專利名稱：一種飛行器三維定姿系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種基于天空光偏振特性的飛行器三維定姿方法。
背景技術(shù)：
太陽光是自然光,本身不是偏振光，太陽光在大氣傳輸過程中，受到大氣分子或其他顆粒的散射，變成只在某ー個(gè)方向上振動(dòng)或某一方向上振動(dòng)占優(yōu)勢的偏振光，當(dāng)大氣較為清潔時(shí)，瑞利散射占主導(dǎo)，散射出射的光線主要是線偏振光。偏振特性可用偏振度和偏振方位角來描述。研究表明，天空的偏振特性和太陽位置緊密相關(guān)，天空中某觀測點(diǎn)的電矢量振動(dòng)方向垂直于太陽、地面觀察點(diǎn)和天空中觀測點(diǎn)所構(gòu)成的平面。有人提出一種基于天空光的偏振分布與太陽方向之間的關(guān)系得到艦船的位置和航向信息的方法，但是，其僅僅考慮了艦船在海平面上航行時(shí)，基座保持水平的情況，因而大大的局限了此種方法的應(yīng)用范圍。有人提出利用天空偏振光分布模式確定導(dǎo)航系統(tǒng)航向角的方法，該方法通過建立天空偏振光分布模型，確定了導(dǎo)航參考線并結(jié)合天文導(dǎo)航方法，確定太陽的相對位置，繼而得到航向角，但是對于需要導(dǎo)航的運(yùn)動(dòng)體來講，不具備敏感偏振的視覺系統(tǒng)，從而無法確定導(dǎo)航參考線，也就無法順利的利用此種方法完成導(dǎo)航任務(wù)。針對這ー問題，有人提出通過硬件設(shè)計(jì)，求得當(dāng)前位置和太陽子午線的方位角，為船舶、飛行器、車輛與機(jī)器人等交通工具和運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航，但卻只給出了太陽在中天附近的導(dǎo)航精度，對太陽在其它位置的導(dǎo)航精度沒有作詳細(xì)的說明。也有人提出了一種基于海洋散射光偏振特性的水下偏振光導(dǎo)航技木，但其導(dǎo)航坐標(biāo)系的建立是使探測基座保持水平，而實(shí)際的導(dǎo)航過程中，由于航行器的姿態(tài)變化，基座很難保持水平，從而限制了此種方法的實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種飛行器三維定姿系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的飛行器導(dǎo)航實(shí)時(shí)定姿困難的問題。本發(fā)明的另ー個(gè)目的在于提供一種飛行器三維定姿方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種飛行器三維定姿系統(tǒng)，包括觀測模塊，利用天空散射光偏振特性測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)的、自動(dòng)的測量兩相互垂直方向的天空光的光振動(dòng)方向；模型建立模塊，模型建立模塊與所述觀測模塊相連，在計(jì)算機(jī)中建立飛行器的本體坐標(biāo)系，赤道坐標(biāo)系；數(shù)據(jù)查詢模塊，數(shù)據(jù)查詢模塊與觀測模塊相連，用于獲得觀測時(shí)刻太陽的赤緯和格林時(shí)角。數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊與觀測模塊、模型建立模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊相連，用于對觀測模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊所獲得的數(shù)據(jù)在所建立的模型坐標(biāo)系中進(jìn)行變換加工。姿態(tài)求解模塊，姿態(tài)求解模塊與數(shù)據(jù)處理模塊相連，利用數(shù)據(jù)處理模塊傳輸出的數(shù)據(jù)建立方程組，求解并輸出結(jié)果。本發(fā)明的另ー個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種飛行器三維定姿方法，包括觀測模塊，利用天空散射光偏振特性測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)的、自動(dòng)的測量兩相互垂直方向的天空光的光振動(dòng)方向；模型建立模塊，模型建立模塊與觀測模塊相連，在計(jì)算機(jī)中建立飛行器的本體坐標(biāo)系，赤道坐標(biāo)系；數(shù)據(jù)查詢模塊，數(shù)據(jù)查詢模塊與觀測模塊相連，用于獲得觀測時(shí)刻太陽的赤緯和格林時(shí)角。 