船用光纤陀螺小波实时滤波算法的设计与实现
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ＣＨＥ ｉｎｈ ａ ，Ｌ ｎ ．ｕ ＨＩＪ ｎ ｙ 。 ＨＥＮ Ｌ ＮＧ Ｊａ ． ｕ ＩＭｉｇｙ ｅ ，Ｓ ｕ —ｕ ，Ｃ ｉ （ ． ｃ ｏ ｌ ｆ ｕｏ ｔ ｎ， ｒ ｉ ｎ ｉｅｒｎ ｎｖ ｒｉ ， ｒ ｉ ５０ １ Ｃｈｎ ； １Ｓ ｈ ｏ ｔｍａｉ ＨａｂｎＥ ｇｎｅｉｇＵ ｉｅｓ ｙ Ｈａｂｎ１ ００ ， ｉａ ｏＡ ｏ ｔ
’
２ Ｂ ｉｎ ｅｏｐ ｃ ｉ ｓ ａｅ ｎｒｉｌ ｅｈ ｏｏ ｙＣ ｍｐ ｎ ｔ ， ｅ ｉｇ１０ ４ Ｃ ｉａ ． ｅ ｉｇＡ ｒｓａ ｅＴｍｅ ｓｒＩｅｔ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ａ ｙＬ ｄ Ｂ ｉｎ ０ １３， ｈｎ ） ｊ Ｌ ａＴ ｊ
Ａｂｔａｔ ｃｏｄｎ ｈ ａｇ ａｄｍ ｄｉ ｆｆ ｅ—ｐｉ ｇｒ （ Ｏ ，ａｅａｐｉａｏ ｅｕｒｍ ｎ ｏ ｔ ｓｒｃ：Ａ ｃｒｉｇｔ ｔｅｌ ｅｒｎｏ ｒｔ ｂｒ ｔ ｙｏ Ｆ Ｇ） ｔｋ ｐ ｌ ｔ ｎ ｒｑｉ ｅｔ ｆ ｈ ｏ ｒ ｆｏ ｉ ｏ ｃ ｃｉ ｅ ｅ
强度很高的噪声。
２ 基 于船用光纤 陀螺信 号阈值选 取准则 ） 目前 ， 要 的阚 值 选 取 准 则 有 ： ｉ Ｓ ｉｋ ＲｓＳ ｉ ， 主 Ｖ ｓ ｈ ， ｉ ｈｎ ｕ ｎ ｋ ｋ Ｓ ｒＳ ｉｋ 。其 中，ｕｅ ｈ ｋ阈值 选取 准则是基 于史坦无 ｕｅｈｎ 等 ＳｒＳ ｉ ｎ 偏 似然估计 （ ｔｉ’ ｎ ｉ ｅ ｉ ｓｍ ｔ ｎ 准则 下的均方 Ｓｅ Ｓ ｂａ ｄｒ ｋｅｔ ａｉ ） ｎ ｕ ｓ ｓ ｉ ｏ 差无偏估计 。当信号 长度较 大时 ，ｕｅｈｎ Ｓ ｒ ｉｋ阈值 趋 近于理 Ｓ
（） ２
ｃ ｉ（ ￣ ｆ ， ＜２Ｔ ， ￣ ｎ ２ ｆ＋ ） ０ ｓ １ １
分 解 尺 度 Ⅳ 也 对 消 噪 后 的 信 号 质 量 有 着 很 大 的 影
式 中 频率，的范 围为 ０ ０ — ．２Ｈ ， ． ７ ０ ２ ｚ 幅值 Ｏ的范 围为 ５ ｔ —
３ ａ 。结合实际航行时海况级别 ， ７ ｄ ｍｒ 在短 时间内 ， 可。Ⅳ 越 大 ， 波 的去 噪性 能 和 光滑 性 ａ小 小
系 列 幅 值 和 频 率 相 近 的 正 弦 波 来 描 述
ｎ
越好 ， 但是计 算 量也 会增 大 。受 实 时性 的 限制 ， 文采 用 本 ｄ ５ ｄ４，ｂ ，ｂ ，ｂ ｂ ，ｂ ｄ３ ｄ ２ ｄ １分别对光纤陀螺信号进行分析。
１ 小 波基 选 取 和分 解 尺 度 选 取 ）
的角速率 ； ｂ 为海洋 环境 因素扰 动 引起 的角 速率 ； 为 陀
螺的常值 误差 项 ， 般与陀螺 的本身 设计 有关 系 ； Ｃ为 陀 一 ｒ Ｏ
螺的随机噪声， 为噪声强度， ： ｏ ｒ ｃ 为地理坐标系与载体坐
