應(yīng)用全天域中性點輔助定向的車輛自主導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于車輛導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及應(yīng)用全天域大氣偏振模式下的中性點來進行 測角定向從而改進運動學(xué)模型輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能，構(gòu)建了車載偏振光導(dǎo)航/運動學(xué)/ 慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，適用于車輛的自主導(dǎo)航。
【背景技術(shù)】
[0002] 針對特殊戰(zhàn)爭環(huán)境下陸地作戰(zhàn)車輛有源導(dǎo)航電波易受干擾失效的問題，自主無源 導(dǎo)航定位技術(shù)是保證載體在該背景下能夠進行可靠的高精度導(dǎo)航定位的關(guān)鍵。近年來，國 內(nèi)外研宄者針對單一自主無源導(dǎo)航定位方法存在的性能局限，常采用以捷聯(lián)慣導(dǎo)作為基本 導(dǎo)航傳感器，輔以其他外部修正技術(shù)，利用多源信息融合技術(shù)來提高改善系統(tǒng)的自主導(dǎo)航 定位能力。其中，不增加其它外部絕對傳感器，僅利用車輛的動態(tài)數(shù)學(xué)模型輔助慣性導(dǎo)航系 統(tǒng)已成為一種成熟有效的方案。
[0003] 然而，通常情況下運動學(xué)模型得到的二維航向角信息的精度比車載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) 還差，即使利用系統(tǒng)校正后的方位信息反饋修正車輛運動學(xué)模型，長時間下去，系統(tǒng)整體航 向角誤差還是得不到有效抑制，隨之，定位精度就會逐漸下降。在此種對二維航向測量和控 制至關(guān)重要的車輛自主無源導(dǎo)航應(yīng)用背景下，一種基于自然特性，抗干擾能力強并且定向 誤差不隨時間累積的天空偏振光導(dǎo)航方法逐漸得到發(fā)展，其中，大氣偏振中性點的分布已 證明具有明顯的方位特性，可作為偏振光導(dǎo)航的航標提供準確的方向信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了提高慣導(dǎo)系統(tǒng)運動學(xué)輔助算法的導(dǎo)航定位精度，并保證系統(tǒng)的無源性 和抗干擾自主導(dǎo)航的能力，根據(jù)天空光偏振模式蘊藏的導(dǎo)航特性以及偏振光檢測原理，采 用一種基于大氣偏振模式的全局特性檢測技術(shù)實現(xiàn)對中性點的跟蹤檢測與識別，進行測角 定向的方法；利用其得到的高精度航向信息，結(jié)合車輛自身的運動學(xué)模型及約束條件提供 的虛擬位置與速度觀測量，與車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所獲得的位置、速度、航向信息一起，取長 補短，通過設(shè)計組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合算法，對其進行有效合理的配置，構(gòu)建了一種具有強 自主性、隱蔽性好、抗干擾的無源導(dǎo)航系統(tǒng)，總體可實現(xiàn)陸地作戰(zhàn)車輛精確可靠的自主導(dǎo)航 定位；
[0005] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：
[0006] 所述應(yīng)用全天域中性點輔助定向的車輛自主導(dǎo)航方法包括下列步驟：
[0007] 1)建立車載中性點導(dǎo)航定向模型：
[0008] 大氣偏振模式具有圍繞中性點偏振態(tài)表征，以太陽子午線穩(wěn)定對稱分布的特性， 建立車輛偏振光導(dǎo)航定向模型，定向原理具體流程為：
