专利名称：一种机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法
技术领域：
本发明属于惯性技术领域，涉及一种机抖激光陀螺惯性测量单元(IMU)数字滤波器设计方法，可以应用于位置姿态测量系统(Position and Orientation System, POS)和捷联惯性导航系统(Strap down Navigation System, SINS),以及 SINS/GPS (GlobalPosition System,全球定位系统)组合 导航系统的数据预处理。
背景技术：
惯性测量单兀(InertialMeasurement Unit, IMU)是 POS、SINS、SINS/GPS 等惯性测量系统的核心部件，惯性测量系统是以牛顿力学定律为基础，利用IMU测量载体的线运动和角运动参数，在给定初始条件下，由计算机推算得到载体的位置速度姿态参数。它是一种自主式的位置速度姿态测量单元，完全依靠机载设备自主地完成测量任务，和外界不发生任何光、电联系，具有隐蔽性好，工作不受气象条件限制的优点，因此在航空、航天和航海领域得到广泛的使用。IMU主要包含陀螺仪模块、加速度计模块、数据采集模块和数据处理模块，陀螺仪的精度很大程度上决定了 IMU的测量精度。由于激光陀螺具有高动态、低成本、高可靠、性能价格比高的特点，在军用、民用方面被广泛应用。目前全世界应用的激光陀螺大部分是美国霍尼尔公司和利顿公司的机抖激光陀螺，而在国内激光陀螺主要是国防科技大学和航空618所的机抖激光陀螺，由于机抖激光陀螺的突出优点与广泛应用，机抖激光陀螺IMU已经成主要发展方向之一。激光陀螺由于“闭锁效应”的存在，通常采用机械抖动偏频，这种激光陀螺即为机抖激光陀螺，机抖抖动偏频是在激光陀螺敏感轴方向输入偏置角速率，使其工作点全部或大部分从锁区偏置出来，因此机抖激光陀螺输出的信号包含抖动角速率分量，需要进行抖动解调，剥离由机械抖动引起的抖动角速率分量，保留IMU载体的运动角速率分量。抖动解调的方法有光学补偿法，整周期计数法，误差信号修正法和高速采样低通滤波方法。其中高速采样低通滤波方法解调精度高、设计简单，是目前主要的解调方式之一，该方法的关键是低通数字滤波器的设计。从数字滤波器的冲激响应来看，滤波器可分有限长单位冲激响应(FIR)滤波器和无限长单位冲激响应(IIR)滤波器。机抖激光陀螺IMU信号滤波采用FIR滤波器能够获得严格的线性相位，但由于机抖激光陀螺机械抖动噪声强度远远超出有用信号强度，要想达到理想的幅频特性，FIR滤波器阶数将会很高，运算量大，对IMU硬件系统提出了苛刻的要求，而且IMU输出的群延时也与FIR滤波器阶数成比例，因此FIR滤波器使得IMU输出数据延时大。机抖激光陀螺IMU采用IIR滤波器可以获得良好的噪声抑制效果，而且IIR滤波器阶数低，IIR滤波器包括巴特沃斯滤波器、切比雪夫I型滤波器、切比雪夫II型滤波器和椭圆滤波器，按照这些准则设计的IIR滤波器，不仅相位非线性严重，使得不同频率的IMU测量信号输出延时差别大，导致IMU测量精度下降，而且其群延时也很大，降低了 MU测量的实时性
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种机抖激光陀螺IMU数字滤波器设计方法，该方法设计的数字滤波器具有相位近似线性，运算量小，群延时小，群延时波动小的优点，降低了滤波器对IMU硬件系统的要求，提高了 IMU测量实时性和时延补偿精度，为IMU高精度实时测量打下基础。本发明技术解决方案为一种机抖激光陀螺IMU数字滤波器设计方法，其特点在于包括下列步骤(I)根据机抖激光陀螺IMU性能要求，确定线性相位IIR数字滤波器带阻部分和低通部分的指标参数带阻部分阻带衰减参数Asttjpl,中心频率& ;低通部分阻带衰减参数Asttjp2，低通部分通带纹波Apass2,低通部分群延时波动Gdw ;线性相位IIR数字滤波器整体阻带衰减参数Ast0po并确定机抖激光陀螺抖动噪声峰值频率fn和强度K以及机抖激光陀螺抖 频波动范围^ange ；(2)采用通带最平坦准则，以中心频率& = fn，设计线性相位IIR数字滤波器带阻部分，获得其传递函数分子系数asl，as2，…，asn和分母系数bs(l，bsl，bs2，…，bsn，其传递函
