專利名稱：基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法及導(dǎo)航定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種仿生導(dǎo)航方法及導(dǎo)航定位系統(tǒng)，特別是關(guān)于ー種基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法及導(dǎo)航定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
仿生偏振導(dǎo)航是生物利用光的偏振特性來(lái)確定參考方向的ー種自主式導(dǎo)航方式， 是自然界天然的導(dǎo)航方式之一。這種導(dǎo)航方式可以避免現(xiàn)有導(dǎo)航方式的ー些不足，與慣性導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航或地磁導(dǎo)航相組合成為ー種高精度的導(dǎo)航手段。遙感是通過(guò)遠(yuǎn)距離成像的ー種方式，或一種遠(yuǎn)距離觀測(cè)方法。目前利用天空偏振光實(shí)現(xiàn)遙感探測(cè)主要是單點(diǎn)定向測(cè)量，即測(cè)量某一高度角處的天空偏振光分布信息，然后通過(guò)調(diào)整儀器的高度角采用對(duì)不同方位的天空光進(jìn)行多次測(cè)量，最后對(duì)各個(gè)方位的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合分析得到探測(cè)結(jié)果，上述的單點(diǎn)定向測(cè)量方法對(duì)每次測(cè)量的范圍和視野都有一定的局限性，而且在調(diào)整測(cè)量方位吋，在對(duì)不同方位分別進(jìn)行測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差，在這個(gè)時(shí)間差的范圍內(nèi)，天空偏振光的分布將會(huì)發(fā)生變化，這樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生誤差，而且現(xiàn)有技術(shù)對(duì)導(dǎo)航過(guò)程中天空偏振光的盲點(diǎn)問(wèn)題(偏振度為零)不能有效的監(jiān)測(cè)和克服。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供ー種能夠?qū)崟r(shí)、快速、測(cè)量覆蓋區(qū)域大、導(dǎo)航精度高，且能夠有效避開(kāi)導(dǎo)航盲點(diǎn)的基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法及導(dǎo)航定位系統(tǒng)，也是利用仿生手段將遙感觀測(cè)影像服務(wù)于導(dǎo)航定位方法及系統(tǒng)的技木。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案ー種基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法，包括以下步驟1)設(shè)置ー包括有三個(gè)數(shù)碼相機(jī)的全天空偏振光測(cè)量系統(tǒng)，每一所述數(shù)碼相機(jī)前端設(shè)置有一魚(yú)眼鏡頭，每一所述魚(yú)眼鏡頭前端依次設(shè)置有一偏振片和ー 濾波片，每一所述數(shù)碼相機(jī)的輸出端連接ー計(jì)算機(jī)ク)采用全天空偏振光測(cè)量方法，對(duì)天空光光強(qiáng)進(jìn)行三幅影像的同時(shí)測(cè)量，計(jì)算得到偏振度和偏振方位角，得到遙感天空偏振模式圖；；3)采用全天空偏振光測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)遙感天空偏振模式圖中的偏振度和偏振方位角的各個(gè)影響因素進(jìn)行分析，得到最適合偏振導(dǎo)航的外部條件；4)結(jié)合天文導(dǎo)航原理，求解不同時(shí)刻的太陽(yáng)方位角，并利用太陽(yáng)方位角修正太陽(yáng)子午線與載體之間的夾角，得到以地理南北為參考方向的航向角力)采用GPS導(dǎo)航方式與偏振導(dǎo)航方式的組合導(dǎo)航方式對(duì)偏振導(dǎo)航盲點(diǎn)進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)所述仿生導(dǎo)航方法的基于遙感天空偏振模式圖的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其特征在于它包括一 