大气偏振模式的罗盘特征解析与建模方法研究

Bionic polarized-light navigation is a kind of passive and autonomous navigation method which based on natural properties of the earth. It has great research significance and military value in solving the problem of autonomous navigation under situations without signal from satellites. The purpose of this project is to resolve the problem of how to obtain posture information by constructing and exploiting the compass features in polarization pattern of the sky, explore the methods to describe, obtain, identify and model the features by working out the temporal and spatial variation rules of polarization pattern in the sky, develop a dynamic full-sky real-time measuring device to obtain full-sky, multiband polarization pattern of the sky effectively; by using the simulation and measurement data we want to carry out the study of analyzing the features in sky’s polarization pattern, propose the methods to characterize and distinguish these features, select the compass characteristics which can be used in navigation, establish analytical model of compass features in sky’s polarization pattern, transform the rules of temporal and spatial variation to encoding information, provide compass reference for polarized-light navigation; research and propose the navigation method based on compass features in polarization pattern of the sky, display sound instance of polarized-light navigation, solve key theory and technology problems in the research of bionic polarized-light navigation.

仿生偏振光导航方法是一种基于自然特性的、被动的自主导航方法，对解决“不依赖卫星信号”环境下的自主导航具有重要的研究意义和军事应用价值。本项目针对仿生偏振光导航研究中“如何建立并利用大气偏振模式的罗盘特征，实现姿态信息获取”的问题，围绕大气偏振模式特征的表征、获取、识别与建模等环节，开展大气偏振模式的时空变化规律研究，研制全天域动态大气偏振模式实时测量装置，实现全天域、多波段的大气偏振模式信息实时有效获取；利用仿真和实测数据，开展大气偏振模式特征分析研究，提出大气偏振模式特征的表征与识别方法，甄选出可以用于导航的大气偏振模式罗盘特征，并建立大气偏振模式罗盘特征的解析模型，实现大气偏振模式的时空变化规律，向可编码的特征信息转化，为偏振光导航提供罗盘基准；研究并提出利用大气偏振模式罗盘特征的导航方法，完成有显示度的偏振光导航实例实验，解决仿生偏振光导航研究中的关键理论和技术。

本项目以生物利用大气偏振模式分布特征为罗盘信息进行导航校准为背景，建立大气偏振模式的罗盘特征解析模型，形成基于大气偏振模式的姿态生成和导航方法。为准确、快捷的获取全天域大气偏振模式实验数据，首先设计实现一套全天域、多波段等条件下无人值守的大气偏振模式连续观测系统。通过单光路下三通道的同步测量结构，避免了分时测量系统中时间分辨率和独立光路式偏振测量系统中的视场误差等问题。针对大气状况、地表反射等影响因素，利用全天域大气偏振模式实时测量装置，开展了大气偏振模式外场测量实验研究，定量分析了云、霾等大气环境及湖泊、草地等地表环境下大气偏振模式的分布。提出一种倾斜姿态下的大气偏振模式建模方法，基于空间三轴旋转矩阵计算原理，建立了倾斜姿态下的大气偏振模式相对分布表征模型。针对现有偏振光导航方法提供的二维方向信息不能满足导航的实际需求，提出了一种利用大气偏振模式获取三维姿态信息的方法，选取太阳作为空间显著特征点，利用大气偏振模式信息计算出载体在两次不同状态下的太阳空间位置信息，通过建立姿态变换矩阵获得了载体的三维姿态信息。提出了一种大气偏振模式∞字形特征的重构方法，解决了在多云或者天空被部分遮挡的情况下，无法获得有效的大气偏振模式∞字形特征的问题。提出了一种基于大气偏振模式线性拟合求解太阳位置方法，通过建立的线性拟合模型，将非线性方程组转变为线性方程组求解，实现了线性拟合求解太阳位置，使得算法效率和求解精度大幅提高。针对现有偏振光导航传感器的不足，采用最新的分焦平面偏振阵列成像技术，搭建了分焦平面偏振阵列导航传感器，开展了分焦平面偏振阵列导航传感器的标定方法研究，并开展了外场测试分析。提出了利用大气能见度等效表征的方法，通过建立大气能见度和传输介质参数之间的数学模型，用光学厚度来表征大气能见度，分析大气能见度对传输光偏振特性的影响。