基于大气偏振模式的载体位置测量关键技术研究

Based on the traditional heading angle measurement by atmospheric polarization pattern, this project is proposed for discovering a novel vehicle position measurement method based on atmospheric polarization pattern astronomical information for the application of endoatmosphere and terrestrial space. This project is trying to break through the key technologies of vehicle position measurement by using atmosphric polarization information, and reduce the influence of environment interference on position measurement, the improve the accuracy and robust of vehicle position measurement by using atmosphric polarization information in endoatmosphere and terrestrial space, which can provide theory fundament and key technique suuport for vehicle global autonomy positioning based on atmosphric polarization light. To be specific: in order to sovle the destroy and weak atmosphric polarization pattern which are brought by vehicle working environment, a polarization information extraction scheme is proposed for local destroyed/weak polarization environments to obtain high accurate collection of whole-sky polarization information; the vehicle position measurement scheme is proposed based on atmosphere polarization mode special salient feature point, and the artificial intelligence is introduced to calculate the position of feature point in order to obtain high accurate result of vehicle position measurement; the influence mechanism of environment on position measurement error is revealed, and the positioning error model is established for compensation in order to improve the position accurate, stability and environment suitability for vehicle positioning based on atmosphere polarization information.

本项目在传统的利用大气偏振模式测量航向角的基础上，探索一种面向大气层内近地空间的基于大气偏振模式天文信息的新型载体位置测量方法，突破基于大气偏振信息的载体位置测量关键技术，降低环境干扰对位置测量的影响，提高大气层内近地空间利用大气偏振天文信息进行载体位置测量的精度和鲁棒性，为基于大气偏振光的载体全球自主定位提供理论基础与关键技术支撑。具体包括：针对载体工作环境带来的大气偏振模式破坏或削弱，提出一种局部缺失/弱偏振环境下的偏振信息有效提取方案，实现全天域偏振信息的高精度获取；针对大气偏振模式在载体位置测量中的应用，提出基于大气偏振模式空间显著特征点的载体定位算法，同时将人工智能引入到特征点解算中，以获取高精度的载体位置测量结果；针对位置测量误差，揭示环境因素对位置测量误差的影响机理，建立位置测量误差传递模型并进行误差补偿，提高基于大气偏振信息载体位置测量方案的精度、可靠性与环境适应性。

本项目在调研国内外偏振光导航定位技术的基础上，针对复杂环境下的偏振光导航信息特征获取与定位需求，以太阳光散射形成的大气偏振模式为导航信息来源，以沙蚁偏振敏感导航模型为理论基础，开展偏振光导航定位方法研究。本项目着眼于影响偏振光定位应用实效的技术关键问题，分别从偏振光信息源方面及定位过程两方面对偏振光定位进行了优化，在偏振光信息源方面的优化工作，首先基于瑞利大气偏振模式，提出了实测偏振信息处理与瑞利模型重建方法，开展了大气偏振检测实验，总结分析了实测大气偏振模式特性，为后续大气偏振模式的应用提供了理论依据；其次，根据单次瑞利散射大气偏振模式，设计了与太阳投影点和观测点位置无关的方位模型转换算法，提出了一种全天域大气偏振分布数据滤波算法，并将其应用于偏振成像系统的匹配滤波，解决了在偏振观测地点经纬度坐标未知条件下的偏振信息滤波问题，实现了云层、树木、建筑物等干扰信息的大气偏振法滤除；在定位过程优化方面，提出一种扩展的基于Rayleigh散射模型的太阳空间位置优化计算方法及定位方法。利用偏振态测定仪同时观测大量采样点大气偏振信息，根据敏感太阳的偏振视觉原理，将由不同方位和高度采样点偏振信息得到的太阳位置进行线性最小二乘优化，并根据地球与太阳相对位置关系，实现基于偏振光信息的绝对定位方法。考虑不同时间下获取偏振信息实现定位，避免了使用地磁寻北或惯性寻北带来的精度误差和硬件模块成本，利用实验室前期搭建的偏振分析仪系统和偏振成像系统对设计的定位优化方法进行了全面的验证。实验结果表明，该定位方法能够获取相对可靠的地理位置，且经纬度误差均值分别为0.251°和0.171°。