GPS接收機(jī)、一里程儀和ー偏振光測(cè)量系統(tǒng)，所述里程儀和偏振光測(cè)量系統(tǒng)的輸出端連接ー航位推算模塊的輸入端，所述GPS接收機(jī)和航位推算模塊的輸出端分別連接到一數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端，所述數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端連接一信號(hào)檢測(cè)與決策模塊的輸出端，所述信號(hào)檢測(cè)與決策模塊的輸出端分別連接一 GPS導(dǎo)航單獨(dú)定位系統(tǒng)、一 GPS/偏振導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)和ー偏振導(dǎo)航單獨(dú)定位系統(tǒng)的輸入端，所述GPS導(dǎo)航單獨(dú)定位系統(tǒng)、GPS/偏振導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)和偏振導(dǎo)航單獨(dú)定位系統(tǒng)的輸出端分別連接一定位信息解算模塊，同時(shí)所述偏振光測(cè)量系統(tǒng)的輸出端還連接ー導(dǎo)航盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊，所述導(dǎo)航盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊的輸出端連接所述信號(hào)檢測(cè)與決策模塊的輸出端。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用三個(gè)數(shù)碼相機(jī)對(duì)測(cè)量區(qū)域同時(shí)進(jìn)行多方位的測(cè)量，將單點(diǎn)測(cè)量擴(kuò)展為全天空區(qū)域的偏振光測(cè)量，進(jìn)而形成類似磁場(chǎng)、重力場(chǎng)的天空偏振狀態(tài)圖即遙感天空偏振模式圖，該方法快速實(shí)時(shí)，避免單點(diǎn)定向測(cè)量方法因?yàn)檎{(diào)整測(cè)量方位角而導(dǎo)致的測(cè)量時(shí)間誤差，有效保證了測(cè)量結(jié)果的精度。2、 本發(fā)明的數(shù)碼相機(jī)采用魚(yú)眼鏡頭，擴(kuò)大了視野空間，使其具有180°的立體空間角，有效的避免了單點(diǎn)測(cè)量空間范圍小的缺點(diǎn)。3、本發(fā)明采用全天空偏振光測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)遙感天空偏振模式圖的各個(gè)影響因素進(jìn)行測(cè)量，得到了最適合偏振導(dǎo)航的外部條件。4、本發(fā)明結(jié)合天文導(dǎo)航原理，利用太陽(yáng)當(dāng)前的方位角修正偏振光測(cè)量系統(tǒng)輸出的角度，使得偏振導(dǎo)航更具有實(shí)用性。5、本發(fā)明的導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)置有導(dǎo)航盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊，一旦檢測(cè)到偏振度為零則單獨(dú)采用GPS導(dǎo)航單獨(dú)定位系統(tǒng)避開(kāi)導(dǎo)航盲點(diǎn)，増加了偏振導(dǎo)航的有效性，偏振度不為零吋，可以采用GPS導(dǎo)航與偏振導(dǎo)航系統(tǒng)組合導(dǎo)航的方式精確導(dǎo)航。6、本發(fā)明可以對(duì)偏振影像的偏振度強(qiáng)弱、偏轉(zhuǎn)角大小等進(jìn)行等級(jí)劃分、顯示，對(duì)獲取的偏振影像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從而得到了遙感天空偏振光分布的直觀信息。本發(fā)明可以廣泛用于各種不同條件下的導(dǎo)航定位的測(cè)量和研究中。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖；圖2是本發(fā)明中偏振度平均值與太陽(yáng)高度角的關(guān)系示意圖，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間， 單位為h，縱坐標(biāo)為偏振度值，用百分?jǐn)?shù)表示；圖3是本發(fā)明中不同波段偏振度影像的偏振度平均值示意圖，其中橫坐標(biāo)表示波段，單位為nm，縱坐標(biāo)為偏振度值，用百分?jǐn)?shù)表示，“ + ”為睛朗天空，“〇”為陰天天空；圖4是本發(fā)明中不同的觀測(cè)波段下，各個(gè)波段偏振度平均值與太陽(yáng)高度角的關(guān)系示意圖，其中圖中最上方的“ +，，為紅色波段、中間的“ _■_，，為藍(lán)色波段、最下方的 “ ，，為紫色波段；圖5是本發(fā)明中偏振方位角在不同天氣條件下的分布情況效果示意圖；圖6是本發(fā)明中睛朗天空偏振方位角隨時(shí)間即太陽(yáng)高度角變化情況效果示意圖；圖7是本發(fā)明中睛朗天空條件下不同波段的天空偏振方位角分布效果示意圖；圖8(a)是本發(fā)明中天體在地球上的投影示意圖；圖8(b)是本發(fā)明中導(dǎo)航三角形示意圖；圖9是本發(fā)明中偏振導(dǎo)航中性點(diǎn)-導(dǎo)航盲點(diǎn)示意圖；圖10是本發(fā)明的導(dǎo)航定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。