專利名稱：一種機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于慣性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種機抖激光陀螺慣性測量單元(IMU)數(shù)字濾波器設(shè)計方法，可以應(yīng)用于位置姿態(tài)測量系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strap down Navigation System, SINS),以及 SINS/GPS (GlobalPosition System,全球定位系統(tǒng))組合 導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理。
背景技術(shù)：
慣性測量單兀(InertialMeasurement Unit, IMU)是 POS、SINS、SINS/GPS 等慣性測量系統(tǒng)的核心部件，慣性測量系統(tǒng)是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，利用IMU測量載體的線運動和角運動參數(shù)，在給定初始條件下，由計算機推算得到載體的位置速度姿態(tài)參數(shù)。它是一種自主式的位置速度姿態(tài)測量單元，完全依靠機載設(shè)備自主地完成測量任務(wù)，和外界不發(fā)生任何光、電聯(lián)系，具有隱蔽性好，工作不受氣象條件限制的優(yōu)點，因此在航空、航天和航海領(lǐng)域得到廣泛的使用。IMU主要包含陀螺儀模塊、加速度計模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，陀螺儀的精度很大程度上決定了 IMU的測量精度。由于激光陀螺具有高動態(tài)、低成本、高可靠、性能價格比高的特點，在軍用、民用方面被廣泛應(yīng)用。目前全世界應(yīng)用的激光陀螺大部分是美國霍尼爾公司和利頓公司的機抖激光陀螺，而在國內(nèi)激光陀螺主要是國防科技大學(xué)和航空618所的機抖激光陀螺，由于機抖激光陀螺的突出優(yōu)點與廣泛應(yīng)用，機抖激光陀螺IMU已經(jīng)成主要發(fā)展方向之一。激光陀螺由于“閉鎖效應(yīng)”的存在，通常采用機械抖動偏頻，這種激光陀螺即為機抖激光陀螺，機抖抖動偏頻是在激光陀螺敏感軸方向輸入偏置角速率，使其工作點全部或大部分從鎖區(qū)偏置出來，因此機抖激光陀螺輸出的信號包含抖動角速率分量，需要進(jìn)行抖動解調(diào)，剝離由機械抖動引起的抖動角速率分量，保留IMU載體的運動角速率分量。抖動解調(diào)的方法有光學(xué)補償法，整周期計數(shù)法，誤差信號修正法和高速采樣低通濾波方法。其中高速采樣低通濾波方法解調(diào)精度高、設(shè)計簡單，是目前主要的解調(diào)方式之一，該方法的關(guān)鍵是低通數(shù)字濾波器的設(shè)計。從數(shù)字濾波器的沖激響應(yīng)來看，濾波器可分有限長單位沖激響應(yīng)(FIR)濾波器和無限長單位沖激響應(yīng)(IIR)濾波器。機抖激光陀螺IMU信號濾波采用FIR濾波器能夠獲得嚴(yán)格的線性相位，但由于機抖激光陀螺機械抖動噪聲強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出有用信號強度，要想達(dá)到理想的幅頻特性，F(xiàn)IR濾波器階數(shù)將會很高，運算量大，對IMU硬件系統(tǒng)提出了苛刻的要求，而且IMU輸出的群延時也與FIR濾波器階數(shù)成比例，因此FIR濾波器使得IMU輸出數(shù)據(jù)延時大。機抖激光陀螺IMU采用IIR濾波器可以獲得良好的噪聲抑制效果，而且IIR濾波器階數(shù)低，IIR濾波器包括巴特沃斯濾波器、切比雪夫I型濾波器、切比雪夫II型濾波器和橢圓濾波器，按照這些準(zhǔn)則設(shè)計的IIR濾波器，不僅相位非線性嚴(yán)重，使得不同頻率的IMU測量信號輸出延時差別大，導(dǎo)致IMU測量精度下降，而且其群延時也很大，降低了 MU測量的實時性
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種機抖激光陀螺IMU數(shù)字濾波器設(shè)計方法，該方法設(shè)計的數(shù)字濾波器具有相位近似線性，運算量小，群延時小，群延時波動小的優(yōu)點，降低了濾波器對IMU硬件系統(tǒng)的要求，提高了 IMU測量實時性和時延補償精度，為IMU高精度實時測量打下基礎(chǔ)。本發(fā)明技術(shù)解決方案為一種機抖激光陀螺IMU數(shù)字濾波器設(shè)計方法，其特點在于包括下列步驟(I)根據(jù)機抖激光陀螺IMU性能要求，確定線性相位IIR數(shù)字濾波器帶阻部分和低通部分的指標(biāo)參數(shù)帶阻部分阻帶衰減參數(shù)Asttjpl,中心頻率& ;低通部分阻帶衰減參數(shù)Asttjp2，低通部分通帶紋波Apass2,低通部分群延時波動Gdw ;線性相位IIR數(shù)字濾波器整體阻帶衰減參數(shù)Ast0po并確定機抖激光陀螺抖動噪聲峰值頻率fn和強度K以及機抖激光陀螺抖 頻波動范圍^ange ；(2)采用通帶最平坦準(zhǔn)則，以中心頻率& = fn，設(shè)計線性相位IIR數(shù)字濾波器帶阻部分，獲得其傳遞函數(shù)分子系數(shù)asl，as2，…，asn和分母系數(shù)bs(l，bsl，bs2，…，bsn，其傳遞函
