CN114608564B - 一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法 - Google Patents

一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114608564B
CN114608564B CN202210507489.6A CN202210507489A CN114608564B CN 114608564 B CN114608564 B CN 114608564B CN 202210507489 A CN202210507489 A CN 202210507489A CN 114608564 B CN114608564 B CN 114608564B
Authority
CN
China
Prior art keywords
vector
polarization
moon
earth
starlight
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210507489.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114608564A (zh
Inventor
王岩
杨悦婷
杨健
郭雷
陈泰航
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN202210507489.6A priority Critical patent/CN114608564B/zh
Publication of CN114608564A publication Critical patent/CN114608564A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114608564B publication Critical patent/CN114608564B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/02—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by astronomical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于夜间月光偏振‑星光信息融合的组合定位方法，首先，利用偏振传感器获取偏振矢量信息，利用星敏感器获得星光矢量信息，根据二者计算月亮矢量和星光矢量之间的夹角；其次，通过天体几何位置关系，建立上一步中得到的夹角和由观测者位置O指向月亮点M的矢量之间的关系，求出该矢量的最优解；再次，通过所求最优解，根据地球椭球体方程和以最优解为方向且过月亮点的直线方程，计算地球与该直线的交点坐标；最后，根据交点坐标计算观测者所在位置的经度、纬度值。本发明通过将夜间天空偏振信息和星光信息相结合，解决大气层内无人系统的自主定位问题。

Description

一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法
技术领域
本发明属于无人系统自主定位领域，具体涉及一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法。
背景技术
夜间环境具有能见度低、可视性差的特点，具备夜间导航能力对于无人系统完成任务有着重要的意义。针对夜间陌生的导航环境，单一的导航方式都存在各自的局限性，因此，在实际应用中常采用多种手段组合进行导航。惯性、天文和卫星的组合模式是目前常用的导航方法。但是，惯导存在误差积累，卫星导航在城市建筑区域或电磁干扰环境下容易失效。天文导航是常用的自主导航手段，基于星光信息的天文导航常采用星敏感器作为测量仪器，具有高精度的优点。但由于星光距离地球很远，而地球上载体的运动又不足以改变星矢量的指向，因此，星敏感器需要结合其他导航方式进行组合。而现有的惯性/天文组合定位又会受到惯导所提供的水平基准的精度限制，随着惯导误差的积累，定位精度也会逐渐下降。
偏振光导航也是一种基于天空信息的导航方法，具有隐蔽性好，误差不随时间积累，不易受到外界干扰的优点。不同于遥远的星光，夜间的偏振光由地球的近天体——月亮产生。因此，由月光形成的天空偏振信息和星光信息之间的夹角会随着载体在地球上观测位置的不同而改变，这一夹角可以直接由偏振传感器和星敏感器测得，不依赖于载体先验姿态信息，因此，通过结合夜间偏振光和星光的信息特点，可实现大气层内夜间环境下不依赖于惯导姿态平台的自主定位方法，在卫星信号失效条件下，仍提供高精度的位置信息。
现有组合定位方法，如论文“一种基于 INS/GPS/CNS的全信息导航滤波算法”利用了GPS的信息，系统抗干扰能力较弱，自主性差；而基于偏振和星光信息的组合定位方法，如已授权的中国发明专利“一种基于偏振/天文辅助的自主导航定位方法(ZL201911250913.8)”利用了惯导系统提供的姿态平台，定位结果会受到惯导精度的限制。
发明内容
考虑现有技术存在的问题，本发明提出一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法，该方法通过将夜间天空偏振信息和星光信息相结合，解决大气层内无人系统的自主定位问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法，包括如下步骤：
（1）利用偏振传感器获取两个不同观测方向上被观测天空点的偏振矢量
Figure 125391DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 898175DEST_PATH_IMAGE002
，利用星敏感器获得星光矢量
Figure 235616DEST_PATH_IMAGE003
，其中，k表示第k个星光矢量，b表示载体坐标系，由于偏振 矢量