标 系之 间 的转 换 矩 阵 。
频 带 范 围 内 。 而受 到 海 浪 等 扰 动 的 影 响 ， 船 的运 动 可 由 舰
一
加快 运 算 速 度 。综 合分 析 现有 的 １ ５种 小 波 ｊ 由 Ｄ ｕ ， ａ— ｂｅｉｓ ｅｈｅ 构造 的紧支撑 集正 交小 波是 实 用性 较好 的 小波 之
一
，
简记为 ｄ Ｎ（ ｂ Ｎ＝ｌ２ ０ ， ， …１ ） Ｎ对应 滤波器的长度 ， 中， 其
认 为 舰 船 仅 仅 受 某 一 频 段 内 的海 浪 扰 动 的 影 响 。对 船 光 纤
响 ， Ⅳ过小 ， 不能将噪声与信号完 全分离 ； Ⅳ过 大 ， 不仅 增 加 了计算量 ， 而且会造成信 号较 大失 真 ， 一般选择 Ⅳ为 ３ ５ －
层。
陀螺数据进行处理 ， 分析信 号的频谱 ， 到 轴光纤 陀螺输 得 出信 号的频谱 和功率谱 曲线如 图 １所示 。从图 可以看 出 ： ２Ｈ 以下主要是 低频 的有用信 号 ，０ ５ Ｈ ｚ １ ￣ ０ ｚ范 围内分布 着
ｓ ｉ ｂ ｍｅ ｓｒ ｐ ｏ ｎ ｒ ａ ａ ｉａ ｉｎ ｓ ｓｅ ａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｎ ａ ｇ ｔ ｔ ｅ ｏ ｔ ｕ ｉｎ ｌ ｈ ｒ ｃｅ ｆ ｈ ｐ ｏ ＯＧ ｈ ｐ ｏ ｔ ｄ ｗｎ ｉｅ ｔ ｌ ｖｇ ｔ ｙ ｔ ｍ ｓｒ ｓ ａ ｃ ｉ ｇｔ ｒ ｅ ，ｈ ｕ ｐ ｔｓ ａｓｃ ａ ａ ｔｒｏ ｉｂ ｍｅ Ｆ ａ ｉ ｎ ｏ ｇ ｓ ｉ ａ ａｙ ｅ ｈ ｒ ｕ ｈｙ Ａｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｎ ｆｒａ — ｍｅ ａｗａ ｅｅ ｌ ｒａｇ ｒ ｈ ｗ ｉｈ ａ ｏ ｔ ｅｔ ｒ ｓ ｏｄ ｄ — ｓ ｎ ｌｚ ｄ ｔ ｏｏ ｇ ｌ ． ｍｉ ｇ ａ ｅ ｄ ｍａ ｄ ｏ ｅ ｌｔ ， ｖ ｌｔ ｔ ｌｏ ｉ ｍ ｈ ｃ ｄ ｐ ｓｔ ｈ ｅ ｈ ｌ ｅ ｔ ｉ ｉ ｆ ｅ ｔ ｈ ｎ ｉｉｇ ｍｅｈ ｄ ｉ ｄ ｓｇ ｅ ． ｍｂｎ ｎ ｈ ｈ ｒｃ ｅｉｔ ａｙ ｉ ｅ ｕ ｔ ｆ ｈ ｙ ｏ ｓ ｎ ｓｄ ｓｇ ｆ ａ ｅｅ ａ ｉ ， ｏｓｎ ｔ ｏ ｓ ｅ ｉｎ ｄ Ｃｏ ｉ ｉ ｇｔ ｅｃ ａａ ｔｒｓｉ ａ ｌ ｓｓｒ ｓ ｌ ｏ ｅｇ ｒ ｉ ａ ｅ ｉｎ ｏ ｖ ｌｔ ｓ ｃｎ ｔ ｇｌ ｗ ｂ ｓ ｄ ｃ ｍｐ ｓｔ ｎ ｓ ａ ｅ ｔ ｅ ｔ ｒｓ ｏｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｔｒ ｓ ｏｄ ｎ ｕ ｃ ｉｎ ｉ ｒ ａｉｅ ． ｙ ｃ ｅ ｋｎ ｈ ｅ ｌｔ ａ ａ ｉ ｔ ｅ ｏ ｏ ｉ ｏ ｃ ｌ ， ｈ ｅ ｈ ｌ ｎ ｈ ｈ ｅ ｈ ｌ ｉ ｇ ｆ ｎ ｔ ｓ ｅ ｌ ｄ Ｂ ｈ ｃ ｉ ｇ ｔ ｅ ｒ ａ — ｍｅ ｃ ｐ ｂ ｌ ｙ ｉ ｈ ｏ ｚ ｉ ｉ ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｗ ｉ ｈ ｉ ｅ ｆ ｄ ｂ ｒ ｃｉａ ｅ ｔ ｔｅ ａ ｇ ｒｔｍ ａ ｃ ｉｖ ｆ ｃｉｅ ｆ ｔｒ ｇ ｏ ａ ｄ ｍ ｒ ｔｎ ｉ ｎ ｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｃ ｓｖ ｒ ｅ ｙ ｐ ａ ｔ ｌｔｓ ， ｌｏ ｉ ｉ ｉ ｃ ｈ ｈ ｃ ｎ ａ ｈ ｅ ｅ ｅｆ ｔ ｌ ｉ ｆｒ ｎ ｏ ｄ ｆ ｏｓ ｅ ｖ ｉ ｅｎ ｉ ｅ ｏ ＯＧ， ｎ ａ ｉ ｙ ｔ ｅ ｄ ｍａ ｄ ｏ ａ — ｍｅ ｆＦ ａ ｄ ｓ ｔ ｆ ｈ ｅ ｎ ｆ ｅ ｌｔ ． ｓ ｒ ｉ Ｋｅ ｒ ｓ ｓ ｉｂ ｍ ｅ Ｆ ｙ ｗｏ ｄ ： ｈ ｐ ｏ ＯＧ；ｗ ｖ ｌｔ ｈ ｅ ｈ ｌ ａ ｅｅ ；ｔ ｒ ｓ ｏ ｄ；ｒａ － ｍｅ ｆ ｔ ｒ ｇ ｅ ｌｔ ｌ ｉ ｉ ｉ ｅｎ
件， 光纤 陀螺 的 漂 移误 差影 响 了捷 联 惯 导 系统 的方 位 、 度 速 和位 置 精 度 。
小波分析方法是一种时间窗和频率窗都可 以改变 的时 频局部化分析方法 ， 以其时频 多分辨 分析 的优 良特性 特别
适宜于分析和处理非平稳 信号 … 。在信 号处理 领域 ， 小波
与运载体 固联 的光纤 陀螺 ， 出信号为运 载体相 对惯 输
性坐标 系的旋转角速率 ， 在动基座下 ， 陀螺 的输 出信号为
ｂ
诂 ｃ（ ） ＋ ０ ０ ， ＝ ： ＋ ｎ ＋ ＋
（） １
收 稿 日期 ： ０ １ ０ － ０ ２ １－ ５ １ －
基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目（０ ７ １４） ６ ９ ４ ０ ；中央高校基本科研业务费专项资金 资助 目（ Ｕ Ｆ ｌ４ １ ＨＥ Ｃ ｌ０ ０ ）
０ 引 言
差进行 滤波处理 ， 对于提高惯导系统长时 间导航定位精度 ，
具有重要的研究意义 。
以光纤陀螺构建 的捷联 式惯导 系统凭借 体积小 、 量 质 轻、 可靠性高 、 成本低 ， 且能提供运载体角运动信息等优点 ， 正逐步在各个领域替代 传统 的平 台式惯 导系统 ， 成为 未来 惯性技术 的发展趋 势 。而作 为捷 联式 惯 导系 统 的核 心器
（ ． 尔 滨 工 程 大 学 自动 化 学 院 ， 龙 江 哈 尔 滨 １０ ０ ； １哈 黑 ５０ １ ２ 北 京 航 天 时 代 激 光 导 航 技 术 有 限 责 任 公 司 。 京 １０ ４ ） ． 北 ０ １３
摘
要 ：针对光纤陀螺 随机漂移噪声大 的问题 ， 以船用捷 联式惯导系统应用需求为研究对象 ， 对船用光纤
分析方法降噪 已得到越来越广泛 的应用 。本文 以船用光纤 陀螺为研究对象 ， 过对船 用导航 系统 的陀螺信号特 征分 通 析， 在满 足实 时性 的要求下 ， 设计 了一种适用于船用光纤陀 螺 的小波实时滤波算法 。