數(shù)砂
權(quán)利要求
1.一種機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設(shè)計方法，其特征在于包括下列步驟(1)根據(jù)機抖激光陀螺慣性測量單元性能要求，確定線性相位IIR數(shù)字帶阻部分和低通部分的指標(biāo)參數(shù)，所述指標(biāo)參數(shù)包括帶阻部分阻帶衰減參數(shù)Astopl,中心頻率& ;低通部分阻帶衰減參數(shù)As_2，低通部分通帶紋波Apass2,低通部分群延時波動Gdw ;線性相位IIR數(shù)字濾波器整體阻帶衰減參數(shù)Asttjp ;并確定機抖激光陀螺抖動噪聲峰值頻率fn和強度An以及機抖激光陀螺抖頻波動范圍fMnge ；(2)采用通帶最平坦準(zhǔn)則，以中心頻率A= fn，設(shè)計線性相位IIR數(shù)字濾波器帶阻部分，獲得其傳遞函數(shù)分子系數(shù)asl，as2，…，asn和分母系數(shù)bs(l，bsl，bs2，…，bsn，其傳遞函數(shù)
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(I)中，通過4KHz IOKHz的采樣頻率采集機抖激光陀螺輸出信號，利用功率譜分析方法，確定機抖激光陀螺抖動噪聲峰值頻率fn和強度An。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(I)中，以慣性測量單元時延要求波動范圍的O. 9倍為線性相位IIR數(shù)字濾波器低通部分群延時波動范圍Gdw。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(I)中，線性相位IIR數(shù)字濾波器整體阻帶衰減參數(shù)^_應(yīng)滿足通帶內(nèi)信號強度超過阻帶內(nèi)噪聲強度一個數(shù)量級以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(2)中，采用通帶最平坦準(zhǔn)則設(shè)計IIR濾波器帶阻部分時，通過選擇階數(shù)為二階或三階的帶阻部分，并選用對稱于&的帶阻參數(shù)，使帶阻部分的相位非線性相對于低通部分低一個數(shù)量級以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(4)中利用最小二乘估計使H1 (ζ)相位線性化，獲得H1 (ζ)初始系數(shù)&1(0)，a2(0)，…，已爲(wèi)柳’輯…嗔步驟如下(a)以待求系數(shù)a1;a2,…，an,b0, V.. bn建立H1 (ζ)模型，
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(5)中建立目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)J步驟如下，(a)在頻域內(nèi)建立兩個線性相位FIR低通濾波器與H1 (ζ)的幅值誤差和相位誤差的評價函數(shù)
全文摘要
一種機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設(shè)計方法，其特征在于濾波器包括帶阻部分和低通部分；首先根據(jù)機抖激光陀螺機抖噪聲特點設(shè)計線性相位IIR數(shù)字濾波器帶阻部分；然后在時域內(nèi)采用帶遺忘因子的最小二乘參數(shù)估計使線性相位IIR數(shù)字濾波器低通部分逼近線性相位FIR低通濾波器，獲得近似線性相位；最后建立頻域內(nèi)線性相位IIR數(shù)字濾波器低通部分目標(biāo)函數(shù)，利用DFP法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，修正時域設(shè)計結(jié)果，使線性相位IIR數(shù)字濾波器低通部分具有所期望的頻率特性。其優(yōu)點是相位近似線性，運算量低，群延時??；降低了濾波器對IMU硬件的要求，提高了IMU測量實時性，保證了時延補償精度，為IMU高精度實時測量奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號H03H17/02GK102620729SQ20121011702
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者房建成, 李建利, 鐘麥英, 陳安升 申請人:北京航空航天大學(xué)