Figure 144666DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 10991DEST_PATH_IMAGE002
和月亮矢量之间存在垂直关系，因此，获得月亮矢量和星光矢量之间的夹角
Figure 271071DEST_PATH_IMAGE004
；
（2）通过天体几何位置关系，建立上一步中得到的夹角
Figure 146623DEST_PATH_IMAGE004
和由观测者位置O指向 月亮点M的矢量
Figure 113442DEST_PATH_IMAGE005
的关系。根据地球系下的星光矢量
Figure 681826DEST_PATH_IMAGE006
和夹角
Figure 366886DEST_PATH_IMAGE004
，定义矢量
Figure 46129DEST_PATH_IMAGE005
的优 化问题，并求出该问题的最优解
Figure 133033DEST_PATH_IMAGE007
；其中，所述地球系为e系；
（3）通过上一步得到的最优解
Figure 606740DEST_PATH_IMAGE007
，根据地球椭球体方程和以最优解
Figure 841412DEST_PATH_IMAGE007
为方向 且过观测者位置O、月亮点M的直线OM的直线方程，计算地球与直线OM的交点
Figure 262029DEST_PATH_IMAGE008
的坐标
Figure 265758DEST_PATH_IMAGE009
，其中，
Figure 910365DEST_PATH_IMAGE010
表示交点
Figure 570017DEST_PATH_IMAGE008
在e系下的三维坐标值；
（4）根据交点
Figure 591063DEST_PATH_IMAGE008
的坐标
Figure 652559DEST_PATH_IMAGE009
计算观测者位置的经度、纬度 值
Figure 468069DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 615016DEST_PATH_IMAGE012
。
进一步地，所述步骤（1）中，所述夹角
Figure 439753DEST_PATH_IMAGE004
，表示为：
Figure 355756DEST_PATH_IMAGE013
其中，夹角
Figure 345096DEST_PATH_IMAGE004
的取值范围为[0°,180°]。
进一步地，所述步骤（2）中，通过天体几何位置关系，建立e系下的夹角
Figure 776078DEST_PATH_IMAGE004
和由观 测者位置O指向月亮点M的矢量
Figure 76609DEST_PATH_IMAGE005
的关系如下：
Figure 175015DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 535589DEST_PATH_IMAGE015
为e系下的星光矢量，根据天文年历求取；
为了求解矢量
Figure 453867DEST_PATH_IMAGE005
，定义优化问题为：
Figure 558089DEST_PATH_IMAGE016
其中，J为目标函数，
Figure 511002DEST_PATH_IMAGE017
矩阵和
Figure 42477DEST_PATH_IMAGE018
矩阵的具体表示如下：
Figure 448051DEST_PATH_IMAGE019
在上式中，
Figure 887122DEST_PATH_IMAGE020
为当k=1,2,…,n时对应的
Figure 632224DEST_PATH_IMAGE021
值，
Figure 396918DEST_PATH_IMAGE022
为当k=1,2,…,n时对应的
Figure 227471DEST_PATH_IMAGE004
值，
Figure 735812DEST_PATH_IMAGE023
分别表示n×3和n ×1维的实数集，将
Figure 335421DEST_PATH_IMAGE005
记为
Figure 271016DEST_PATH_IMAGE024
，则当拉格朗日乘子
Figure 588865DEST_PATH_IMAGE025
满足如下关系式时：
Figure 635318DEST_PATH_IMAGE026
其中，I为单位矩阵；
优化问题的最优解如下：
Figure 151750DEST_PATH_IMAGE027
求解方程
Figure 195930DEST_PATH_IMAGE028
，并挑选出其中对应目标函数J最小的解，记为
Figure 63392DEST_PATH_IMAGE029
，进而得 到优化问题最优解
Figure 851219DEST_PATH_IMAGE007
。
进一步地，所述步骤（3）中，所述直线OM的直线方程表示为：
Figure 487737DEST_PATH_IMAGE030
其中，
Figure 702817DEST_PATH_IMAGE031
代表OM直线上的任意点，
Figure 57575DEST_PATH_IMAGE032
代表该点的 三维坐标值，
Figure 383514DEST_PATH_IMAGE033
代表直线方程的参数，
Figure 874539DEST_PATH_IMAGE034
代表月亮位置，根据天文年历求取；
上式定义了以最优解
Figure 526100DEST_PATH_IMAGE007
为方向向量且过月亮位置
Figure 839925DEST_PATH_IMAGE034
的直线，将地球椭球方程 与该直线方程联立，求解得到观测者位置，即直线与地球的交点
Figure 31872DEST_PATH_IMAGE035
，假设
Figure 580665DEST_PATH_IMAGE036
并且
Figure 199865DEST_PATH_IMAGE037
，其中，
Figure 201319DEST_PATH_IMAGE038
表示月亮位置
Figure 196957DEST_PATH_IMAGE034
在e系下的三维坐标值，m,n,p表示最优解
Figure 600257DEST_PATH_IMAGE007
在e系下的三维坐标值。那么交点
Figure 390358DEST_PATH_IMAGE039
由上述直线方程求出，其中直线方程的参数t计算如下：
Figure 879108DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure 412858DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 670664DEST_PATH_IMAGE042
分别为椭球长半轴和短半轴，根据地球标准模型获得；上述计算 结果包含两个交点，其中绝对值更小的直线方程的参数t对应的结果为待求的观测者位置， 即交点
Figure 897246DEST_PATH_IMAGE035
。
进一步地，所述步骤（4）中，根据上一步得到的交点坐标
Figure 873292DEST_PATH_IMAGE039
计算观测者位置的经纬度，计算公式为：
Figure 679574DEST_PATH_IMAGE043
其中，e f 为地球椭球偏心率，根据地球标准模型获得；
Figure 119783DEST_PATH_IMAGE044
是观测者位置的经 度、纬度。
本发明与现有技术相比优点在于：
（1）本发明与现有基于偏振/星光信息的定位方法相比，不依赖于先验姿态信息，不受惯导精度的限制。
（2）本发明所设计组合方式在大气层内夜间陌生环境中具有较强的适用性，可作为卫星信号失效条件下的一种有效的自主定位手段。
（3）本发明可用于无人机、无人船、无人车等无人系统的位置获取，提高无人系统在无卫星信号下的自主导航能力。
附图说明
图1为本发明的基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法流程图；
图2为本发明的定位原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法的具体实现步骤如下：
步骤1、利用偏振传感器获取两个不同观测方向上被观测天空点的偏振矢量
Figure 715029DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 528264DEST_PATH_IMAGE002
，利用星敏感器获得星光矢量
Figure 822979DEST_PATH_IMAGE003
，其中，k表示第k个星光矢量，b表示载体坐标系，由于 偏振矢量
Figure 329047DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 76423DEST_PATH_IMAGE002
和月亮矢量之间存在垂直关系，因此，获得月亮矢量和星光矢量之间的 夹角
Figure 693349DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure 842571DEST_PATH_IMAGE046
（1）
其中，夹角
Figure 519540DEST_PATH_IMAGE004
的取值范围为[0°,180°]。
步骤2、通过天体几何位置关系，如图2所示，图中
Figure 754212DEST_PATH_IMAGE047
在b系下的表示即为上 述步骤中的
Figure 909250DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 178557DEST_PATH_IMAGE002
，图中
Figure 26428DEST_PATH_IMAGE048
表示星光矢量，其在地球系（e系）和b系下的表示分别为
Figure 748396DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 707125DEST_PATH_IMAGE050
，图中E表示地球球心，P it 表示观测者位置的三维坐标；建立e系下夹角
Figure 290991DEST_PATH_IMAGE004
和由观测 者位置O指向月亮点M的矢量
Figure 372079DEST_PATH_IMAGE005
的关系如下：
Figure 519027DEST_PATH_IMAGE051
（2）
其中，
Figure 343764DEST_PATH_IMAGE005
为图2中矢量
Figure 259767DEST_PATH_IMAGE052
在e系下的表示，
Figure 246178DEST_PATH_IMAGE049
为e系下的星光矢量，根据天文 年历求取；
为了求解矢量
Figure 880421DEST_PATH_IMAGE005
，定义优化问题为：
Figure 243269DEST_PATH_IMAGE053
（3）
其中，J为目标函数，
Figure 279359DEST_PATH_IMAGE017
矩阵和
Figure 436670DEST_PATH_IMAGE018
矩阵的具体表示如下：
Figure 354948DEST_PATH_IMAGE054
在上式中，
Figure 459170DEST_PATH_IMAGE020
为当k=1,2,…,n时对应的
Figure 146503DEST_PATH_IMAGE021
值，
Figure 677979DEST_PATH_IMAGE022
为当k=1,2,…,n时对应的
Figure 83552DEST_PATH_IMAGE004
值，
Figure 991466DEST_PATH_IMAGE023
分别表示n×3和n ×1维的实数集，将公式(3)二范数展开，并将
Figure 798885DEST_PATH_IMAGE005
记为
Figure 501261DEST_PATH_IMAGE024
，则这一优化问题可以表示为：
Figure 394131DEST_PATH_IMAGE055
（4）
该优化问题的最优性条件如下：