眾所周知，由于太陽(yáng)光經(jīng)大氣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。地球表面和大氣中的目標(biāo)地物，在反射、散射和透射太陽(yáng)光(電磁輻射)的過(guò)程中使得散射光產(chǎn)生偏振特征，以此可以作為偏振導(dǎo)航的信息源。如圖1所示，本發(fā)明的偏振光測(cè)量系統(tǒng)包括有三個(gè)數(shù)碼相機(jī)，每ー數(shù)碼相機(jī)前端設(shè)置ー魚(yú)眼鏡頭，每ー魚(yú)眼鏡頭前端依次設(shè)置有一偏振片和ー濾波片，每ー數(shù)碼相機(jī)的輸出端連接到同一計(jì)算機(jī)，采用本發(fā)明的偏振光測(cè)量系統(tǒng)獲取導(dǎo)航信息的方法包括以下步驟1)采用全天空偏振光測(cè)量方法，對(duì)天空光光強(qiáng)進(jìn)行三幅影像的同時(shí)測(cè)量，求解描述天空光偏振狀態(tài)的偏振度和偏振方位角，得到遙感天空偏振模式圖。在任一 XOY平面，與X軸夾角為α的方向上進(jìn)行觀測(cè)所得的天空光光強(qiáng)為
權(quán)利要求
1.ー種基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法，包括以下步驟1)設(shè)置ー包括有三個(gè)數(shù)碼相機(jī)的全天空偏振光測(cè)量系統(tǒng)，每一所述數(shù)碼相機(jī)前端設(shè)置有一魚(yú)眼鏡頭，每一所述魚(yú)眼鏡頭前端依次設(shè)置有一偏振片和ー濾波片，每一所述數(shù)碼相機(jī)的輸出端連接ー計(jì)算機(jī)；2)采用全天空偏振光測(cè)量方法，對(duì)天空光光強(qiáng)進(jìn)行三幅影像的同時(shí)測(cè)量，計(jì)算得到偏振度和偏振方位角，得到遙感天空偏振模式圖；3)采用全天空偏振光測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)遙感天空偏振模式圖中的偏振度和偏振方位角的各個(gè)影響因素進(jìn)行分析，得到最適合偏振導(dǎo)航的外部條件；4)結(jié)合天文導(dǎo)航原理，求解不同時(shí)刻的太陽(yáng)方位角，并利用太陽(yáng)方位角修正太陽(yáng)子午線與載體之間的夾角，得到以地理南北為參考方向的航向角；5)采用GPS導(dǎo)航方式與偏振導(dǎo)航方式的組合導(dǎo)航方式對(duì)偏振導(dǎo)航盲點(diǎn)進(jìn)行處理。
2.如權(quán)利要求1所述的基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法，其特征在于所述步驟2、中的全天空偏振光測(cè)量方法單次測(cè)量區(qū)域面積大，立體空間角可達(dá)180度，避免了單點(diǎn)測(cè)量帶來(lái)的時(shí)間誤差，同時(shí)形成對(duì)不同參量提取的、形成遙感天空偏振模式圖的系統(tǒng)化方法。
3.如權(quán)利要求1所述的基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法，其特征在于所述步驟幻中采用全天空偏振光測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)遙感天空偏振模式圖中的偏振度和偏振方位角的各個(gè)影響因素進(jìn)行分析，得到最適合偏振導(dǎo)航的外部條件，是以遙感天空偏振模式圖為基礎(chǔ)，得到了偏振影像系統(tǒng)化處理模型及軟件，對(duì)偏振度強(qiáng)弱、偏轉(zhuǎn)角大小進(jìn)行等級(jí)劃分、顯示清晰直觀。
4.如權(quán)利要求2所述的基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法，其特征在于所述步驟幻中采用全天空偏振光測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)遙感天空偏振模式圖中的偏振度和偏振方位角的各個(gè)影響因素進(jìn)行分析，得到最適合偏振導(dǎo)航的外部條件，是以遙感天空偏振模式圖為基礎(chǔ)，得到了偏振影像系統(tǒng)化處理模型及軟件，對(duì)偏振度強(qiáng)弱、偏轉(zhuǎn)角大小進(jìn)行等級(jí)劃分、顯示清晰直觀。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法，其特征在于綜合分析在不同天氣條件、不同高度角以及不同觀測(cè)波段的條件下天空偏振光分布規(guī)律，結(jié)合理論的分析結(jié)果，得到最適合導(dǎo)航的環(huán)境條件，同時(shí)給出了導(dǎo)航盲點(diǎn)的處理方法。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法，其特征在于所述步驟4)區(qū)別于以太陽(yáng)子午線作為導(dǎo)航參考線的方法，而是用太陽(yáng)方位角對(duì)導(dǎo)航角度進(jìn)行補(bǔ)償，以固定的南北極作為導(dǎo)航參考方向。
