專利名稱：一種機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設計方法
技術領域：
本發(fā)明屬于慣性技術領域，涉及一種機抖激光陀螺慣性測量單元(IMU)數(shù)字濾波器設計方法，可以應用于位置姿態(tài)測量系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)和捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)(Strap down Navigation System, SINS),以及 SINS/GPS (GlobalPosition System,全球定位系統(tǒng))組合 導航系統(tǒng)的數(shù)據預處理。
背景技術：
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)是以牛頓力學定律為基礎，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，完全依靠機載設備自主地完成測量任務，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)據采集模塊和數(shù)據處理模塊，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、民用方面被廣泛應用。目前全世界應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，而在國內激光陀螺主要是國防科技大學和航空618所的機抖激光陀螺，由于機抖激光陀螺的突出優(yōu)點與廣泛應用，機抖激光陀螺IMU已經成主要發(fā)展方向之一。激光陀螺由于“閉鎖效應”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，需要進行抖動解調，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。抖動解調的方法有光學補償法，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精度高、設計簡單，是目前主要的解調方式之一，該方法的關鍵是低通數(shù)字濾波器的設計。從數(shù)字濾波器的沖激響應來看，濾波器可分有限長單位沖激響應(FIR)濾波器和無限長單位沖激響應(IIR)濾波器。機抖激光陀螺IMU信號濾波采用FIR濾波器能夠獲得嚴格的線性相位，但由于機抖激光陀螺機械抖動噪聲強度遠遠超出有用信號強度，要想達到理想的幅頻特性，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，按照這些準則設計的IIR濾波器，不僅相位非線性嚴重，使得不同頻率的IMU測量信號輸出延時差別大，導致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)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種機抖激光陀螺IMU數(shù)字濾波器設計方法，該方法設計的數(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。本發(fā)明技術解決方案為一種機抖激光陀螺IMU數(shù)字濾波器設計方法，其特點在于包括下列步驟(I)根據機抖激光陀螺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)采用通帶最平坦準則，以中心頻率& = fn，設計線性相位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)字濾波器設計方法，其特征在于包括下列步驟(1)根據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參數(shù)，所述指標參數(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)采用通帶最平坦準則，以中心頻率A= fn，設計線性相位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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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)^_應滿足通帶內信號強度超過阻帶內噪聲強度一個數(shù)量級以上。
5.根據權利要求I所述的機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設計方法，其特征在于所述步驟(2)中，采用通帶最平坦準則設計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.根據權利要求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.根據權利要求I所述的機抖激光陀螺慣性測量單元數(shù)字濾波器設計方法，其特征在于所述步驟(5)中建立目標函數(shù)和優(yōu)化目標函數(shù)J步驟如下，(a)在頻域內建立兩個線性相位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；首先根據機抖激光陀螺機抖噪聲特點設計線性相位IIR數(shù)字濾波器帶阻部分；然后在時域內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；最后建立頻域內線性相位IIR數(shù)字濾波器低通部分目標函數(shù)，利用DFP法優(yōu)化目標函數(shù)，修正時域設計結果，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。
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