[0009] a)利用大氣偏振探測裝置，采用宏觀性好易測量的Stokes矢量表征成像全天域 光的偏振態(tài)，實現(xiàn)偏振圖像數(shù)據(jù)的獲取、傳輸和預(yù)處理、偏振圖像Stokes參數(shù)、偏振度和偏 振方位角信息的計算；
[0010] b)結(jié)合中性點在偏振圖像中同偏振度分布與中性線分布間的關(guān)系特征，利用圖像 處理算法連續(xù)對圖像中偏振像素單元偏振度為零的點進行跟蹤檢測和識別，確定載體坐標 系下偏振圖像中的對稱軸即太陽子午線位置，根據(jù)偏振模式的分布特性，進一步區(qū)分太陽 子午線與逆太陽子午線方向，從而獲得載體朝向與太陽子午線之間的夾角；
[0011] C)根據(jù)天文歷相關(guān)理論公式，由載體的經(jīng)煒度、觀測年份、日期及時間來確定當?shù)?太陽方位角，結(jié)合載體朝向與太陽子午線之間的夾角，得到與地理正北方向夾角即航向信 息；
[0012] 2)建立改進的車輛動態(tài)數(shù)學(xué)模型：
[0013] 車輛在道路行駛是一個較為復(fù)雜的運動學(xué)過程，一般情況下，假設(shè)路面是平坦和 水平的，車輛轉(zhuǎn)向時簡化的運動學(xué)模型：車輛任意t時刻的狀態(tài)以{x t yt zt itj來表征， 其中，t取非負整數(shù)，{xt yt zt}定義為t時刻載體坐標系下的位置值，載體坐標系定義為坐 標原點位于載體重心、x軸指向載體橫軸方向、y軸指向載體縱軸方向、z軸指向載體豎軸方 向，通常用表示為載體坐標系（b)系，！D t表示t時刻載體縱軸方向相對于x軸的方位角，結(jié) 合車輛四輪轉(zhuǎn)向模型，A表示連續(xù)時刻后輪軸心行駛的距離，《表示橫擺角速度，p表示 車體轉(zhuǎn)彎半徑， e表示輪距的一半，L表示軸距，0表示虛前輪的轉(zhuǎn)向角，這個角度可以近似 的代替車輛的前輪擺角，并且假設(shè)在兩個采樣點之間車輛沒有滑動，e和L保持常值，根據(jù) 運動學(xué)理論，由各變量之間的幾何關(guān)系可得到以下表征車輛運動學(xué)關(guān)系的方程：
[0014
【主權(quán)項】
1. 一種應(yīng)用全天域中性點輔助定向的車輛自主導(dǎo)航方法，其特征在于： 1) 建立車載中性點導(dǎo)航定向模型： 大氣偏振模式具有圍繞中性點偏振態(tài)表征，以太陽子午線穩(wěn)定對稱分布的特性，建立 車輛偏振光導(dǎo)航定向模型，定向原理具體流程為： a) 利用大氣偏振探測裝置，采用宏觀性好易測量的Stokes矢量表征成像全天域光的 偏振態(tài)，實現(xiàn)偏振圖像數(shù)據(jù)的獲取、傳輸和預(yù)處理、偏振圖像Stokes參數(shù)、偏振度和偏振方 位角信息的計算； b) 結(jié)合中性點在偏振圖像中同偏振度分布與中性線分布間的關(guān)系特征，利用圖像處理 算法連續(xù)對圖像中偏振像素單元偏振度為零的點進行跟蹤檢測和識別，確定載體坐標系下 偏振圖像中的對稱軸即太陽子午線位置，根據(jù)偏振模式的分布特性，進一步區(qū)分太陽子午 線與逆太陽子午線方向，從而獲得載體朝向與太陽子午線之間的夾角； c) 根據(jù)天文歷相關(guān)理論公式，由載體的經(jīng)煒度、觀測年份、日期及時間來確定當?shù)靥?方位角，結(jié)合載體朝向與太陽子午線之間的夾角，得到與地理正北方向夾角即航向信息； 2) 建立改進的車輛動態(tài)數(shù)學(xué)模型： 車輛在道路行駛是一個較為復(fù)雜的運動學(xué)過程，一般情況下，假設(shè)路面是平坦和水平 的，車輛轉(zhuǎn)向時簡化的運動學(xué)模型：車輛任意t時刻的狀態(tài)以{xtytZt (6,}來表征，其中， t取非負整數(shù)，Ixtytzt}定義為t時刻載體坐標系下的位置值，載體坐標系定義為坐標原 點位于載體重心、X軸指向載體橫軸方向、y軸指向載體縱軸方向、z軸指向載體豎軸方向， 通常用表示為載體坐標系（b)系，(6,表示t時刻載體縱軸方向相對于X軸的方位角，結(jié)合 車輛四輪轉(zhuǎn)向模型，A表示連續(xù)時刻后輪軸心行駛的距離，《表示橫擺角速度，p表示車 體轉(zhuǎn)彎半徑，e表示輪距的一半，L表示軸距，0表