7.如權(quán)利要求5所述的基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法，其特征在于所述步驟4)區(qū)別于以太陽(yáng)子午線作為導(dǎo)航參考線的方法，而是用太陽(yáng)方位角對(duì)導(dǎo)航角度進(jìn)行補(bǔ)償，以固定的南北極作為導(dǎo)航參考方向。
8.如權(quán)利要求1 7任一項(xiàng)所述的基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法，其特征在干通過(guò)遙感觀測(cè)的方法得到遙感天空偏振模式圖，服務(wù)于仿生導(dǎo)航應(yīng)用及導(dǎo)航應(yīng)用，形成遙感手段服務(wù)于導(dǎo)航方法和系統(tǒng)的技木。
9.實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1 8任ー項(xiàng)所述仿生導(dǎo)航方法的基于遙感天空偏振模式圖的導(dǎo)航CN 102538783 A定位系統(tǒng)，其特征在于它包括一 GPS接收機(jī)、一里程儀和ー偏振光測(cè)量系統(tǒng)，所述里程儀和偏振光測(cè)量系統(tǒng)的輸出端連接ー航位推算模塊的輸入端，所述GPS接收機(jī)和航位推算模塊的輸出端分別連接到一數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端，所述數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端連接一信號(hào)檢測(cè)與決策模塊的輸出端，所述信號(hào)檢測(cè)與決策模塊的輸出端分別連接一 GPS導(dǎo)航單獨(dú)定位系統(tǒng)、一 GPS/偏振導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)和ー偏振導(dǎo)航單獨(dú)定位系統(tǒng)的輸入端，所述GPS導(dǎo)航單獨(dú)定位系統(tǒng)、GPS/偏振導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)和偏振導(dǎo)航單獨(dú)定位系統(tǒng)的輸出端分別連接一定位信息解算模塊，同時(shí)所述偏振光測(cè)量系統(tǒng)的輸出端還連接ー導(dǎo)航盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊，所述導(dǎo)航盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊的輸出端連接所述信號(hào)檢測(cè)與決策模塊的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于遙感天空偏振模式圖的仿生導(dǎo)航方法及導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括以下步驟采用全天空偏振遙感測(cè)量方法，對(duì)天空光光強(qiáng)進(jìn)行三副影像的同時(shí)測(cè)量，求解描述天空光偏振狀態(tài)的偏振度和偏振方位角，得到遙感天空偏振模式圖；采用全天空偏振光測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)遙感天空偏振模式圖中的偏振度和偏振方位角的各個(gè)影響因素進(jìn)行分析，得到最適合偏振導(dǎo)航的外部條件；結(jié)合天文導(dǎo)航理論知識(shí)，求解不同時(shí)刻的太陽(yáng)方位角，并利用太陽(yáng)方位角修正太陽(yáng)子午線與載體之間的夾角，得到以地理南北為參考方向的航向角；采用GPS導(dǎo)航方式與偏振導(dǎo)航方式的組合導(dǎo)航方式對(duì)偏振導(dǎo)航盲點(diǎn)進(jìn)行處理。本發(fā)明可以廣泛用于各種不同條件下的導(dǎo)航定位的測(cè)量和研究中，也是利用仿生手段將遙感觀測(cè)影像服務(wù)于導(dǎo)航定位方法和系統(tǒng)的專項(xiàng)新技術(shù)。
文檔編號(hào)G01C21/00GK102538783SQ20121003276
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者關(guān)桂霞, 吳太夏, 吳波, 施健, 晏磊, 楊文劍, 聶志彪, 趙海盟, 趙炳愛(ài), 陳偉, 高付民 申請(qǐng)人:北京大學(xué)