基于简化太阳方位角的绝对航向角解算方法

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30790

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基于简化太阳方位角的绝对航向角解算方法

张敏¹^,², 王霞¹^,²(), 李宇阳¹^,²

^1.北京理工大学光电学院，北京 100081
^2.北京理工大学光电成像技术与教育部重点实验室，北京 100081

收稿日期:2024-06-04 修回日期:2024-06-11 接受日期:2024-07-03 出版日期:2024-12-25 发布日期:2024-07-11
通讯作者: 王霞 E-mail:angelniuniu@bit.edu.cn

Absolute heading angle estimation based on simplified solar azimuth

Min ZHANG¹^,², Xia WANG¹^,²(), Yuyang LI¹^,²

^1.School of Optics and Photonics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China
^2.Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System，Ministry of Educational of China，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China

Received:2024-06-04 Revised:2024-06-11 Accepted:2024-07-03 Online:2024-12-25 Published:2024-07-11
Contact: Xia WANG E-mail:angelniuniu@bit.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

为了实现绝对航向角度获取，提出一种基于简化太阳方位角的绝对航向角解算方法。通过输入观测地的位置信息和观测时间信息，得到太阳赤纬角和太阳时角，从而计算出地理正北坐标系下的太阳方位角。再利用天空的偏振分布特性，结合基于太阳子午线提取的偏振光导航定向算法，可以解算绝对航向角信息，以实现导航的目的。计算机仿真和外场实验结果表明：太阳方位角的均方根误差<0.01°，室外静态航向角解算的均方根误差<0.2°，动态航向角解算的均方根误差为0.53°，基本满足多数场景下导航的测量精度要求。

关键词: 仿生导航, 偏振光导航, 太阳方位角, 绝对航向角, 偏振

Abstract:

To acquire the absolute heading angle， an estimation method based on the simplified solar azimuth is proposed. By inputting the position information of the observation place and the observation time information， the solar declination angle and the solar time angle are obtained， so as to calculate the solar azimuth angle in the geographic due north coordinate system. Then， based on the polarization distribution characteristics of the sky， the polarized light navigation and orientation algorithm based on solar meridian extraction is used to obtain the information on the absolute heading angle， so as to achieve the purpose of navigation. The results of computer simulation and field experiments show that the rms error of solar azimuth is less than 0.01°， the rms error of the estimated outdoor static heading angleis less than 0.2°， and the rms error of the estimated dynamic heading angle is 0.53°， which basically meet the requirement of the measurement accuracy for navigation in most scenarios.

Key words: bionic navigation, polarization navigation, solar azimuth, absolute heading angle, polarization

中图分类号:

V324.2

张敏, 王霞, 李宇阳. 基于简化太阳方位角的绝对航向角解算方法[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730790.

Min ZHANG, Xia WANG, Yuyang LI. Absolute heading angle estimation based on simplified solar azimuth[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(S1): 730790.

图/表 18

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表1

表2

表3

图 9

表4

图 10

表5

图 11

图 12

表6

参考文献 22

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

太阳方位角		误差最大值/（°）	均方根误差/（°）
日	文献［22］	0.087 9	0.052 3
日	本文算法	-0.007 6	0.004 9
月	文献［22］	0.130 5	0.078 0
月	本文算法	-0.012 2	0.009 9

输入时间误差/s	太阳方位角解算值/（°）	误差/（°）
0	263.831 6	-0.003 3
1	263.834 3	-0.000 6
2	263.837 1	0.002 2
3	263.839 9	0.005
4	263.842 7	0.007 8
5	263.845 5	0.010 6
10	263.859 5	0.024 6
15	263.873 4	0.038 5
20	263.887 4	0.052 5

输入经度方向误差	太阳方位角解算值/（°）	误差/（°）
0	263.831 6	-0.003 3
1″	263.831 8	-0.003 1
30″	263.837 1	0.002 2
1′	263.842 8	0.007 9
5′	263.887 4	0.052 5
10′	263.943 3	0.108 4

器件及型号	关键参数
偏振相机 LUCID PHX050S-P	传感器：IMX250MZR CMOS
	靶面尺寸：11.1 mm（Type 2/3″）
	分辨率：2 448 px×2 048 px
	像元尺寸：3.45 μm×3.45 μm
	帧率：24 fps
	快门：global
GNSS接收机司南导航 M100	RTK初始化时间：<10 s
	航向角精度：0.2（°）/R
	横滚/俯仰角精度：0.4（°）/R（R为基线距离，单位为m）
多齿分度台九江精达 DFT-360A	台面直径：205 mm
	承载能力：30 kg
	最小分度值：1°
	测角重复精度：0.12″

时间	均方根误差/（°）	误差最大值/（°）	误差标准差/（°）
上午	0.173 6	0.282 2	0.068 4
下午	0.132 8	0.282 9	0.085 6

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