Figure 840156DEST_PATH_IMAGE056
（5）
其中，
Figure 502081DEST_PATH_IMAGE057
表示0向量，维度为3×1，I为单位矩阵。则当拉格朗日乘子
Figure 172097DEST_PATH_IMAGE025
满足如下 关系式时：
Figure 489946DEST_PATH_IMAGE026
(6)
优化问题的最优解如下：
Figure 536399DEST_PATH_IMAGE027
(7)
为了求解作为未知数的拉格朗日乘子
Figure 256094DEST_PATH_IMAGE025
，令矩阵
Figure 362590DEST_PATH_IMAGE058
以及
Figure 167735DEST_PATH_IMAGE059
，P可以分解为
Figure 17879DEST_PATH_IMAGE060
，其中
Figure 592080DEST_PATH_IMAGE061
为正交矩阵，
Figure 872407DEST_PATH_IMAGE062
表示3 ×3的实数集，
Figure 899269DEST_PATH_IMAGE063
是以矩阵P的特征值
Figure 553104DEST_PATH_IMAGE064
为对角线元素的对角阵。进一步，将
Figure 981812DEST_PATH_IMAGE065
的表示代入公式(6)，可将
Figure 430111DEST_PATH_IMAGE066
转换为：
Figure 209848DEST_PATH_IMAGE067
(8)
其中，
Figure 401795DEST_PATH_IMAGE068
代表由Q·q计算得到的向量的第
Figure 481746DEST_PATH_IMAGE069
个元素。
进一步，求解一元方程
Figure 304209DEST_PATH_IMAGE070
，并挑选出其中对应目标函数J最小的解，记 为
Figure 367980DEST_PATH_IMAGE071
。其中，目标函数J和
Figure 301301DEST_PATH_IMAGE072
的关系可以由公式(3)和公式(7)化简得到，表示为：
Figure 501338DEST_PATH_IMAGE073
(9)
其中，
Figure 494702DEST_PATH_IMAGE074
代表由U·B计算得到的向量的第
Figure 45769DEST_PATH_IMAGE075
个元素。
Figure 517201DEST_PATH_IMAGE076
为对A进行SVD 分解得到的正交矩阵。将
Figure 837324DEST_PATH_IMAGE077
代入公式(7)，即可得到优化问题最优解
Figure 1589DEST_PATH_IMAGE007
。
步骤3、通过上一步得到的
Figure 774373DEST_PATH_IMAGE007
，计算地球与以
Figure 49497DEST_PATH_IMAGE007
为方向且过月亮点M的直线OM 的交点，OM的直线方程表示为：
Figure 489705DEST_PATH_IMAGE030
(10)
其中，
Figure 356030DEST_PATH_IMAGE031
代表OM直线上的任意点，
Figure 819372DEST_PATH_IMAGE032
代表该点的 三维坐标值，
Figure 429345DEST_PATH_IMAGE078
代表直线方程的参数，
Figure 724060DEST_PATH_IMAGE034
代表月亮位置，可以根据天文年历求取；
上式定义了以最优解
Figure 964549DEST_PATH_IMAGE007
为方向向量且过月亮位置
Figure 977504DEST_PATH_IMAGE034
的直线，为求该直线与地 球的交点，需表示出地球方程，地球椭球体的方程描述为：
Figure 594430DEST_PATH_IMAGE079
(11)
其中，x,y,z代表椭球上任意一点的三维坐标值，
Figure 743652DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 420621DEST_PATH_IMAGE042
分别为椭球长半轴和 短半轴，根据地球标准模型获得；将上面两式联立，求解得到观测者位置的三维坐标，即直 线与地球的交点
Figure 392644DEST_PATH_IMAGE035
的三维坐标，对应图2中
Figure 609998DEST_PATH_IMAGE080
在e系下的表示，假设
Figure 816989DEST_PATH_IMAGE081
并且
Figure 461597DEST_PATH_IMAGE082
，其中，
Figure 121248DEST_PATH_IMAGE083
表示月亮位置
Figure 142294DEST_PATH_IMAGE084
在e系下的三维坐标值，m,n,p表示最优解
Figure 203791DEST_PATH_IMAGE007
在e系下的三维坐标值；那么
Figure 284879DEST_PATH_IMAGE085
的坐标 的计算公式如公式(10)，直线方程的参数t计算如下：
Figure 431827DEST_PATH_IMAGE086
(12)
上述计算结果包含两个交点，其中绝对值更小的t对应的结果为待求的观测者位 置，即交点
Figure 990984DEST_PATH_IMAGE085
的三维坐标。
步骤4、根据上一步得到的交点坐标
Figure 906988DEST_PATH_IMAGE087
，其中，
Figure 158977DEST_PATH_IMAGE088
表示
Figure 793221DEST_PATH_IMAGE085
在e系下的三维坐标值，计算观测者位置的经纬度，计算公式为：
Figure 156069DEST_PATH_IMAGE089
(13)
其中，e f 为地球椭球偏心率，根据地球标准模型获得；