数砂
权利要求
1.一种机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法，其特征在于包括下列步骤(1)根据机抖激光陀螺惯性测量单元性能要求，确定线性相位IIR数字带阻部分和低通部分的指标参数，所述指标参数包括带阻部分阻带衰减参数Astopl,中心频率& ;低通部分阻带衰减参数As_2，低通部分通带纹波Apass2,低通部分群延时波动Gdw ;线性相位IIR数字滤波器整体阻带衰减参数Asttjp ;并确定机抖激光陀螺抖动噪声峰值频率fn和强度An以及机抖激光陀螺抖频波动范围fMnge ；(2)采用通带最平坦准则，以中心频率A= fn，设计线性相位IIR数字滤波器带阻部分，获得其传递函数分子系数asl，as2，…，asn和分母系数bs(l，bsl，bs2，…，bsn，其传递函数
2.根据权利要求I所述的机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法，其特征在于所述步骤(I)中，通过4KHz IOKHz的采样频率采集机抖激光陀螺输出信号，利用功率谱分析方法，确定机抖激光陀螺抖动噪声峰值频率fn和强度An。
3.根据权利要求I所述的机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法，其特征在于所述步骤(I)中，以惯性测量单元时延要求波动范围的O. 9倍为线性相位IIR数字滤波器低通部分群延时波动范围Gdw。
4.根据权利要求I所述的机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法，其特征在于所述步骤(I)中，线性相位IIR数字滤波器整体阻带衰减参数^_应满足通带内信号强度超过阻带内噪声强度一个数量级以上。
5.根据权利要求I所述的机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法，其特征在于所述步骤(2)中，采用通带最平坦准则设计IIR滤波器带阻部分时，通过选择阶数为二阶或三阶的带阻部分，并选用对称于&的带阻参数，使带阻部分的相位非线性相对于低通部分低一个数量级以上。
6.根据权利要求I所述的机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法，其特征在于所述步骤(4)中利用最小二乘估计使H1 (ζ)相位线性化，获得H1 (ζ)初始系数&1(0)，a2(0)，…，已爲柳’辑…嗔步骤如下(a)以待求系数a1;a2,…，an,b0, V.. bn建立H1 (ζ)模型，
7.根据权利要求I所述的机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法，其特征在于所述步骤(5)中建立目标函数和优化目标函数J步骤如下，(a)在频域内建立两个线性相位FIR低通滤波器与H1 (ζ)的幅值误差和相位误差的评价函数
全文摘要
一种机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法，其特征在于滤波器包括带阻部分和低通部分；首先根据机抖激光陀螺机抖噪声特点设计线性相位IIR数字滤波器带阻部分；然后在时域内采用带遗忘因子的最小二乘参数估计使线性相位IIR数字滤波器低通部分逼近线性相位FIR低通滤波器，获得近似线性相位；最后建立频域内线性相位IIR数字滤波器低通部分目标函数，利用DFP法优化目标函数，修正时域设计结果，使线性相位IIR数字滤波器低通部分具有所期望的频率特性。其优点是相位近似线性，运算量低，群延时小；降低了滤波器对IMU硬件的要求，提高了IMU测量实时性，保证了时延补偿精度，为IMU高精度实时测量奠定了基础。
文档编号H03H17/02GK102620729SQ20121011702
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者房建成, 李建利, 钟麦英, 陈安升 申请人:北京航空航天大学