１ 船 用 光 纤 陀螺 信 号 特 征 分 析
光纤 陀螺 的漂移误差 主要包括 常值漂移 和随机漂移两 类， 对于常值 漂移 ， 可通 过器件或 系统级标 定予 以补偿 ； 而 随机漂移受环境 因素影响 ， 表现出时变与弱非线性 ， 很难建 起 其准确理想 的数 学模型 。而 由惯导 系统误差 分析可 知 ， 随机漂移激励 的导航信息误差均方根值具有 随时 间发散 的 特性。因此 ， 采取合适 的数 据滤波算 法对陀螺 随机 漂移误
芝
成 陀 螺 随 机 漂 移 噪声 的有 效 滤 波 。
关键词 ：船用光纤陀螺 ； 小波 ；阈值 ； 实时滤波
中 图分 类 号 ：Ｕ６６ １ ６ ．２ 文献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ －７ ７ ２ １ ）７０ ０ －４ ０ ０９ ８ （０ １ ０ － １４ ０
Ｄ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｒ ａ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ ｌｔｍ ｅ ｗａ ｅｅ ｌｅ ｌ ｏ ｉｈ ｓｇ ｎ ｅ ｌ ｔｏ ｆｒ ａ －ｉ ｖ ｌｔｆ ｔ ｒ ａ ｇ ｒｔ ｍ ｚ ｉ ｆ ｒ ｓ ｉ ｂｏ ｎ ｏ ｈ ｐ ｒ ｅ ＦＯ Ｇ
对 于船用光纤 陀螺 ， 其有用信号频率较 低 、 信号弱 的特
点 ， 了 兼 顾 滤 波 的 实 时 性 和 去 噪 效 果 ， 先 应 选 取 对 称 性 为 首 较 好 的小 波 基 ， 量 减 小 信 号 的失 真 ， 且 有 较 短 的 支 撑 ， 尽 并
由以上信号 的特性可知 ， 地球 旋转角速 率为恒定值 ， 在 固定纬度处 的地 理坐标 系上 的投影 ： 恒定 值。 由于舰 为 船的运动速度低 ， 因此 ， 舰船线运动引起 的角速率在地 理坐 标系上的投影 也属低 频信号 ， 一般 分布在 １ 一一 Ｏ Ｈ ０ ｌ ｚ
第 ７期
程建华 ， ： 等 船用光纤陀螺小波 实时滤波算法 的设计 与实现
１５ ０
式 中 ｃ： ｃ为地球 旋转引起 的角 速率 ；， ， ｃ ｃ 为舰船线运 动引起
波的 目的 。由于前 ２种方 法计算 量较 大 ， 时运算 时会 引 实 起延迟 ， 因此 ， 选择小波阈值滤波 。具体步骤如下 ：
陀螺的输 出信号 特征进行 了深入分析 。针对 陀螺信号需 实时处理 的要求 ， 设计 了基 于阈值法 的实时小波 滤波算 法。结合 陀螺信号特征分析结果 ， 完成了实时滤波算法 的小波基 、 分解尺度 、 阈值 以及 阈值 函数设 计。实时性 验证 实验 与实测信号 的实时滤波 实验结果表 明 ： 该算法在满足陀螺信号实时性 的条件下 ， 能完
１４ ０