Figure 926579DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 349470DEST_PATH_IMAGE012
是观测者位置的经度、 纬度。
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的公知技术。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）利用偏振传感器获取两个不同观测方向上被观测天空点的偏振矢量
Figure RE-196707DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure RE-448434DEST_PATH_IMAGE002
，利用星敏感器获得星光矢量
Figure RE-595382DEST_PATH_IMAGE003
，其中，k表示第k个星光矢量，b表示载体坐标系，由于偏振矢量
Figure RE-357802DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure RE-8226DEST_PATH_IMAGE002
和月亮矢量垂直，从而获得月亮矢量和星光矢量之间的夹角
Figure RE-932320DEST_PATH_IMAGE004
；
（2）通过天体几何位置关系，建立上一步中得到的夹角
Figure RE-300984DEST_PATH_IMAGE004
和由观测者位置O指向月亮点M的矢量
Figure RE-601515DEST_PATH_IMAGE005
的关系；根据地球系下的星光矢量
Figure RE-372025DEST_PATH_IMAGE006
和夹角
Figure RE-467020DEST_PATH_IMAGE004
，定义矢量
Figure RE-588560DEST_PATH_IMAGE005
的优化问题，并求出该优化问题的最优解
Figure RE-692782DEST_PATH_IMAGE007
，其中，所述地球系为e系，具体包括：
通过天体几何位置关系，建立e系下的夹角
Figure RE-317799DEST_PATH_IMAGE004
和由观测者位置O指向月亮点M的矢量
Figure RE-85160DEST_PATH_IMAGE005
的关系如下：
Figure RE-428416DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure RE-336329DEST_PATH_IMAGE009
为e系下的星光矢量，根据天文年历求取；
为了求解矢量
Figure RE-81432DEST_PATH_IMAGE005
，定义优化问题为：
Figure RE-518229DEST_PATH_IMAGE010
其中，J为目标函数，
Figure RE-348782DEST_PATH_IMAGE011
矩阵和
Figure RE-794807DEST_PATH_IMAGE012
矩阵的具体表示如下：
Figure RE-394415DEST_PATH_IMAGE013
在上式中，
Figure RE-267693DEST_PATH_IMAGE014
为当k=1,2,…,n时对应的
Figure RE-319963DEST_PATH_IMAGE015
值，
Figure RE-304100DEST_PATH_IMAGE016
为当k=1,2,…,n时对应的
Figure RE-23794DEST_PATH_IMAGE004
值，
Figure RE-67973DEST_PATH_IMAGE017
分别表示n×3和n×1维的实数集，将
Figure RE-106074DEST_PATH_IMAGE005
记为
Figure RE-893902DEST_PATH_IMAGE018
，则当拉格朗日乘子
Figure RE-468102DEST_PATH_IMAGE019
满足如下关系式时：
Figure RE-683183DEST_PATH_IMAGE020
优化问题的最优解如下：
Figure RE-710045DEST_PATH_IMAGE021
其中，I为单位矩阵；
求解方程
Figure RE-35984DEST_PATH_IMAGE022
，并挑选出其中对应目标函数J最小的解，记为
Figure RE-464691DEST_PATH_IMAGE023
，进而得到优化问题最优解
Figure RE-850673DEST_PATH_IMAGE007
；
（3）通过上一步得到的最优解
Figure RE-630410DEST_PATH_IMAGE007
，根据地球椭球体方程和以最优解
Figure RE-760041DEST_PATH_IMAGE007
为方向且过观测者位置O、月亮点M的直线OM的直线方程，计算地球与直线OM的交点
Figure RE-777675DEST_PATH_IMAGE024
的坐标
Figure RE-600138DEST_PATH_IMAGE025
，其中，
Figure RE-601592DEST_PATH_IMAGE026
表示交点
Figure RE-534913DEST_PATH_IMAGE024
在e系下的三维坐标值；
（4）根据所述交点
Figure RE-908518DEST_PATH_IMAGE024
的坐标
Figure RE-901882DEST_PATH_IMAGE027
计算观测者位置的经度、纬度值
Figure RE-390632DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure RE-862065DEST_PATH_IMAGE029
。
2.根据权利要求1所述的一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述夹角
Figure RE-119871DEST_PATH_IMAGE004
，表示为：
Figure RE-18557DEST_PATH_IMAGE030
