专利名称：一种应用于惯性器件中数字滤波器的设计方法
技术领域：
本发明涉及惯性导航领域的信号处理技术，尤其涉及一种应用于惯性器件中数字 滤波器的设计方法。
背景技术：
在惯性导航应用中，惯性器件(陀螺仪和加速度计)实时给出载体的角速度和加 速度信号，积分解算后得到载体的姿态角和位置信息，直接决定着导航精度。以惯性器件为 核心部件的捷联惯导系统在现代军事、航空、航天等领域具有广泛的应用，对于国防工业具 有重要意义。惯性器件属于精密仪表，精度高、动态范围宽，决定着武器70%左右的制导精度。捷联惯导系统中，惯性器件直接安装在载体上，承受着冲击、振动等恶劣环境。为 了降低惯性器件误差对导航精度的影响，需要对其输出信号进行实时滤波。惯性器件的信 号滤波技术是惯性导航领域的关键技术之一。惯性器件采样序列的低频部分往往包含有用 信号，而高频部分则主要由干扰噪声控制。通过设计合理的数字滤波器，可以起到去除噪 声、平滑信号的目的。传统的IIR数字滤波器设计方法和步骤应用于惯性器件时，往往只考 虑去噪效果和系统带宽，不考虑惯性器件信号的频谱特性；不考虑幅值衰减、相位延迟对器 件信号精度和系统精度造成的影响；不考虑整体性能指标是否最优或次优。传统设计方法 容易造成信号的变形或失真，导致信号精度下降。
发明内容
鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种应用于惯性器件中数 字滤波器的设计方法，以便于方便、准确地应用。本发明的目的是通过以下步骤实现的一种应用于惯性器件中数字滤波器的设计方法，包括步骤1 确定数字滤波器的幅相特性限制条件，即计算对数幅值衰减允许值和相 位延迟允许值；步骤2 确定数字滤波器的一些性能指标参数，主要包括通带截止频率fp、阻带起 始频率fs、通带最大衰减ap、阻带最小衰减as ；步骤3 设计参考模拟低通滤波器的传递函数，利用双线性变换转换成IIR数字滤 波器；步骤4 观察数字滤波器ζ函数的波特图，计算低频段的对数幅频特性和相频特 性，利用惯性器件实际测试数据进行离线仿真计算，观察时域去噪效果、幅值衰减和信号延 迟等参数；步骤5 利用模糊规则进行模糊推理，计算滤波综合性能因子，不满意则返回步骤 2，否则进入步骤6;步骤6 在实际捷联惯导系统中应用设计的数字滤波算法在线运行，不满意则返回步骤2，否则设计结束。所述的步骤1包括幅相特性限制依据为根据惯性器件的精度、测量范围、温漂系数、标度因数非线性确定数字滤波器的对 数幅频衰减允许值；根据捷联惯导系统的位置精度、姿态角精度要求确定数字滤波器的相位延迟允许值。所述的步骤2包括根据惯性器件实际采集数据的功率谱分析确定数字滤波器性能指标参数的参考值。所述的步骤3包括步骤31 计算数字频率及双线性变换对应的模拟频率数字频率
权利要求
1.一种应用于惯性器件中数字滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1 确定数字滤波器的幅相特性限制条件，即计算对数幅值衰减允许值和相位延 迟允许值；步骤2 确定数字滤波器的一些性能指标参数，主要包括通带截止频率fp、阻带起始频 率fs、通带最大衰减 、阻带最小衰减\ ；步骤3 设计参考模拟低通滤波器的传递函数，利用双线性变换转换成HR数字滤波器；步骤4 观察数字滤波器ζ函数的波特图，计算低频段的对数幅频特性和相频特性，利 用惯性器件实际测试数据进行离线仿真计算，观察时域去噪效果、幅值衰减和信号延迟参 数；步骤5 利用模糊规则进行模糊推理，计算滤波综合性能因子，不满意则返回步骤2，否 则进入步骤6 ；步骤6:在实际捷联惯导系统中应用设计的数字滤波算法在线运行，不满意则返回步 骤2，否则设计结束。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤1包括 幅相特性限制依据为根据惯性器件的精度、测量范围、温漂系数和标度因数非线性确定数字滤波器的对数 幅频衰减允许值；根据捷联惯导系统的位置精度、姿态角精度要求确定数字滤波器的相位延迟允许值。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤2包括根根惯性器件实际采集数据的功率谱分析确定数字滤波器性能指标参数的参考值。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤3包括以下步骤 步骤31 计算数字频率及双线性变换对应的模拟频率数字频率ωρ = 2 π fp/f、=2 π fs/f其中f为惯性器件信号采样频率，对应的模拟频率0/ = Ig0^-从=tg^.’yk/in—0—1 Ω 步骤32 计算滤波器阶数的参考值# > Ch-lJw /|0] / eh'1 ；Π Oasvio-I Ων步骤33 计算模拟低通滤波器的传递函数Ω；//>) = 一"χ------‘--,式中2'ν—1 ε[[ [χ — Qp(shxk sm yk + jchxk cos yk)]k=\2N-\ π N 2 'Xlr = ~ — —，k N ε步骤34 :利用双线性变换公式= 计算得到nR数字滤波器的传递函数H(z)。1 +厂1
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤5包括 将去噪效果、通带截止频率、幅值衰减和相位延迟作为模糊变量，滤波综合性能因子作 为输出，并且采用以下模糊规则(1)IF去噪效果好AND通带截止频率适中AND幅值衰减小AND相位延迟小THEN滤波综 合性能非常满意；(2)IF去噪效果好AND通带截止频率大AND幅值衰减适中AND相位延迟小THEN滤波综 合性能满意；(3)IF去噪效果一般AND通带截止频率小AND幅值衰减适中AND相位延迟适中THEN滤 波综合性能一般；(4)IF去噪效果差AND通带截止频率小OR幅值衰减大OR相位延迟大THEN滤波综合性 言旨不满意。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，滤波综合性能因子λ取值范围为 0 < λ < 1，当λ > 0. 8时，认为设计参数满足要求，当λ < 0. 8时认为设计参数不满足 要求。
全文摘要
本发明涉及一种应用于惯性器件中数字滤波器的设计方法，其特征在于根据惯性器件精度确定幅值衰减允许值，根据捷联惯导系统性能指标要求确定相位延迟允许值，根据惯性器件实际信号功率谱分析确定滤波器的一些技术参数；设计参考模拟滤波器，利用双线性变换法转换为IIR数字滤波器，在滤波器参数调整过程中，观察波特图并根据实测数据进行离线仿真计算；将去噪效果、通常截止频率、幅值衰减、相位延迟作为模糊变量，利用模糊规则判决使整体性能指标最优。利用该方法设计的数字滤波器可以有效地滤除惯性器件信号中的噪声，同时使幅值衰减和相位延迟控制在允许范围内，保证了信号精度。
文档编号H03H17/02GK102055434SQ201010568088
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者吴光跃, 岳冬雪, 戴绍忠 申请人:北京华力创通科技股份有限公司