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专利名称：基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法及导航定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种仿生导航方法及导航定位系统，特别是关于ー种基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法及导航定位系统。
背景技术：
仿生偏振导航是生物利用光的偏振特性来确定參考方向的ー种自主式导航方式， 是自然界天然的导航方式之一。这种导航方式可以避免现有导航方式的ー些不足，与惯性导航、GPS导航或地磁导航相组合成为ー种高精度的导航手段。遥感是通过远距离成像的ー种方式，或一种远距离观测方法。目前利用天空偏振光实现遥感探测主要是单点定向测量，即测量某一高度角处的天空偏振光分布信息，然后通过调整仪器的高度角采用对不同方位的天空光进行多次測量，最后对各个方位的测量结果进行综合分析得到探測結果，上述的单点定向測量方法对每次测量的范围和视野都有一定的局限性，而且在调整测量方位吋，在对不同方位分別进行测量时会产生时间差，在这个时间差的范围内，天空偏振光的分布将会发生变化，这样会导致测量的结果产生误差，而且现有技术对导航过程中天空偏振光的盲点问题(偏振度为零)不能有效的监测和克服。

发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供ー种能够实时、快速、測量覆盖区域大、导航精度高，且能够有效避开导航盲点的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法及导航定位系统，也是利用仿生手段将遥感观测影像服务于导航定位方法及系统的技木。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案ー种基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，包括以下步骤1)设置ー包括有三个数码相机的全天空偏振光測量系统，每一所述数码相机前端设置有一鱼眼镜头，每一所述鱼眼镜头前端依次设置有一偏振片和ー 滤波片，每一所述数码相机的输出端连接ー计算机ク)采用全天空偏振光測量方法，对天空光光强进行三幅影像的同时测量，计算得到偏振度和偏振方位角，得到遥感天空偏振模式图；；3)采用全天空偏振光測量方法，通过对遥感天空偏振模式图中的偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析，得到最适合偏振导航的外部条件；4)结合天文导航原理，求解不同时刻的太阳方位角，并利用太阳方位角修正太阳子午线与载体之间的夹角，得到以地理南北为參考方向的航向角力)采用GPS导航方式与偏振导航方式的組合导航方式对偏振导航盲点进行处理。实现所述仿生导航方法的基于遥感天空偏振模式图的导航定位系统，其特征在于它包括一 GPS接收机、一里程仪和ー偏振光測量系统，所述里程仪和偏振光測量系统的输出端连接ー航位推算�？榈氖淙攵耍�所述GPS接收机和航位推算模块的输出端分别连接到一数据采集�？榈氖淙攵耍�所述数据采集模块的输出端连接一信号检测与决策�？榈氖涑龆耍�所述信号检测与决策�？榈氖涑龆朔直鹆�接一 GPS导航单独定位系统、一 GPS/偏振导航组合定位系统和ー偏振导航单独定位系统的输入端，所述GPS导航单独定位系统、GPS/偏振导航组合定位系统和偏振导航单独定位系统的输出端分别连接一定位信息解算�？椋�同时所述偏振光測量系统的输出端还连接ー导航盲点监测�？椋�所述导航盲点监测�？榈氖涑龆肆�接所述信号检测与决策�？榈氖涑龆�。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明采用三个数码相机对測量区域同时进行多方位的測量，将单点測量扩展为全天空区域的偏振光測量，进而形成类似磁场、重力场的天空偏振状态图即遥感天空偏振模式图，该方法快速实时，避免单点定向測量方法因为调整測量方位角而导致的測量时间误差，有效保证了測量结果的精度。2、 本发明的数码相机采用鱼眼镜头，扩大了视野空间，使其具有180°的立体空间角，有效的避免了单点测量空间范围小的缺点。3、本发明采用全天空偏振光測量方法，通过对遥感天空偏振模式图的各个影响因素进行测量，得到了最适合偏振导航的外部条件。4、本发明结合天文导航原理，利用太阳当前的方位角修正偏振光測量系统输出的角度，使得偏振导航更具有实用性。5、本发明的导航定位系统设置有导航盲点监测�？椋�一旦检测到偏振度为零则单独采用GPS导航单独定位系统避开导航盲点，増加了偏振导航的有效性，偏振度不为零吋，可以采用GPS导航与偏振导航系统组合导航的方式精确导航。6、本发明可以对偏振影像的偏振度強弱、偏转角大小等进行等级划分、显示，对获取的偏振影像进行实时处理，从而得到了遥感天空偏振光分布的直观信息。本发明可以广泛用于各种不同条件下的导航定位的測量和研究中。


图1是本发明方法的流程示意图；图2是本发明中偏振度平均值与太阳高度角的关系示意图，其中横坐标为时间， 单位为h，纵坐标为偏振度值，用百分数表示；图3是本发明中不同波段偏振度影像的偏振度平均值示意图，其中横坐标表示波段，单位为nm，纵坐标为偏振度值，用百分数表示，“ + ”为睛朗天空，“〇”为阴天天空；图4是本发明中不同的观测波段下，各个波段偏振度平均值与太阳高度角的关系示意图，其中图中最上方的“ +，，为红色波段、中间的“ _■_，，为蓝色波段、最下方的 “ ，，为紫色波段；图5是本发明中偏振方位角在不同天气条件下的分布情况效果示意图；图6是本发明中睛朗天空偏振方位角随时间即太阳高度角变化情况效果示意图；图7是本发明中睛朗天空条件下不同波段的天空偏振方位角分布效果示意图；图8(a)是本发明中天体在地球上的投影示意图；图8(b)是本发明中导航三角形示意图；图9是本发明中偏振导航中性点-导航盲点示意图；图10是本发明的导航定位系统的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。众所周知，由于太阳光经大气粒子散射而使天空光具有偏振特性，天空偏振光的分布特征通常用偏振度和偏振方位角表示。地球表面和大气中的目标地物，在反射、散射和透射太阳光(电磁辐射)的过程中使得散射光产生偏振特征，以此可以作为偏振导航的信息源。如图1所示，本发明的偏振光測量系统包括有三个数码相机，每ー数码相机前端设置ー鱼眼镜头，每ー鱼眼镜头前端依次设置有一偏振片和ー滤波片，每ー数码相机的输出端连接到同一计算机，采用本发明的偏振光測量系统获取导航信息的方法包括以下步骤1)采用全天空偏振光測量方法，对天空光光强进行三幅影像的同时测量，求解描述天空光偏振状态的偏振度和偏振方位角，得到遥感天空偏振模式图。在任一 XOY平面，与X轴夹角为α的方向上进行观测所得的天空光光强为
权利要求
1.ー种基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，包括以下步骤1)设置ー包括有三个数码相机的全天空偏振光測量系统，每一所述数码相机前端设置有一鱼眼镜头，每一所述鱼眼镜头前端依次设置有一偏振片和ー滤波片，每一所述数码相机的输出端连接ー计算机；2)采用全天空偏振光測量方法，对天空光光强进行三幅影像的同时测量，计算得到偏振度和偏振方位角，得到遥感天空偏振模式图；3)采用全天空偏振光測量方法，通过对遥感天空偏振模式图中的偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析，得到最适合偏振导航的外部条件；4)结合天文导航原理，求解不同时刻的太阳方位角，并利用太阳方位角修正太阳子午线与载体之间的夹角，得到以地理南北为參考方向的航向角；5)采用GPS导航方式与偏振导航方式的組合导航方式对偏振导航盲点进行处理。
2.如权利要求1所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于所述步骤2、中的全天空偏振光測量方法单次测量区域面积大，立体空间角可达180度，避免了单点测量带来的时间误差，同时形成对不同參量提取的、形成遥感天空偏振模式图的系统化方法。