數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊與觀測模塊、模型建立模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊相連，用于對觀測模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊所獲得的數(shù)據(jù)在所建立的模型坐標(biāo)系中進(jìn)行變換加工。姿態(tài)求解模塊，姿態(tài)求解模塊與數(shù)據(jù)處理模塊相連，利用數(shù)據(jù)處理模塊傳輸出的數(shù)據(jù)建立方程組，求解并輸出結(jié)果；包括如下步驟步驟1，在計(jì)算機(jī)中建立飛行器的本體坐標(biāo)系，利用天空散射光偏振特性測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)的、自動(dòng)的獲得兩相互垂直方向的天空光的光振動(dòng)方向；步驟2，在計(jì)算機(jī)中建立赤道坐標(biāo)系將步驟I中所獲得的光振動(dòng)方向自動(dòng)的傳遞給計(jì)算機(jī)，利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系公式將兩束光的振動(dòng)方向轉(zhuǎn)換到赤道坐標(biāo)系中；利用兩偏振光方向與太陽的位置關(guān)系在赤道坐標(biāo)系中計(jì)算出太陽的方向；步驟3，獲得探測時(shí)刻太陽的赤緯，格林視角以及飛行器的經(jīng)緯度，表示出太陽的方向；步驟4 :利用步驟2和步驟3中所得的太陽方向建立方程組；步驟5 :將步驟3中所獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲襟E4所得的方程組中進(jìn)行最后的數(shù)值求解。進(jìn)ー步，步驟I包括I)建立飛行器本體導(dǎo)航坐標(biāo)系，在天球上，S是太陽，D1, D2為飛行器在水平面上時(shí)兩組相互垂直的探測方向，D' i和D' 2為實(shí)際的兩垂直天空光探測方向，分別沿Y"'軸和Z"，軸；X"，軸是X"隨基座轉(zhuǎn)動(dòng)后所得坐標(biāo)軸；N’為飛行器當(dāng)?shù)?￠, A)的真北方向，E為正東方向，P1為在D1 ‘方向探測到的天空光光振動(dòng)方向，己為在ら’方向探測到的天空光光振動(dòng)方向，TC為飛行器的真航向；忽略地球半徑的影響，以地心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系XYZ、X' Y' Z'、X" Y" Z"和X" ’ Y" ’ I"'，其中X軸沿正東方向，Y軸沿真北方向，Z、Z'軸沿飛行器水平時(shí)立軸朝上方向；X、X’、X"軸沿飛行器水平右翼方向Y'軸沿飛行器的機(jī)首方向；Y"軸沿D1方向，Z"軸沿D2方向，Y"，軸沿D' i方向，Z"，軸沿D' 2方向；2)對兩垂直方向的天空光光振動(dòng)方向進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，并記錄觀測時(shí)刻；在偏振片上固定帶有標(biāo)定指針的旋轉(zhuǎn)架，以便旋轉(zhuǎn)偏振片和做水平面參考，偏振片和旋轉(zhuǎn)架的作用是產(chǎn)生三個(gè)不同方向的起偏角，通過對這三個(gè)不同方向的起偏角的光強(qiáng)的測量，便可得到這ー方向的偏振光的振動(dòng)方向。
進(jìn)ー步，步驟2包括I)將兩相互垂直的兩探測方向所測得的偏振光振動(dòng)方向變換到X" Y" Z"中；當(dāng)俯仰角為X和翻滾角為V吋?？捎邢旅孢^渡矩陣進(jìn)行變換，變換到X" Y" I"坐標(biāo)系。
權(quán)利要求