传感器与微系统（ ｒ ｓｕｅ ｎ ｉｒ ｙｔ ｅｈ ｏ ｇｅ） Ｔａ ｄ ｃｒ ｄＭ ｃｏ ｓ ｍ Ｔｃ ｎｌ ｉｓ ｎ ａ ｓ ｅ ｏ
２１ 年 第 ３ ０１ Ｏ卷 第 ７期
船 用 光 纤 陀螺 小 波 实 时滤 波 算 法 的设 计 与 实现
程 建华 李 明 月 ， ，时俊 宇 ，陈 李
’
２ Ｂ ｉｎ ｅｏｐ ｃ ｉ ｓ ａｅ ｎｒｉｌ ｅｈ ｏｏ ｙＣ ｍｐ ｎ ｔ ， ｅ ｉｇ１０ ４ Ｃ ｉａ ． ｅ ｉｇＡ ｒｓａ ｅＴｍｅ ｓｒＩｅｔ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ａ ｙＬ ｄ Ｂ ｉｎ ０ １３， ｈｎ ） ｊ Ｌ ａＴ ｊ
Ａｂｔａｔ ｃｏｄｎ ｈ ａｇ ａｄｍ ｄｉ ｆｆ ｅ—ｐｉ ｇｒ （ Ｏ ，ａｅａｐｉａｏ ｅｕｒｍ ｎ ｏ ｔ ｓｒｃ：Ａ ｃｒｉｇｔ ｔｅｌ ｅｒｎｏ ｒｔ ｂｒ ｔ ｙｏ Ｆ Ｇ） ｔｋ ｐ ｌ ｔ ｎ ｒｑｉ ｅｔ ｆ ｈ ｏ ｒ ｆｏ ｉ ｏ ｃ ｃｉ ｅ ｅ
强度很高的噪声。
２ 基 于船用光纤 陀螺信 号阈值选 取准则 ） 目前 ， 要 的阚 值 选 取 准 则 有 ： ｉ Ｓ ｉｋ ＲｓＳ ｉ ， 主 Ｖ ｓ ｈ ， ｉ ｈｎ ｕ ｎ ｋ ｋ Ｓ ｒＳ ｉｋ 。其 中，ｕｅ ｈ ｋ阈值 选取 准则是基 于史坦无 ｕｅｈｎ 等 ＳｒＳ ｉ ｎ 偏 似然估计 （ ｔｉ’ ｎ ｉ ｅ ｉ ｓｍ ｔ ｎ 准则 下的均方 Ｓｅ Ｓ ｂａ ｄｒ ｋｅｔ ａｉ ） ｎ ｕ ｓ ｓ ｉ ｏ 差无偏估计 。当信号 长度较 大时 ，ｕｅｈｎ Ｓ ｒ ｉｋ阈值 趋 近于理 Ｓ
（） ２
ｃ ｉ（ ￣ ｆ ， ＜２Ｔ ， ￣ ｎ ２ ｆ＋ ） ０ ｓ １ １
分 解 尺 度 Ⅳ 也 对 消 噪 后 的 信 号 质 量 有 着 很 大 的 影
式 中 频率，的范 围为 ０ ０ — ．２Ｈ ， ． ７ ０ ２ ｚ 幅值 Ｏ的范 围为 ５ ｔ —
３ ａ 。结合实际航行时海况级别 ， ７ ｄ ｍｒ 在短 时间内 ， 可。Ⅳ 越 大 ， 波 的去 噪性 能 和 光滑 性 ａ小 小
系 列 幅 值 和 频 率 相 近 的 正 弦 波 来 描 述
ｎ
越好 ， 但是计 算 量也 会增 大 。受 实 时性 的 限制 ， 文采 用 本 ｄ ５ ｄ４，ｂ ，ｂ ，ｂ ｂ ，ｂ ｄ３ ｄ ２ ｄ １分别对光纤陀螺信号进行分析。
１ 小 波基 选 取 和分 解 尺 度 选 取 ）
的角速率 ； ｂ 为海洋 环境 因素扰 动 引起 的角 速率 ； 为 陀
螺的常值 误差 项 ， 般与陀螺 的本身 设计 有关 系 ； Ｃ为 陀 一 ｒ Ｏ
螺的随机噪声， 为噪声强度， ： ｏ ｒ ｃ 为地理坐标系与载体坐
标 系之 间 的转 换 矩 阵 。
频 带 范 围 内 。 而受 到 海 浪 等 扰 动 的 影 响 ， 船 的运 动 可 由 舰
一
加快 运 算 速 度 。综 合分 析 现有 的 １ ５种 小 波 ｊ 由 Ｄ ｕ ， ａ— ｂｅｉｓ ｅｈｅ 构造 的紧支撑 集正 交小 波是 实 用性 较好 的 小波 之
一
，
简记为 ｄ Ｎ（ ｂ Ｎ＝ｌ２ ０ ， ， …１ ） Ｎ对应 滤波器的长度 ， 中， 其
认 为 舰 船 仅 仅 受 某 一 频 段 内 的海 浪 扰 动 的 影 响 。对 船 光 纤
响 ， Ⅳ过小 ， 不能将噪声与信号完 全分离 ； Ⅳ过 大 ， 不仅 增 加 了计算量 ， 而且会造成信 号较 大失 真 ， 一般选择 Ⅳ为 ３ ５ －
层。
陀螺数据进行处理 ， 分析信 号的频谱 ， 到 轴光纤 陀螺输 得 出信 号的频谱 和功率谱 曲线如 图 １所示 。从图 可以看 出 ： ２Ｈ 以下主要是 低频 的有用信 号 ，０ ５ Ｈ ｚ １ ￣ ０ ｚ范 围内分布 着
ｓ ｉ ｂ ｍｅ ｓｒ ｐ ｏ ｎ ｒ ａ ａ ｉａ ｉｎ ｓ ｓｅ ａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｎ ａ ｇ ｔ ｔ ｅ ｏ ｔ ｕ ｉｎ ｌ ｈ ｒ ｃｅ ｆ ｈ ｐ ｏ ＯＧ ｈ ｐ ｏ ｔ ｄ ｗｎ ｉｅ ｔ ｌ ｖｇ ｔ ｙ ｔ ｍ ｓｒ ｓ ａ ｃ ｉ ｇｔ ｒ ｅ ，ｈ ｕ ｐ ｔｓ ａｓｃ ａ ａ ｔｒｏ ｉｂ ｍｅ Ｆ ａ ｉ ｎ ｏ ｇ ｓ ｉ ａ ａｙ ｅ ｈ ｒ ｕ ｈｙ Ａｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｎ ｆｒａ — ｍｅ ａｗａ ｅｅ ｌ ｒａｇ ｒ ｈ ｗ ｉｈ ａ ｏ ｔ ｅｔ ｒ ｓ ｏｄ ｄ — ｓ ｎ ｌｚ ｄ ｔ ｏｏ ｇ ｌ ． ｍｉ ｇ ａ ｅ ｄ ｍａ ｄ ｏ ｅ ｌｔ ， ｖ ｌｔ ｔ ｌｏ ｉ ｍ ｈ ｃ ｄ ｐ ｓｔ ｈ ｅ ｈ ｌ ｅ ｔ ｉ ｉ ｆ ｅ ｔ ｈ ｎ ｉｉｇ ｍｅｈ ｄ ｉ ｄ ｓｇ ｅ ． ｍｂｎ ｎ ｈ ｈ ｒｃ ｅｉｔ ａｙ ｉ ｅ ｕ ｔ ｆ ｈ ｙ ｏ ｓ ｎ ｓｄ ｓｇ ｆ ａ ｅｅ ａ ｉ ， ｏｓｎ ｔ ｏ ｓ ｅ ｉｎ ｄ Ｃｏ ｉ ｉ ｇｔ ｅｃ ａａ ｔｒｓｉ ａ ｌ ｓｓｒ ｓ ｌ ｏ ｅｇ ｒ ｉ ａ ｅ ｉｎ ｏ ｖ ｌｔ ｓ ｃｎ ｔ ｇｌ ｗ ｂ ｓ ｄ ｃ ｍｐ ｓｔ ｎ ｓ ａ ｅ ｔ ｅ ｔ ｒｓ ｏｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｔｒ ｓ ｏｄ ｎ ｕ ｃ ｉｎ ｉ ｒ ａｉｅ ． ｙ ｃ ｅ ｋｎ ｈ ｅ ｌｔ ａ ａ ｉ ｔ ｅ ｏ ｏ ｉ ｏ ｃ ｌ ， ｈ ｅ ｈ ｌ ｎ ｈ ｈ ｅ ｈ ｌ ｉ ｇ ｆ ｎ ｔ ｓ ｅ ｌ ｄ Ｂ ｈ ｃ ｉ ｇ ｔ ｅ ｒ ａ — ｍｅ ｃ ｐ ｂ ｌ ｙ ｉ ｈ ｏ ｚ ｉ ｉ ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｗ ｉ ｈ ｉ ｅ ｆ ｄ ｂ ｒ ｃｉａ ｅ ｔ ｔｅ ａ ｇ ｒｔｍ ａ ｃ ｉｖ ｆ ｃｉｅ ｆ ｔｒ ｇ ｏ ａ ｄ ｍ ｒ ｔｎ ｉ ｎ ｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｃ ｓｖ ｒ ｅ ｙ ｐ ａ ｔ ｌｔｓ ， ｌｏ ｉ ｉ ｉ ｃ ｈ ｈ ｃ ｎ ａ ｈ ｅ ｅ ｅｆ ｔ ｌ ｉ ｆｒ ｎ ｏ ｄ ｆ ｏｓ ｅ ｖ ｉ ｅｎ ｉ ｅ ｏ ＯＧ， ｎ ａ ｉ ｙ ｔ ｅ ｄ ｍａ ｄ ｏ ａ — ｍｅ ｆＦ ａ ｄ ｓ ｔ ｆ ｈ ｅ ｎ ｆ ｅ ｌｔ ． ｓ ｒ ｉ Ｋｅ ｒ ｓ ｓ ｉｂ ｍ ｅ Ｆ ｙ ｗｏ ｄ ： ｈ ｐ ｏ ＯＧ；ｗ ｖ ｌｔ ｈ ｅ ｈ ｌ ａ ｅｅ ；ｔ ｒ ｓ ｏ ｄ；ｒａ － ｍｅ ｆ ｔ ｒ ｇ ｅ ｌｔ ｌ ｉ ｉ ｉ ｅｎ
件， 光纤 陀螺 的 漂 移误 差影 响 了捷 联 惯 导 系统 的方 位 、 度 速 和位 置 精 度 。
小波分析方法是一种时间窗和频率窗都可 以改变 的时 频局部化分析方法 ， 以其时频 多分辨 分析 的优 良特性 特别
适宜于分析和处理非平稳 信号 … 。在信 号处理 领域 ， 小波
与运载体 固联 的光纤 陀螺 ， 出信号为运 载体相 对惯 输
性坐标 系的旋转角速率 ， 在动基座下 ， 陀螺 的输 出信号为
ｂ
诂 ｃ（ ） ＋ ０ ０ ， ＝ ： ＋ ｎ ＋ ＋
（） １
收 稿 日期 ： ０ １ ０ － ０ ２ １－ ５ １ －
基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目（０ ７ １４） ６ ９ ４ ０ ；中央高校基本科研业务费专项资金 资助 目（ Ｕ Ｆ ｌ４ １ ＨＥ Ｃ ｌ０ ０ ）
０ 引 言
差进行 滤波处理 ， 对于提高惯导系统长时 间导航定位精度 ，
具有重要的研究意义 。
以光纤陀螺构建 的捷联 式惯导 系统凭借 体积小 、 量 质 轻、 可靠性高 、 成本低 ， 且能提供运载体角运动信息等优点 ， 正逐步在各个领域替代 传统 的平 台式惯 导系统 ， 成为 未来 惯性技术 的发展趋 势 。而作 为捷 联式 惯 导系 统 的核 心器
（ ． 尔 滨 工 程 大 学 自动 化 学 院 ， 龙 江 哈 尔 滨 １０ ０ ； １哈 黑 ５０ １ ２ 北 京 航 天 时 代 激 光 导 航 技 术 有 限 责 任 公 司 。 京 １０ ４ ） ． 北 ０ １３
摘
要 ：针对光纤陀螺 随机漂移噪声大 的问题 ， 以船用捷 联式惯导系统应用需求为研究对象 ， 对船用光纤
分析方法降噪 已得到越来越广泛 的应用 。本文 以船用光纤 陀螺为研究对象 ， 过对船 用导航 系统 的陀螺信号特 征分 通 析， 在满 足实 时性 的要求下 ， 设计 了一种适用于船用光纤陀 螺 的小波实时滤波算法 。
１ 船 用 光 纤 陀螺 信 号 特 征 分 析