3.如权利要求1所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于所述步骤幻中采用全天空偏振光測量方法，通过对遥感天空偏振模式图中的偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析，得到最适合偏振导航的外部条件，是以遥感天空偏振模式图为基�。�得到了偏振影像系统化处理模型及软件，对偏振度強弱、偏转角大小进行等级划分、显示清晰直观。
4.如权利要求2所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于所述步骤幻中采用全天空偏振光測量方法，通过对遥感天空偏振模式图中的偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析，得到最适合偏振导航的外部条件，是以遥感天空偏振模式图为基�。�得到了偏振影像系统化处理模型及软件，对偏振度強弱、偏转角大小进行等级划分、显示清晰直观。
5.如权利要求1或2或3或4所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于综合分析在不同天气条件、不同高度角以及不同观测波段的条件下天空偏振光分布规律，结合理论的分析結果，得到最适合导航的环境条件，同时给出了导航盲点的处理方法。
6.如权利要求1或2或3或4所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于所述步骤4)区别于以太阳子午线作为导航參考线的方法，而是用太阳方位角对导航角度进行补偿，以固定的南北极作为导航參考方向。
7.如权利要求5所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在于所述步骤4)区别于以太阳子午线作为导航參考线的方法，而是用太阳方位角对导航角度进行补偿，以固定的南北极作为导航參考方向。
8.如权利要求1 7任一项所述的基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法，其特征在干通过遥感观测的方法得到遥感天空偏振模式图，服务于仿生导航应用及导航应用，形成遥感手段服务于导航方法和系统的技木。
9.实现如权利要求1 8任ー项所述仿生导航方法的基于遥感天空偏振模式图的导航CN 102538783 A定位系统，其特征在于它包括一 GPS接收机、一里程仪和ー偏振光測量系统，所述里程仪和偏振光測量系统的输出端连接ー航位推算�？榈氖淙攵耍�所述GPS接收机和航位推算�？榈氖涑龆朔直鹆�接到一数据采集模块的输入端，所述数据采集�？榈氖涑龆肆�接一信号检测与决策�？榈氖涑龆耍�所述信号检测与决策�？榈氖涑龆朔直鹆�接一 GPS导航单独定位系统、一 GPS/偏振导航组合定位系统和ー偏振导航单独定位系统的输入端，所述GPS导航单独定位系统、GPS/偏振导航组合定位系统和偏振导航单独定位系统的输出端分别连接一定位信息解算�？椋�同时所述偏振光測量系统的输出端还连接ー导航盲点监测�？椋�所述导航盲点监测�？榈氖涑龆肆�接所述信号检测与决策�？榈氖涑龆�。
全文摘要
本发明涉及一种基于遥感天空偏振模式图的仿生导航方法及导航定位系统，包括以下步骤采用全天空偏振遥感测量方法，对天空光光强进行三副影像的同时测量，求解描述天空光偏振状态的偏振度和偏振方位角，得到遥感天空偏振模式图；采用全天空偏振光测量方法，通过对遥感天空偏振模式图中的偏振度和偏振方位角的各个影响因素进行分析，得到最适合偏振导航的外部条件；结合天文导航理论知识，求解不同时刻的太阳方位角，并利用太阳方位角修正太阳子午线与载体之间的夹角，得到以地理南北为参考方向的航向角；采用GPS导航方式与偏振导航方式的组合导航方式对偏振导航盲点进行处理。本发明可以广泛用于各种不同条件下的导航定位的测量和研究中，也是利用仿生手段将遥感观测影像服务于导航定位方法和系统的专项新技术。
文档编号G01C21/00GK102538783SQ20121003276
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月14日 优先权日2012年2月14日
发明者关桂霞, 吴太夏, 吴波, 施健, 晏磊, 杨文剑, 聂志彪, 赵海盟, 赵炳爱, 陈伟, 高付民 申请人:北京大学