无外界基准信息时, 针对舰艇单、双轴旋转调制激光陀螺航海惯导冗余配置情况下双轴旋转惯导间性能的在线评估问题, 提出了联合旋转调制激光陀螺航海惯导相对性能的在线评估方法。一套单轴旋转惯导分别与待评估的双轴旋转惯导构建联合误差状态卡尔曼滤波器, 状态为各系统位置误差、速度误差、姿态误差的差值及各自的陀螺漂移、加速度计零偏, 以系统间的位置、速度差值为观测量, 通过联合旋转调制策略编排改变系统间的相对姿态, 可观性分析表明, 包括单轴旋转惯导方位陀螺漂移在内的所有状态均完全可观; 以不同滤波器估计得到的单轴旋转惯导方位陀螺漂移估计值的标准差为评价指标, 对双轴旋转惯导随机误差进行在线评估。半实物仿真和实际实验结果表明：双轴旋转惯导激光陀螺随机误差差异的区分度可达10%; 144 h(6天)导航时间内, 以单轴旋转惯导方位陀螺漂移估计值的标准差为评价指标, 可以实现不同双轴旋转惯导相对性能的在线评估。该方法为旋转调制激光陀螺航海惯导冗余配置情况下的系统优选提供了理论依据。

为了有效利用全天域的偏振光信息, 探究仿生偏振光导航机理, 设计了偏振视觉传感器。介绍了基于四相机的偏振视觉传感器及其标定方法, 推导了冗余配置下偏振态的最小二乘估计算法。分析了基于一阶瑞利散射模型的天空光偏振模式, 将太阳方向矢量的最优估计问题转化为求解矩阵的特征向量问题, 推导出了基于天空光偏振模式的定位定向算法。最后, 设计了静态实验与转动实验, 对理论分析结果进行了验证。实验结果显示: 测量的天空光偏振模式与瑞利散射模型相一致, 并可从中成功提取太阳方向矢量。静态实验测量的太阳天顶角的最大误差约为0.4°, 误差标准差为0.14°; 基于1 h对天空偏振光的观测数据实现的定位误差为68.6 km。转动实验(转动两周)得到的最大定向误差约为0.5°, 误差标准差为0.28°。研究结果揭示了生物利用偏振光导航的机理, 为仿生偏振光导航的应用提供了理论依据。

针对工程应用中仿生偏振光罗盘易受天气和太阳位置等因素的影响,存在定向精度低、稳定性差等问题,研究了天空偏振模式对偏振光定向的影响机理。建立了含有偏振模型误差的偏振光定向模型,推导了仿生偏振光罗盘的航向角解算方法;然后系统分析了模型误差对偏振光定向精度的影响机理,指出了载体水平角和太阳高度角是决定模型误差影响程度的主要因素;最后设计了静态实验与跑车测试,评估了不同水平角和太阳高度角时,模型误差对偏振光定向精度的影响。结果表明: 当太阳高度角hs<40°时,偏振光定向误差为0.729°;当40°偏振光导航 天空偏振模型 偏振光定向 定向算法 航向角误差 polarized light navigation skylight polarization pattern polarized orientation orientation algorithm heading angle error 

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光学 精密工程

2015, 23(9): 2429