專利名稱：一種負(fù)反饋?zhàn)赃m應(yīng)在線實(shí)時(shí)濾波方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于離散隨機(jī)信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種提高光纖陀螺測(cè)量精度的負(fù)反 饋?zhàn)赃m應(yīng)在線實(shí)時(shí)濾波方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖陀螺儀已經(jīng)成為未來慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的重要器件，目前陀螺研究領(lǐng)域關(guān)注 的焦點(diǎn)是提高器件的測(cè)量精度以使其達(dá)到慣性級(jí)應(yīng)用的要求。高精度光纖陀螺儀研制的關(guān) 鍵是抑制高頻噪聲，提高器件的零偏穩(wěn)定性與隨機(jī)游走參數(shù)。在硬件技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)， 后端信號(hào)濾波技術(shù)以其低成本高有效性的特點(diǎn)成為降低光纖陀螺噪聲水平的一個(gè)重要途 徑，可以彌補(bǔ)硬件技術(shù)的不足，提高器件測(cè)量精度。在后端信號(hào)處理領(lǐng)域，卡爾曼濾波以其設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易行，所需存儲(chǔ)空間較小 的特點(diǎn)已經(jīng)在導(dǎo)航傳感等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)技術(shù)討論了采用卡爾曼濾波器來抑 制光纖陀螺高頻噪聲的方法。參考文獻(xiàn)(I)Feng Sun, Chao Luo，Wei Gao and Qi Nie, "Research on Modeling andCompensation Method of Fiber Optic Gyro' Random Error"International Conference οnMechatronics&Automation,Niagara Falls,Canada, July 2005，461 465。 (2)Li_dong Wang, Chun-xiZhang. On-line modeling and filter of high-precise FOG signal[J]Opto-ElectronicEngineering. 200734(01) :ppl_3?，F(xiàn)有卡爾曼濾波技術(shù)的特點(diǎn)是采用速率為狀態(tài)變量，將光纖陀螺系統(tǒng)靜止時(shí)的噪 聲模型作為濾波器的狀態(tài)方程并且在濾波的過程中保持系統(tǒng)的狀態(tài)方程參數(shù)不變，整個(gè)濾 波處理是一種開環(huán)的結(jié)構(gòu)。從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，這種技術(shù)方案還存在一些不足，需要改 進(jìn)來提升算法的綜合性能。首先，現(xiàn)有卡爾曼濾波技術(shù)只能在光纖陀螺處于靜止的情況下 工作，無法自適應(yīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)的變化。現(xiàn)有算法采用靜態(tài)噪聲模型作為卡爾曼濾波器的狀態(tài) 方程，狀態(tài)方程參數(shù)不會(huì)隨著被測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而相應(yīng)地調(diào)整，這就限制了濾波 器只能在陀螺處于穩(wěn)態(tài)的情況下發(fā)揮濾波效能，一旦被測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，濾波 器將失去作用。同時(shí)當(dāng)信號(hào)快速變化時(shí)，濾波器也無法提供很強(qiáng)的跟蹤能力。一個(gè)典型的 例子是當(dāng)旋轉(zhuǎn)物體角速率快速增加時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)濾波后的結(jié)果不僅沒有消除高頻白噪聲反 而給信號(hào)增加了一個(gè)偏置噪聲。其次，現(xiàn)有卡爾曼濾波技術(shù)以速率為狀態(tài)變量，不能有效解 決器件偏置隨機(jī)漂移引起的濾波性能退化問題。光纖陀螺的輸出中都存在一個(gè)偏置，器件 實(shí)際傳感到的角速率等于陀螺輸出減去這個(gè)偏置?？柭鼮V波器的理論與仿真表明偏置的 存在會(huì)退化算法的濾波性能。偏置的大小是因陀螺而異的，并且受到外界因素的影響，比如 當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，陀螺偏置大小也會(huì)隨之改變。正因如此，現(xiàn)有技術(shù)中采用的濾波前先記 錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)偏置大小的方法不僅不利于信號(hào)的在線實(shí)時(shí)濾波，而且不能跟蹤信號(hào)偏置的漂 移。更好的方法是期望算法能夠跟蹤偏置的漂移，消除偏置帶來的濾波性能退化問題。此 外，現(xiàn)有技術(shù)只考慮到了瞬時(shí)角速率意義上的噪聲濾波，但是不同應(yīng)用系統(tǒng)的工作時(shí)間不 同，對(duì)陀螺噪聲的短期跟長(zhǎng)期性能指標(biāo)要求也不同。因此，算法抑制高頻噪聲應(yīng)當(dāng)能夠提高 器件在各種平均時(shí)間下的零偏穩(wěn)定性參數(shù)，最大程度改善隨機(jī)游走。最后，考慮到算法實(shí)現(xiàn)