其中，夹角
Figure RE-729024DEST_PATH_IMAGE004
的取值范围为[0°,180°]。
3.根据权利要求2所述的一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法，其特征在于：所述步骤（3）中，所述直线OM的直线方程表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE031
其中，
Figure RE-738568DEST_PATH_IMAGE032
代表OM直线上的任意点，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE033
代表该点的三维坐标值，t代表直线方程的参数，
Figure RE-319722DEST_PATH_IMAGE036
代表月亮位置，根据天文年历求取；
上式定义了以最优解
Figure RE-389310DEST_PATH_IMAGE007
为方向向量且过月亮位置
Figure RE-85608DEST_PATH_IMAGE036
的直线，将地球椭球方程与该直线方程联立，求解得到观测者位置，即直线与地球的交点
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE037
，假设
Figure RE-633264DEST_PATH_IMAGE038
并且
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE039
，其中，
Figure RE-334504DEST_PATH_IMAGE040
表示月亮位置
Figure RE-574992DEST_PATH_IMAGE036
在e系下的三维坐标值，m,n,p表示最优解
Figure RE-525631DEST_PATH_IMAGE007
在e系下的三维坐标值；那么交点
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE041
由上述直线方程求出，其中直线方程的参数t计算如下：
Figure RE-876977DEST_PATH_IMAGE042
其中，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure RE-167144DEST_PATH_IMAGE044
分别为椭球长半轴和短半轴，根据地球标准模型获得；上述计算结果包含两个交点，其中绝对值更小的直线方程的参数t对应的结果为待求的观测者位置，即交点
Figure RE-506215DEST_PATH_IMAGE037
。
4.根据权利要求3所述的一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法，其特征在于：所述步骤（4）中，根据上一步得到的交点
Figure RE-395674DEST_PATH_IMAGE037
的坐标
Figure RE-602664DEST_PATH_IMAGE041
计算观测者位置的经纬度，计算公式为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE045
其中，e f 为地球椭球偏心率，根据地球标准模型获得；
Figure RE-919376DEST_PATH_IMAGE046
是观测者位置的经度、纬度。
CN202210507489.6A 2022-05-11 2022-05-11 一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法 Active CN114608564B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210507489.6A CN114608564B (zh) 2022-05-11 2022-05-11 一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210507489.6A CN114608564B (zh) 2022-05-11 2022-05-11 一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114608564A CN114608564A (zh) 2022-06-10
CN114608564B true CN114608564B (zh) 2022-07-29

Family

ID=81870356

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210507489.6A Active CN114608564B (zh) 2022-05-11 2022-05-11 一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114608564B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115343743B (zh) * 2022-08-10 2025-04-11 烟台赤乌科技有限公司 一种不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位系统及方法
CN120489102B (zh) * 2025-06-11 2026-02-03 北京航空航天大学 一种考虑量测失效的夜间惯性、星光和偏振组合导航方法及装置

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB146545A (en) * 1917-07-31 1918-08-09 Thomas Yeomans Baker Navigation machine for determination of position from astronomical observations
