(yáng)方位角本方法要求輸入信息的精度滿足下述指標(biāo)：時(shí)間精度優(yōu)于1s，位置精度優(yōu)于10km。

步驟三，基于天空偏振角模式和太陽(yáng)天頂角，運(yùn)用投票機(jī)制估計(jì)太陽(yáng)子午線方向：

1)根據(jù)一階瑞利散射模型，在載體系下建立太陽(yáng)子午線方向關(guān)于觀測(cè)點(diǎn)的偏振角和太陽(yáng)天頂角的表達(dá)式；

如圖4所示，首先定義如下右手直角坐標(biāo)系：

導(dǎo)航坐標(biāo)系(oned)：其中n軸為地理真北，e為東向，d為垂直向下方向，e軸和d軸未在圖中標(biāo)出；

載體坐標(biāo)系(olxlylzl)：選擇1號(hào)相機(jī)作為參考基準(zhǔn)，ol為圖像的中心，xl軸和yl軸分別沿ccd傳感器的橫向和縱向，zl軸為載體的光軸，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)平后，zl軸指向天頂方向；

入射光坐標(biāo)系(oixiyizi)：其zi軸指向觀測(cè)方向，xi軸位于觀測(cè)方向所在的豎直平面(opp′)內(nèi)，yi軸與xi軸和zi軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系(yi軸未標(biāo)出)；

假設(shè)觀測(cè)者處于位置o，太陽(yáng)在天球上的位置為s，天空中的觀測(cè)點(diǎn)為p，太陽(yáng)天頂角為γs，導(dǎo)航坐標(biāo)系下太陽(yáng)方位角為載體坐標(biāo)系下太陽(yáng)方位角αs，觀測(cè)點(diǎn)p在載體坐標(biāo)系下的天頂角和方位角分別為γ和α，入射光的偏振角為φ；

晴朗的天空中，散射粒子主要由大氣分子組成，其尺寸遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)，因此可以用一階瑞利散射模型來(lái)描述晴朗天氣下大氣散射過(guò)程；如圖4所示，散射光的e矢量方向垂直于散射平面pos；向量和e矢量方向在載體坐標(biāo)系l中的表示為：

從載體坐標(biāo)系l到入射光坐標(biāo)系i的方向余弦矩陣為e矢量方向在入射光坐標(biāo)系i下的表示為：

根據(jù)式(10)，推導(dǎo)太陽(yáng)在載體系l中的方位角αs與偏振角φ的關(guān)系，如下式：

式(11)中，載體坐標(biāo)系下觀測(cè)點(diǎn)p的天頂角γ和方位角α可由下式計(jì)算得到：

其中，相機(jī)的焦距為fc，光軸在圖像中投影的坐標(biāo)值為(xc,yc)，圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)(xp,yp)都與天空中的某一觀測(cè)點(diǎn)p相對(duì)應(yīng)；由步驟一和步驟二計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的偏振角φ和太陽(yáng)天頂角γs，通過(guò)式(11)和式(12)計(jì)算所有像素點(diǎn)的αs，計(jì)算結(jié)果如圖5所示；

2)計(jì)算所有像素點(diǎn)的太陽(yáng)子午線方向，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，直方圖分布的峰值即最優(yōu)的太陽(yáng)子午線方向

圖6為對(duì)αs進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，與直方圖分布的峰值相對(duì)應(yīng)的αs即為載體系下太陽(yáng)方位角的最優(yōu)估計(jì)圖7為天空偏振角模式的實(shí)測(cè)結(jié)果，載體坐標(biāo)系的xl軸和yl軸已在圖中標(biāo)出，xl為載體的主方向，太陽(yáng)子午線方向的最優(yōu)估計(jì)如圖所示。

步驟四，根據(jù)太陽(yáng)方位角和最優(yōu)的太陽(yáng)子午線方向求解載體航向角：

其中為載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的方位角，為太陽(yáng)在載體系下的方位角，是太陽(yáng)在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的方位角。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。