4的硬件水平，濾波算法應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)單快速有效，能夠提供實(shí)時(shí)的在線濾波。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了改善光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性與隨機(jī)游走參數(shù)，克服現(xiàn)有卡爾 曼濾波技術(shù)在消除陀螺偏置隨機(jī)漂移，實(shí)時(shí)跟蹤動(dòng)態(tài)信號(hào)上的不足，提供了一種帶負(fù)反饋 的基于卡爾曼濾波器的自適應(yīng)在線實(shí)時(shí)濾波方法及系統(tǒng)，可以有效抑制光纖陀螺的高頻噪 聲，提高器件測(cè)量精度。本發(fā)明的技術(shù)方案為—種負(fù)反饋?zhàn)赃m應(yīng)在線實(shí)時(shí)濾波方法，其步驟為1)建立一角速率增量信號(hào)序列[Y' _N+1，Y' _N，…，Y' J，并將其初始化為光纖陀 螺最初測(cè)量到的N個(gè)角速率信號(hào)[Y_N+1，…，UJ ；建立一負(fù)反饋序列[；tM+1,l_M+2,…之]， 并將其初始化為0序列；其中，友為i時(shí)刻濾波后輸出的角速率信號(hào)、N為大于2的自然數(shù)、 M為大于1的自然數(shù)；2)將k時(shí)刻光纖陀螺測(cè)量的角速率信號(hào)Yk與k時(shí)刻的負(fù)反饋信號(hào)Uk相減后得到 角速率增量Yk'，將其作為卡爾曼濾波器模塊的觀測(cè)值；其中，Uk為當(dāng)前負(fù)反饋序列經(jīng)過序 列加權(quán)后的信號(hào)；所述卡爾曼濾波器模塊為以速率增量為狀態(tài)變量的離散卡爾曼濾波器；3)采用當(dāng)前角速率增量信號(hào)序列[Y' k，Y' ，…，Y' k_N+1]擬合估計(jì)得到k時(shí) 刻所述卡爾曼濾波器模塊的狀態(tài)方程參數(shù)，更新所述卡爾曼濾波器模塊；4)將角速率增量Y' k經(jīng)參數(shù)更新后的卡爾曼濾波器模塊進(jìn)行信號(hào)濾波，得到k時(shí) 刻卡爾曼濾波器模塊濾波后的角速率增量；5)將k時(shí)刻角速率增量;^丨與k時(shí)刻的負(fù)反饋信號(hào)Uk相加后，作為k時(shí)刻濾波后輸 出的角速率信號(hào);^。進(jìn)一步的，所述卡爾曼濾波器模塊的濾波方程為
權(quán)利要求
1.一種負(fù)反饋?zhàn)赃m應(yīng)在線實(shí)時(shí)濾波方法，其步驟為1)建立一角速率增量信號(hào)序列[Y'-N+1，Y' -N，…，Y' J，并將其初始化為光纖陀螺 最初測(cè)量到的N個(gè)角速率信號(hào)[Y_N+1，…，L1，Y0]；建立一負(fù)反饋序列[1_Μ+1,1_Μ+2,…之]， 并將其初始化為0序列；其中，友為i時(shí)刻濾波后輸出的角速率信號(hào)、N為大于2的自然數(shù)、 M為大于1的自然數(shù)；2)將k時(shí)刻光纖陀螺測(cè)量的角速率信號(hào)Yk與k時(shí)刻的負(fù)反饋信號(hào)Uk相減后得到角速 率增量Y' k，將其作為卡爾曼濾波器模塊的觀測(cè)值；其中，uk為當(dāng)前負(fù)反饋序列經(jīng)過序列加 權(quán)后的信號(hào)；所述卡爾曼濾波器模塊為以速率增量為狀態(tài)變量的離散卡爾曼濾波器；3)采用當(dāng)前角速率增量信號(hào)序列[Y'k，Y' η，…，Y' k_N+1]擬合估計(jì)得到k時(shí)刻所 述卡爾曼濾波器模塊的狀態(tài)方程參數(shù)，更新所述卡爾曼濾波器模塊；4)將角速率增量Y'k經(jīng)參數(shù)更新后的卡爾曼濾波器模塊進(jìn)行信號(hào)濾波，得到k時(shí)刻 卡爾曼濾波器模塊濾波后的角速率增量;^ ；5)將k時(shí)刻角速率增量;^丨與k時(shí)刻的負(fù)反饋信號(hào)uk相加后，作為k時(shí)刻濾波后輸出的 角速率信號(hào)；^。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述卡爾曼濾波器模塊的濾波方程為A'=UL(狀態(tài)方程)<=(觀測(cè)方程)其中，X'時(shí)刻角速率增量信號(hào)的真實(shí)值，CKi1為狀態(tài)轉(zhuǎn)移參數(shù)、WlriS過程噪聲、Vk為觀測(cè)噪聲。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于采用當(dāng)前角速率增量信號(hào)序列[Y'k， Y' H，…，Y' k-N+1]對(duì)所述卡爾曼濾波器模塊的狀態(tài)方程X' k= φ,,,-!Χ' h+WH進(jìn)行擬 合，得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移參數(shù)的估計(jì)么^，并將模型擬合中的擬合誤差方差作為過程噪聲Wlri方差 的估計(jì)么―,。k-\