光纤 陀螺 的漂移误差 主要包括 常值漂移 和随机漂移两 类， 对于常值 漂移 ， 可通 过器件或 系统级标 定予 以补偿 ； 而 随机漂移受环境 因素影响 ， 表现出时变与弱非线性 ， 很难建 起 其准确理想 的数 学模型 。而 由惯导 系统误差 分析可 知 ， 随机漂移激励 的导航信息误差均方根值具有 随时 间发散 的 特性。因此 ， 采取合适 的数 据滤波算 法对陀螺 随机 漂移误
芝
成 陀 螺 随 机 漂 移 噪声 的有 效 滤 波 。
关键词 ：船用光纤陀螺 ； 小波 ；阈值 ； 实时滤波
中 图分 类 号 ：Ｕ６６ １ ６ ．２ 文献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ －７ ７ ２ １ ）７０ ０ －４ ０ ０９ ８ （０ １ ０ － １４ ０
Ｄ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｒ ａ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ ｌｔｍ ｅ ｗａ ｅｅ ｌｅ ｌ ｏ ｉｈ ｓｇ ｎ ｅ ｌ ｔｏ ｆｒ ａ －ｉ ｖ ｌｔｆ ｔ ｒ ａ ｇ ｒｔ ｍ ｚ ｉ ｆ ｒ ｓ ｉ ｂｏ ｎ ｏ ｈ ｐ ｒ ｅ ＦＯ Ｇ
对 于船用光纤 陀螺 ， 其有用信号频率较 低 、 信号弱 的特
点 ， 了 兼 顾 滤 波 的 实 时 性 和 去 噪 效 果 ， 先 应 选 取 对 称 性 为 首 较 好 的小 波 基 ， 量 减 小 信 号 的失 真 ， 且 有 较 短 的 支 撑 ， 尽 并
由以上信号 的特性可知 ， 地球 旋转角速 率为恒定值 ， 在 固定纬度处 的地 理坐标 系上 的投影 ： 恒定 值。 由于舰 为 船的运动速度低 ， 因此 ， 舰船线运动引起 的角速率在地 理坐 标系上的投影 也属低 频信号 ， 一般 分布在 １ 一一 Ｏ Ｈ ０ ｌ ｚ
第 ７期
程建华 ， ： 等 船用光纤陀螺小波 实时滤波算法 的设计 与实现
１５ ０
式 中 ｃ： ｃ为地球 旋转引起 的角 速率 ；， ， ｃ ｃ 为舰船线运 动引起
波的 目的 。由于前 ２种方 法计算 量较 大 ， 时运算 时会 引 实 起延迟 ， 因此 ， 选择小波阈值滤波 。具体步骤如下 ：
陀螺的输 出信号 特征进行 了深入分析 。针对 陀螺信号需 实时处理 的要求 ， 设计 了基 于阈值法 的实时小波 滤波算 法。结合 陀螺信号特征分析结果 ， 完成了实时滤波算法 的小波基 、 分解尺度 、 阈值 以及 阈值 函数设 计。实时性 验证 实验 与实测信号 的实时滤波 实验结果表 明 ： 该算法在满足陀螺信号实时性 的条件下 ， 能完
１４ ０
传感器与微系统（ ｒ ｓｕｅ ｎ ｉｒ ｙｔ ｅｈ ｏ ｇｅ） Ｔａ ｄ ｃｒ ｄＭ ｃｏ ｓ ｍ Ｔｃ ｎｌ ｉｓ ｎ ａ ｓ ｅ ｏ
２１ 年 第 ３ ０１ Ｏ卷 第 ７期
船 用 光 纤 陀螺 小 波 实 时滤 波 算 法 的设 计 与 实现
程 建华 李 明 月 ， ，时俊 宇 ，陈 李