1.一種飛行器三維定姿系統(tǒng)，其特征在于，包括 觀測模塊(1)，利用天空散射光偏振特性測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)的、自動(dòng)的測量兩相互垂直方向的天空光的光振動(dòng)方向； 模型建立模塊(2)，模型建立模塊(2)與觀測模塊(I)相連，在計(jì)算機(jī)中建立飛行器的本體坐標(biāo)系，赤道坐標(biāo)系； 數(shù)據(jù)查詢模塊(3)，數(shù)據(jù)查詢模塊(3)與觀測模塊(I)相連，用于獲得觀測時(shí)刻太陽的赤緯和格林時(shí)角； 數(shù)據(jù)處理模塊(4)，數(shù)據(jù)處理模塊(4)與觀測模塊(I)、模型建立模塊(2)、數(shù)據(jù)查詢模塊(4)相連，用于對觀測模塊(I)和數(shù)據(jù)查詢模塊(4)所獲得的數(shù)據(jù)在所建立的模型坐標(biāo)系中進(jìn)行變換加工； 姿態(tài)求解模塊(5)，姿態(tài)求解模塊(5)與數(shù)據(jù)處理模塊(4)相連，利用數(shù)據(jù)處理模塊(4)傳輸出的數(shù)據(jù)建立方程組，求解并輸出結(jié)果。
2.一種飛行器三維定姿方法，其特征在于，包括 觀測模塊(1)，利用天空散射光偏振特性測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)的、自動(dòng)的測量兩相互垂直方向的天空光的光振動(dòng)方向； 模型建立模塊(2)，模型建立模塊(2)與觀測模塊(I)相連，在計(jì)算機(jī)中建立飛行器的本體坐標(biāo)系，赤道坐標(biāo)系； 數(shù)據(jù)查詢模塊(3)，數(shù)據(jù)查詢模塊(3)與觀測模塊(I)相連，用于獲得觀測時(shí)刻太陽的赤緯和格林時(shí)角； 數(shù)據(jù)處理模塊(4)，數(shù)據(jù)處理模塊(4)與觀測模塊(I)、模型建立模塊(2)、數(shù)據(jù)查詢模塊(4)相連，用于對觀測模塊(I)和數(shù)據(jù)查詢模塊(4)所獲得的數(shù)據(jù)在所建立的模型坐標(biāo)系中進(jìn)行變換加工； 姿態(tài)求解模塊(5 )，姿態(tài)求解模塊(5 )與數(shù)據(jù)處理模塊(4 )相連，利用數(shù)據(jù)處理模塊(4 )傳輸出的數(shù)據(jù)建立方程組，求解并輸出結(jié)果； 包括如下步驟 步驟1，在計(jì)算機(jī)中建立飛行器的本體坐標(biāo)系，利用天空散射光偏振特性測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)的、自動(dòng)的獲得兩相互垂直方向的天空光的光振動(dòng)方向； 步驟2，在計(jì)算機(jī)中建立赤道坐標(biāo)系將步驟I中所獲得的光振動(dòng)方向自動(dòng)的傳遞給計(jì)算機(jī)，利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系公式將兩束光的振動(dòng)方向轉(zhuǎn)換到赤道坐標(biāo)系中；利用兩偏振光方向與太陽的位置關(guān)系在赤道坐標(biāo)系中計(jì)算出太陽的方向； 步驟3，獲得探測時(shí)刻太陽的赤緯，格林視角以及飛行器的經(jīng)緯度，表示出太陽的方向； 步驟4 :利用步驟2和步驟3中所得的太陽方向建立方程組； 步驟5 :將步驟3中所獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲襟E4所得的方程組中進(jìn)行最后的數(shù)值求解。
3.如權(quán)利要求2所述的飛行器三維定姿方法，其特征在于，步驟I包括 O建立飛行器本體導(dǎo)航坐標(biāo)系，在天球上，S是太陽，D1, D2為飛行器在水平面上時(shí)兩組相互垂直的探測方向，D' 1和1)' 2為實(shí)際的兩垂直天空光探測方向，分別沿Y"'軸和Z" /軸；X" /軸是X"隨基座轉(zhuǎn)動(dòng)后所得坐標(biāo)軸；N'為飛行器當(dāng)?shù)?