WO2001046648A1 (fr) * 1999-12-21 2001-06-28 Hidemi Miura Systeme de navigation dote d'une carte du ciel
CN101178312A (zh) * 2007-12-12 2008-05-14 南京航空航天大学 基于多信息融合的航天器组合导航方法
CN101852616A (zh) * 2010-04-30 2010-10-06 北京航空航天大学 一种高动态条件下实现星体目标提取的方法和装置
EP2480869A1 (en) * 2009-09-22 2012-08-01 Vorotec Ltd. Apparatus and method for navigation
CN103148849A (zh) * 2013-03-12 2013-06-12 北京控制工程研究所 基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法
WO2020033068A2 (en) * 2018-06-27 2020-02-13 Polaris Sensor Technologies Inc. Celestial positioning system and method
CN110887476A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 基于偏振-天文夹角信息观测的自主航向与姿态确定方法
CN110906926A (zh) * 2019-12-02 2020-03-24 哈尔滨工业大学 近地空间全天时高精度swir恒星敏感系统及方法
CN111307139A (zh) * 2019-12-09 2020-06-19 北京航空航天大学 一种基于偏振/天文信息融合的航向与姿态确定方法
CN111595329A (zh) * 2020-05-29 2020-08-28 北京航空航天大学 一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法
CN111947652A (zh) * 2020-08-13 2020-11-17 北京航空航天大学 一种适用于月球着陆器的惯性/视觉/天文/激光测距组合导航方法
CN111947653A (zh) * 2020-08-13 2020-11-17 北京航空航天大学 一种月面巡视探测器双模式惯性/视觉/天文导航方法
CN113063436A (zh) * 2021-02-25 2021-07-02 上海卫星工程研究所 评估卫星稳定度及指向精度在轨性能的预报方法及系统
CN113589343A (zh) * 2021-07-19 2021-11-02 中国科学院微小卫星创新研究院 一种基于月球成像敏感器的月心矢量和太阳方向提取方法
CN113720360A (zh) * 2021-11-01 2021-11-30 武汉大学 一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法
CN113834481A (zh) * 2021-11-26 2021-12-24 北京航空航天大学 一种基于星光矢量信息的夜间偏振角误差修正方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108759819B (zh) * 2018-06-08 2021-06-15 北京航空航天大学 一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法
CN111595330B (zh) * 2020-05-29 2021-09-14 北京航空航天大学 一种基于概率密度函数估计的夜间偏振航向计算方法

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB146545A (en) * 1917-07-31 1918-08-09 Thomas Yeomans Baker Navigation machine for determination of position from astronomical observations
WO2001046648A1 (fr) * 1999-12-21 2001-06-28 Hidemi Miura Systeme de navigation dote d'une carte du ciel
CN101178312A (zh) * 2007-12-12 2008-05-14 南京航空航天大学 基于多信息融合的航天器组合导航方法
EP2480869A1 (en) * 2009-09-22 2012-08-01 Vorotec Ltd. Apparatus and method for navigation
CN101852616A (zh) * 2010-04-30 2010-10-06 北京航空航天大学 一种高动态条件下实现星体目标提取的方法和装置
CN103148849A (zh) * 2013-03-12 2013-06-12 北京控制工程研究所 基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法
WO2020033068A2 (en) * 2018-06-27 2020-02-13 Polaris Sensor Technologies Inc. Celestial positioning system and method
CN110906926A (zh) * 2019-12-02 2020-03-24 哈尔滨工业大学 近地空间全天时高精度swir恒星敏感系统及方法
CN110887476A (zh) * 2019-12-09 2020-03-17 北京航空航天大学 基于偏振-天文夹角信息观测的自主航向与姿态确定方法
CN111307139A (zh) * 2019-12-09 2020-06-19 北京航空航天大学 一种基于偏振/天文信息融合的航向与姿态确定方法
CN111595329A (zh) * 2020-05-29 2020-08-28 北京航空航天大学 一种基于观测月光大气偏振模式的自主定位方法
CN111947652A (zh) * 2020-08-13 2020-11-17 北京航空航天大学 一种适用于月球着陆器的惯性/视觉/天文/激光测距组合导航方法
CN111947653A (zh) * 2020-08-13 2020-11-17 北京航空航天大学 一种月面巡视探测器双模式惯性/视觉/天文导航方法
CN113063436A (zh) * 2021-02-25 2021-07-02 上海卫星工程研究所 评估卫星稳定度及指向精度在轨性能的预报方法及系统
CN113589343A (zh) * 2021-07-19 2021-11-02 中国科学院微小卫星创新研究院 一种基于月球成像敏感器的月心矢量和太阳方向提取方法
CN113720360A (zh) * 2021-11-01 2021-11-30 武汉大学 一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法
CN113834481A (zh) * 2021-11-26 2021-12-24 北京航空航天大学 一种基于星光矢量信息的夜间偏振角误差修正方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
The star sensor layout based on geometric position analysis;Lin Zhao等;《2012 IEEE International Conference on Automation and Logistics》;20120920;第141-144页 *
基于天空光偏振模式的无人机航姿优化方法研究;谢林达;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅱ辑》;20200215;第C031-749页 *
基于月光偏振罗盘的载体自主定位方法;李浩天等;《飞控与探测》;20200925;第3卷(第5期);第28-34页 *
月球探测器天文测角/单程无线电时间差分测距/差分测速导航方法;宁晓琳等;《航空学报》;20201230;第42卷(第11期);第1-10页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114608564A (zh) 2022-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109556632B (zh) 一种基于卡尔曼滤波的ins/gnss/偏振/地磁组合导航对准方法
CN106767752B (zh) 一种基于偏振信息的组合导航方法
CN108362288B (zh) 一种基于无迹卡尔曼滤波的偏振光slam方法
CN109556631B (zh) 一种基于最小二乘的ins/gnss/偏振/地磁组合导航系统对准方法
CN109459027B (zh) 一种基于偏振-地磁矢量紧组合的导航方法
CN112697138B (zh) 一种基于因子图优化的仿生偏振同步定位与构图的方法
CN108759819A (zh) 一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法
CN111982106A (zh) 导航方法、装置、存储介质及电子装置
CN114608564B (zh) 一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法
CN103822629A (zh) 基于多方向偏振光导航传感器的定位系统及其定位方法
CN108562305B (zh) 一种惯性/天文深组合导航系统安装误差五位置快速粗标定方法
CN107727101A (zh) 基于双偏振光矢量的三维姿态信息快速解算方法
CN106441372B (zh) 一种基于偏振与重力信息的静基座粗对准方法
He et al. A combination orientation compass based on the information of polarized skylight/geomagnetic/MIMU
Gao et al. An integrated land vehicle navigation system based on context awareness
Wang et al. Application of gravity passive aided strapdown inertial navigation in underwater vehicles
CN109459015B (zh) 一种基于最大偏振度观测的偏振导航全球自主定位方法
CN119642826B (zh) 一种基于夜间偏振光场双矢量特征的载体三维定姿方法
CN115638789A (zh) 一种基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法
Deng et al. Underwater map-matching aided inertial navigation system based on multi-geophysical information
CN117470233A (zh) 一种优化的地球椭球模型下横坐标系组合导航方法
CN115979257A (zh) 一种分级融合定位方法、系统、电子设备和存储介质
CN108344410A (zh) 一种基于陀螺仪辅助的提高星敏感器输出频率的方法
CN113740890A (zh) 一种航向角修正方法、系统、计算机设备及存储介质
CN120426988B (zh) 一种基于水下偏振光辅助的无人系统航迹推算方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant