CN118464018B

CN118464018B - 一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法

Info

Publication number: CN118464018B
Application number: CN202410920193.6A
Authority: CN
Inventors: 胡鹏伟; 王云鹏; 乔建忠; 杨健; 郭雷
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2024-07-10
Filing date: 2024-07-10
Publication date: 2024-09-06
Anticipated expiration: 2044-07-10
Also published as: CN118464018A

Abstract

本发明公开一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法，属于水下仿生组合导航领域。首先，设计偏振传感器可旋转结构，定义相关坐标系以及偏振传感器旋转角；其次利用载体加速度计输出值解算俯仰角和横滚角；接着利用偏振传感器感知到的偏振信息解算载体初始航向角；然后根据载体姿态信息和太阳矢量求出最大偏振度带处载体系下的观测矢量，完成水下环境下对最大偏振度带的凝视；最后利用最大偏振度带处的偏振信息构建偏振量测方程，结合惯性误差状态方程，更新载体姿态信息，完成高精度系统定向。本发明充分利用水下偏振光场信息，提高系统姿态角的解算精度。

Description

一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法

技术领域

本发明属于水下仿生组合导航领域，具体涉及一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法。

背景技术

太阳光经过大气照射地表的过程中会发生散射，散射光会在天空中形成稳定的、具有规律性分布的天空偏振矢量场，这其中蕴含着丰富的导航信息，目前利用大气偏振光场的仿生导航手段已经有了很成熟的发展。同样，太阳光经过水体折射进入水中，也会在水下形成具有一定规律的偏振分布模式，通过传感器感知水下偏振信息，结合水体折射反演到大气中，为水下仿生导航提供了一种途径。

目前水下仿生偏振导航多利用图像式或者点源式偏振传感器感知水下偏振信息，进而解算太阳位置信息，结合惯性元件完成载体定向。中国专利申请“一种基于天顶点实时跟踪的水下偏振自主航向计算方法”（申请号：CN202210796764.0）通过计算天顶点像素坐标解算太阳矢量从而完成载体定向，该方法仅观测天顶点的偏振信息，天顶点的偏振度强度会直接影响其航向计算精度；中国专利申请“一种基于水下偏振分布模式的太阳矢量解算方法”（申请号：201911252040）通过感知水下偏振模式不同方向的偏振信息解算太阳矢量，该方法可以感知不同视角的偏振信息，但未能利用最大偏振度带处的偏振矢量信息，同时未能解算载体姿态信息。

现有水下仿生导航系统利用的点源偏振传感器仅能观测固定方向的偏振光强信息，环境适应性不高且未能充分利用最大偏振度带处的偏振信息。仿生偏振导航中，感知的偏振光的偏振度越高，其解算的偏振方位角越精确。本发明涉及的一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法，可以实现水下最大偏振度带的实时跟踪，保证时刻感知最大偏振度的偏振光信息，兼具良好的动态性和环境适应性，同时提高水下导航定向精度。

发明内容

为了解决水下环境中太阳光强和偏振信息变弱，从而导致载体定向精度下降的问题，本发明提出一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法。

本发明可以应用到水下场景下的实时跟踪最大偏振度带的点源式偏振传感，兼具水下偏振信息感知的精确度高和强度强以及感知频率高的优点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法，包括如下步骤：

步骤1、选取载体系作为右前上坐标系，给出偏振传感器坐标系，即系，定义偏振传感器旋转角为轴与轴间的夹角；O为坐标原点；轴为偏振传感器坐标系的Z轴，轴为载体系的Y轴；载体系表示为系；

步骤2、利用载体平台加速度计输出，计算得到载体的俯仰角和横滚角；通过两个不同位置的水下环境的b系下偏振矢量，利用折射定律反演至水上环境，进而解算得到系下的太阳矢量；再结合载体平台加速度计输出，解算载体初始的航向角；

步骤3、利用导航系下的太阳矢量，解算水上环境的最大偏振度带处的偏振传感器旋转角，进而得到水上环境的b系下最大偏振度带处的观测矢量，根据水体折射定律，求出对应水下环境的b系下的最大偏振度带处的观测矢量，完成水下环境最大偏振度带的凝视；导航系表示为n系；

步骤4、将在最大偏振度带处感知的水下偏振矢量反演至水上环境得到对应的水上偏振矢量，进而构建偏振量测方程，结合惯性误差状态方程，更新载体姿态角信息，完成高精度定向。

有益效果：

本发明能够保证载体实时利用最高偏振度的偏振光解算高精度的偏振角，不受限于天顶和太阳的可视性，充分利用水下偏振光场信息，提高系统姿态角的解算精度。本发明可以应用到水下场景下的实时跟踪最大偏振度带的点源式偏振传感，兼具水下偏振信息感知的精确度高和强度强以及感知频率高的优点。

附图说明

图1为本发明涉及的导航系统构造图；

图2为本发明的一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法流程图；

图3为本发明涉及的空间坐标系关系图；

图4为本发明与现有方法的偏振度对比曲线图；

图5为本发明与现有方法的航向角误差对比图。

具体实施方式

下面结合图1-图3以及实例对本发明的具体实现步骤说明如下：

如图1所示，本发明涉及的导航系统包括系统平台，所述系统平台的中心设置电机驱动器，所述电机驱动器上设置转轴，转轴远离电机驱动器的方向上依次设置旋转杆加速度计和偏振传感器。系统平台上设置平台惯性器件。

如图2所示，本发明的一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法包括如下步骤：

步骤1、选取载体坐标系，即系为右前上坐标系，给出偏振传感器坐标系，即系，同时定义偏振传感器旋转角为与轴间的夹角；

步骤2、利用载体平台加速度计输出，计算得到载体的俯仰角和横滚角；利用两个不同位置的水下环境中的b系下偏振矢量，利用折射定律反演至水上，进而解算得到 b系下的太阳矢量；再结合载体平台的加速度计输出，解算载体初始航向角；

步骤3、利用导航系，即n系下的太阳矢量，解算水上环境的最大偏振度带处的偏振传感器旋转角，进而得到水上环境b系下最大偏振度带处的观测矢量，根据水体折射定律，求出对应水下环境b系下的最大偏振度带处的观测矢量，完成水下环境最大偏振度带的凝视；

步骤4、根据在最大偏振度带处感知的水下偏振矢量，将其反演至水上得到对应水上偏振矢量，进而构建偏振量测方程，结合惯性误差状态方程，更新载体姿态角信息，完成高精度定向。

具体地，在步骤1中，选取载体坐标系，即系为右前上坐标系，定义传感器坐标系即系如下：轴与重合，与偏振传感器朝向一致，轴根据右手定则确定。定义偏振传感器旋转角为轴与轴夹角；β为轴与轴的夹角，如图3所示。图3中，Z_m为偏振传感器观测方向，X_n为东向，Y_n为北向。

根据载体平台上加速度计输出计算出载体的俯仰角和横滚角：

；

其中，、为载体平台加速度计输出值分量，为重力加速度。

具体地，在步骤2中，保持载体平台静止，将偏振传感器分别旋转至与轴夹角为、处，获取两个不同位置处的系下的水下环境偏振方位角、，利用水体折射对偏振方位角的影响反演到水上，得到对应的水上环境的偏振方位角、，进而得到对应的水上环境的偏振矢量、：

、；

进一步，利用偏振矢量叉乘可以求得b系下的太阳矢量：

；

其中：

；

其中，k=1,2，、、分别为对应位置处的元素，为对应位置处m系到b 系的旋转矩阵；

进而可以求得载体初始航向角：

；

其中，、分别为 b系下的太阳高度角、方位角；为系下的方位角，根据当时当地的天文年历得出。

具体地，在步骤3中，水上环境的b系下的最大偏振度带处的观测矢量的表达形式为：

；

其中，表示水上环境的最大偏振度带处的偏振传感器旋转角；

利用姿态转换矩阵将其转换到n系中：

；

其中，~分别代表姿态转换矩阵对应位置处的元素。

天空偏振分布模式中最大偏振度带处的观测矢量与太阳矢量垂直，表示为：；

上式中，；

其中，、分别为n系下的太阳高度角、n系下的方位角；

令中间参数、中间参数；

则求得水上环境的最大偏振度带处的偏振传感器旋转角：

；

根据水体折射定律，可计算出水下环境下的最大偏振度带处的偏振传感器旋转角：

；

其中，、分别为气体折射率、液体折射率，为载体俯仰角；

利用电机带动偏振传感器旋转至相应角度，即可实现水下环境下最大偏振度带凝视，感知最大偏振度带处的偏振信息。

具体地，在步骤4中，偏振传感器观测最大偏振度带，得到水下环境偏振方位角，将其反演到大气中，求得对应水上偏振方位角，从而得到最大偏振度带的偏振E矢量：

；

进而构建偏振量测方程：

；

其中，为偏振量测量，代表载体三维失准角，为偏振量测矩阵，表示的反对称矩阵，为偏振矢量误差。

取状态变量为：

；

其中，为三轴速度误差，为经度、纬度、高度误差，、分别为陀螺仪零偏、加速度计零偏。

构建系统状态方程为：

；

其中，表示状态变量的导数，为状态转移矩阵，为系统噪声，满足：

；

其中，、分别为陀螺仪随机游走、加速度计随机游走；

利用系统状态方程与偏振量测方程，更新载体姿态角信息，完成系统高精度定向。

针对本发明所提出的方法，对比现有的固定观测天顶方向的仿生组合导航方法，进行了仿真验证，具体静态仿真验证的结果如下：

（1）仿真参数设置如表1所示：

表仿真参数表

（2）仿真结果：

图4为偏振度随时间变化曲线，通过仿真结果可以看出，现有的固定天顶方向的仿生组合导航方法感知到的偏振度远远小于本方法所提出的最大偏振度凝视方法所感知到的偏振度；图5为航向角测量误差对比结果，经过计算，现有固定观测天顶方向的水下仿生组合导航方法解算的航向角误差为0.22°，本发明解算的航向角误差为0.11°，航向角精度提升了一倍，具体数据如表2（航向角误差表）所示。

表

（3）仿真结论：

经过仿真分析验证，本发明所提出的方法可以较好地提高现有导航方法的导航测角精度，验证了本方法的有效性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤3、利用导航系下的太阳矢量，解算水上环境的最大偏振度带处的偏振传感器旋转角，进而得到水上环境的b系下最大偏振度带处的观测矢量，根据水体折射定律，求出对应水下环境的b系下的最大偏振度带处的观测矢量，完成水下环境最大偏振度带的凝视；导航系表示为n系，水上环境的b系下最大偏振度带处的观测矢量为：

；

利用姿态转换矩阵将水上环境的b系下最大偏振度带处的观测矢量转换到n系中，得到n系下的水上环境观测矢量，根据天空偏振分布模式中最大偏振度带处的观测矢量与太阳矢量的垂直关系解得水上环境的最大偏振度带处的偏振传感器旋转角：

；

上式中，；

其中，，，分别为n系下的太阳矢量对应位置处的元素，~分别代表姿态转换矩阵对应位置处的元素；为系下的太阳高度角；为系下的方位角，根据当时当地的天文年历得出；

根据水体折射定律，得出水下环境下的最大偏振度带处的偏振传感器旋转角：

；

其中，、分别为气体折射率、液体折射率；为载体俯仰角；

利用电机带动偏振传感器旋转至相应角度，即实现水下环境下最大偏振度带凝视，感知最大偏振度带处的偏振信息；

2.根据权利要求1所述的一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法，其特征在于，所述步骤1包括：

轴与轴重合，轴与偏振传感器朝向一致，轴根据右手定则确定，其中，轴为偏振传感器坐标系的X轴，轴为载体系的X轴，轴为偏振传感器坐标系的Y轴。

3.根据权利要求2所述的一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法，其特征在于，所述步骤2包括：

保持载体平台静止，将偏振传感器分别旋转至与轴夹角为、处，获取两个不同位置处的系下的水下环境偏振方位角、；根据水体折射对偏振方位角的影响，将两个不同位置处的系下的水下环境偏振方位角、反演到大气中，得到对应的水上环境的偏振方位角、，进而得到水上偏振矢量、，进而利用偏振矢量叉乘求得b系下的太阳矢量：

；

其中，；

其中，、、分别为b系下的太阳矢量对应位置处的元素，为m系到b系的旋转矩阵，k=1,2；

进而求得载体初始的航向角：

；

其中，、分别为 b系下的太阳高度角、b系下的方位角；为系下的方位角，根据当时当地的天文年历得出。

4.根据权利要求3所述的一种基于最大偏振度带凝视的水下仿生组合导航方法，其特征在于，所述步骤4包括：

偏振传感器观测最大偏振度带，得到偏振方位角，将偏振方位角反演到大气中，求得对应的水上偏振方位角，从而得到最大偏振度带的偏振矢量；

进而构建偏振量测方程为：

；

其中，为偏振量测量，代表载体三维失准角，为偏振量测矩阵，表示的反对称矩阵，为偏振矢量误差；

取状态变量为：

；

其中，为三轴速度误差，为经度、纬度、高度误差，、分别为陀螺仪零偏、加速度计零偏；

构建系统状态方程为：

；

其中，表示状态变量的导数，为系统状态转移矩阵，为系统噪声。