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太阳发出的自然光是非偏振的，由于有大气的散射作用，将会产生光的偏振。偏振的方向与强度与太阳光的入射方向和观测者的方位相关。因此，大气散射产生的偏振模式能够为地面的观测者提供太阳的方向信息。人的肉眼看不到光的偏振现象，而蚂蚁、蜜蜂等一些昆虫却能够利用大气的偏振特性来进行精确的导航定位[1-8]。
仿生学家们从蚂蚁、蜜蜂等动物利用偏振光定向的本领中得到启发，在大气层内偏振模式、仿生偏振敏感器、基于偏振的导航方法等方面开展了广泛研究[9-16]，并将这种导航方法用于移动机器人、船舶、飞行器等大气层内运动物体[17-19]，制成了偏振光天文罗盘[20] 。即使在磁罗盘失灵的南、北极上空，依然能准确地提供导航信息。
基于大气反射和折射的自然偏正光的偏振特性进行航天器导航，是一种航天器自主导航的新方法，目前我们正在积极开展研究探索。研究大气层外观测的偏振模式，挖掘其中蕴涵的航天器姿态和轨道信息，利用这些信息进行航天器空间自主导航的新方法探索，提高导航精度的研究正逐渐成为焦点。
目前，利用偏振光进行导航的应用主要是在大气层内运动物体的导航。而将偏振特性用于大气层外卫星的姿态测量与自主导航的方法正在探索阶段。通过理论分析与遥感卫星[21-23]获得的实际观测结果都表明，大气后向散射的偏振模式反映了卫星、太阳与地球的方位信息，卫星在轨观测所得的偏振特性能够提供与卫星姿态、轨道相关的信息。基于偏振特性的导航方法在卫星快速姿态确定、高精度自主导航方面具有广泛的应用前景，因而具有重要的研究意义。
1.2偏振光导航的研究现状
1.3国内外研究现状
1.4 论文的主要研究工作
本文从偏振导航应用的角度出发，分析天空偏振光的成因及其分布模式，并且通过全天空偏振测量实验进行了实地观测。同时，本文以地平坐标系为导航坐标系，解算某地某时刻太阳的相对位置，结合生物的偏振视觉敏感到的其身体长轴与太阳子午线之间的夹角，最终计算出航向方向角。
2.天空偏正光的分布测量与分析
2. 1 天空偏振光分布数学模型
太阳光在大气中传输时， 被大气层中的空气分子、气溶胶粒子散射和吸收， 散射光可以由传播方向、频率、相位角、振幅和偏振度表示，通过辐射度测量可以得到光的散射强度等参数。大气散射辐射具有偏振特性，而且大气散射辐射的偏振状态对散射体的形状和尺度十分敏感。当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生米氏散射。米氏散射主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。因此，潮湿天气米氏散射影响较大。当大气中粒子的直径比波长小得多时发生瑞利散射。这种散射主要由大气中的原子和分子，如氮、二氧化碳，臭氧和氧分子等引起。在晴朗无云的条件下， 大气对于太阳光的散射主要是瑞利散射， 散射出射的光线主要是线偏振光。出射辐射的线偏振光以偏振度和偏振方位角来描述。
太阳发出的自然光可以分解为正交的两个线偏振分量，即水平分量E 和垂直分量E ，其强度为总光强的一半，入射到瑞利散射粒子上，如图1 所示。从图1 看出，散射过程改变了光的偏振状态，用偏振度可以定量描述光的偏振态。对于瑞利粒子散射而言，在入射光为自然光的条件下偏振度为
P( )= P = P
由(1)式可以看出,在散射角 为90°和270°时,偏振度最大为Pmax，理想状况下最大偏振是100 %，散射出射的光线为完全线偏振光；在散射角为0°和180°时，为无偏振，出射光线仍是自然光；其他位置是部分线偏振光。
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