Φ，λ)的真北方向，E為正東方向，P1為在D1 ‘方向探測到的天空光光振動(dòng)方向，P2為在D2’方向探測到的天空光光振動(dòng)方向，TC為飛行器的真航向；忽略地球半徑的影響，以地心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系XYZ、X’Y’Z’、X" Y" Ζ"和X" ' Y" ' I"'，其中X軸沿正東方向，Y軸沿真北方向，Ζ、ζ'軸沿飛行器水平時(shí)立軸朝上方向；Χ、Χ’、Χ"軸沿飛行器水平右翼方向Y'軸沿飛行器的機(jī)首方向；Y"軸沿D1方向，Ζ"軸沿D2方向，Y"，軸沿D' i方向，Ζ"，軸沿D' 2方向； 2)對兩垂直方向的天空光光振動(dòng)方向進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，并記錄觀測時(shí)刻；在偏振片上固定帶有標(biāo)定指針的旋轉(zhuǎn)架，以便旋轉(zhuǎn)偏振片和做水平面參考，偏振片和旋轉(zhuǎn)架的作用是產(chǎn)生三個(gè)不同方向的起偏角，通過對這三個(gè)不同方向的起偏角的光強(qiáng)的測量，便可得到這一方向的偏振光的振動(dòng)方向。
4.如權(quán)利要求3所述的飛行器三維定姿方法，其特征在于，步驟2包括 1)將兩相互垂直的兩探測方向所測得的偏振光振動(dòng)方向變換到X"Y" Z"中； 當(dāng)俯仰角為X和翻滾角為Ψ時(shí)，可由下面過渡矩陣進(jìn)行變換，變換到X" Y" Z"坐標(biāo)系;
5.如權(quán)利要求4所述的飛行器三維定姿方法，其特征在于，步驟3包括 I)先將記錄的時(shí)刻轉(zhuǎn)換為世界時(shí)；設(shè)所記錄的時(shí)間為北京時(shí)間，而北京時(shí)間處于東八區(qū)，所以Te (世界時(shí))=T (北京時(shí)間)_8h; 2 )先按整點(diǎn)時(shí)刻查表，然后利用附表中的時(shí)角，赤緯內(nèi)插表求分鐘、秒鐘的內(nèi)插值；時(shí)角=整點(diǎn)時(shí)刻值+分秒內(nèi)插值+時(shí)角超差；赤緯=整點(diǎn)時(shí)刻值+分秒內(nèi)插值+赤緯差數(shù)；赤緯內(nèi)插值得正負(fù)和赤緯差數(shù)的正負(fù)相同； 3)建立赤道坐標(biāo)系；坐標(biāo)系xyz,其中X軸沿正東方向，y軸沿地軸指向北極方向，ζ軸穿過(0，λ )點(diǎn)； 4)通過《天文航海歷》可以查得探測時(shí)刻太陽的赤緯(δ)、格林時(shí)角(t)，則在xyz坐標(biāo)系中，可以表示太陽方向?yàn)?br> 6.如權(quán)利要求5所述的飛行器三維定姿方法，其特征在于，步驟4中，由于P'和P表不同一方向，貝1J有 PXP' =0(14)
7.如權(quán)利要求6所述的飛行器三維定姿方法，其特征在于，步驟5中，聯(lián)立(6)(7) (8)(9) (11) (12) (13) (14)式即可求得飛行器的三維姿態(tài)翻滾角￥，俯仰角X和偏航角TC。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種飛行器三維定姿系統(tǒng)及方法，包括觀測模塊，利用天空散射光偏振特性測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)的、自動(dòng)的測量兩相互垂直方向的天空光的光振動(dòng)方向；模型建立模塊，模型建立模塊與所述觀測模塊相連，在計(jì)算機(jī)中建立飛行器的本體坐標(biāo)系，赤道坐標(biāo)系；數(shù)據(jù)查詢模塊，數(shù)據(jù)查詢模塊與觀測模塊相連，用于獲得觀測時(shí)刻太陽的赤緯和格林時(shí)角；數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊與觀測模塊、模型建立模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊相連，用于對觀測模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊所獲得的數(shù)據(jù)在所建立的模型坐標(biāo)系中進(jìn)行變換加工；姿態(tài)求解模塊，姿態(tài)求解模塊與數(shù)據(jù)處理模塊相連，利用數(shù)據(jù)處理模塊傳輸出的數(shù)據(jù)建立方程組，求解并輸出結(jié)果。
文檔編號(hào)G01C21/20GK103017768SQ20121048914
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者李建勛, 剌博, 陳丹 申請人:西安理工大學(xué)