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于采用公式ΣAy友計(jì)算負(fù)反饋i=k-MM信號(hào)uk ；其中，加權(quán)系數(shù)β i > 0，并且Σ/^ =1。i=l
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述觀測(cè)噪聲Vk的方差&取值為+，其中R為光纖陀螺靜止時(shí)測(cè)量角速率數(shù)據(jù)的先驗(yàn)方差統(tǒng)計(jì)值。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述角速率增量真實(shí)值X'k的濾波估計(jì)值 的計(jì)算方法為采用卡爾曼濾波算法，利用參數(shù)更新后的卡爾曼濾波器模塊進(jìn)行狀態(tài)一步預(yù)測(cè)，計(jì)算一步預(yù)測(cè)誤差方差陣與濾波增益矩陣，然后進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)得到濾波后的角速 率增量，并更新下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)誤差方差陣。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于初始的預(yù)測(cè)誤差方差陣Ptl取值為&的5 20倍。
8.一種負(fù)反饋?zhàn)赃m應(yīng)在線實(shí)時(shí)濾波系統(tǒng)，其特征在于包括減法器、信號(hào)時(shí)間序列模型參數(shù)實(shí)時(shí)估計(jì)模塊、卡爾曼濾波器模塊、反饋回路模塊、加法器；所述減法器將輸入的角速率信號(hào)與負(fù)反饋信號(hào)經(jīng)所述減法器相減后得到的角速率增 量信號(hào)序列分別輸出到所述卡爾曼濾波器模塊、信號(hào)時(shí)間序列模型參數(shù)實(shí)時(shí)估計(jì)模塊；所述信號(hào)時(shí)間序列模型參數(shù)實(shí)時(shí)估計(jì)模塊根據(jù)輸入角速率增量信號(hào)序列計(jì)算所述卡 爾曼濾波模塊的狀態(tài)方程參數(shù)，并更新所述卡爾曼濾波器模塊；所述卡爾曼濾波器模塊為 以速率增量為狀態(tài)變量的離散卡爾曼濾波器；所述卡爾曼濾波器模塊對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后得到的角速率增量輸出到所述加法器；所述加法器將輸入的角速率增量和負(fù)反饋信號(hào)經(jīng)所述加法器相加后作為濾波后的角 速率信號(hào)輸出；所述加法器輸出的信號(hào)經(jīng)所述負(fù)反饋回路后分別輸出到所述減法器與所述加法器；所 述負(fù)反饋回路對(duì)當(dāng)前k時(shí)刻之前的M個(gè)時(shí)刻的濾波輸出角速率信號(hào);^ (i = k-Ι，…，k-M) 經(jīng)過序列加權(quán)后得到所述負(fù)反饋信號(hào)，M為大于1的自然數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述卡爾曼濾波器模塊的濾波方程為
10.如權(quán)利要求8或9所述的系統(tǒng)，其特征在于采用公式
全文摘要
本發(fā)明公開了一種負(fù)反饋?zhàn)赃m應(yīng)在線實(shí)時(shí)濾波方法及系統(tǒng)，屬于離散隨機(jī)信號(hào)處理領(lǐng)域。本方法為1)建立一角速率增量信號(hào)序列和一負(fù)反饋序列；2)將k時(shí)刻角速率信號(hào)Yk與k時(shí)刻的負(fù)反饋信號(hào)uk相減后得到角速率增量Yk′；3)采用當(dāng)前角速率增量信號(hào)序列擬合估計(jì)得到k時(shí)刻卡爾曼濾波器模塊的狀態(tài)方程參數(shù)，更新卡爾曼濾波器模塊；4)將Yk′經(jīng)參數(shù)更新后的卡爾曼濾波器模塊進(jìn)行信號(hào)濾波，得到角速率增量；5)將與相加后，作為k時(shí)刻濾波后輸出的角速率信號(hào)；本系統(tǒng)包括減法器、信號(hào)時(shí)間序列模型參數(shù)實(shí)時(shí)估計(jì)模塊、卡爾曼濾波器模塊、反饋回路模塊、加法器。本發(fā)明大大提高了濾波性、增強(qiáng)了對(duì)快速變化信號(hào)的跟蹤能力、提高隨機(jī)游走參數(shù)的改善效果。
文檔編號(hào)H03H21/00GK102064798SQ20101059484
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者何昌洪, 楊川川, 王子宇 申請(qǐng)人:北京大學(xué)