α-β滤波方法研究Word文件下载.doc
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二、设计(论文)要求
1、理解并掌握相关理论基础知识。
2、滤波程序准确无误。
3、滤波参数选取合适。
4、滤波结果可靠、正确。
三、设计完成后应提交的文件和图表
(一)计算说明部分
滤波程序
毕业论文
(二)图纸部分
滤波曲线图
四、设计进度分配及最后完成日期
设计进度:
第01~02周:
课题调研和开题报告
第03~04周:
滤波方法研究
第05~10周:
软件的开发和设计
第10~11周:
综合测试与试用
第12~13周:
归纳总结相关结果
第14~15周:
撰写论文
完成时间:
2006年6月10日
五、主要参考资料
参考文献:
[1]王永德,王军.随机信号分析基础.电子工业出版社,2003.6.
[2]刘利生,曹坤梅,胡东华.再入(返回)测量的自校准α-β-γ滤波:
飞行器测控学报,2004.3.
[3]伯晓晨.MATLAB工具箱应用指南(信息工程篇):
电子工业出版社,2000.
[4]何友,王国宏.多传感器信息融合及应用[M].电子工业出版社,2000.
[5]JoyceVandeVegte.数字信号处理基础.侯正信,王安国.电子工业出版社,2004.
[6]宋丽荣.现代控制理论基础[M].沈阳:
中国电力出版社,2006:
PP146-231.
[7]王翼.现代理论控制[M].北京:
机械工业出版社,2005:
PP365-371.
[8]李海涛,邓樱.MATLAB程序设计教程[M].北京:
高等教育出版社,2002:
PP256-280.
[9]于润伟.MATLAB基础及其应用[M].北京:
机械工业出版社,2003.9:
PP98-102.
[10]刘利生,曹坤梅,胡东华.再入(返回)测量的自校准α-β-γ滤波[M].飞行器测学报,2004.3.
六、备注
指导教师
王司
教研室主任
叶树江
教研室地址
实验楼514
通讯联系方式
13603682769wangsi-6305@
固定指导时间
每周五下午
固定指导地点
黑龙江工程学院本科生毕业论文
摘要
本文分析了激光陀螺的工作原理,介绍了激光陀螺的性能特点,以及激光陀螺具有传统的机电陀螺和其他类型陀螺所无法比拟的优点,但是其性能特征与捷联惯性导航对惯性测量元件的要求有一定差距,这就需要对其特性加以改进。
尽管如此,与其它惯性器件相比,它的军事应用、航天前景十分广阔。
激光陀螺在惯性技术领域的地位已经确立,目前它已经发展成为惯性导航的主流仪表之一。
但激光陀螺中存在着各种噪声,影响了激光陀螺的输出信号精度,本文就是通过对在导航过程中的某一点采集的激光陀螺的脉冲数据,对其噪声特性进行分析,并选择α-β滤波方法,滤除其中的噪声信号,使激光陀螺的精度得到提高,同时也使它的适用范围从航天、军事等高科技领域到其它普通领域。
关键词:
α-β滤波;
惯性导航;
激光陀螺;
噪声;
状态方程
ABSTRACT
Thisessayanalyzedtheworkingprinciple,introducedfeaturesofthelasergyroandlasergyrohaspredominantadvantagesoverelectric-mechanicalandothertypesofgyros.Itmeetsthedemandsofstrap-downnavigationsystemtoinertiameasureequipmentincompleteandneedtoimprove,butithasaverystrongapplicationinmilitaryaffairsandaviationthenothers.
Thelasergyro’positionininertialtechnicalisdefinite,nowithasbeendevelopedtobeoneofthemaingauges.Buttherealsoexistsomekindsofnoisesinlasergyro,andthenaffectedthecorrectnessofoutputsignal,thisessayanalyzedthelasergyro’snoisecharacterthroughsomedatacollectedfromlasergyro,andchoosethemethodofα-βfiltering,filteroffthenoisesignal,thencarryupthecorrectnessoflasergyro’soutputsignal,meanwhileexpenditsusingdistrictfromaviationandmilitarytoothernormaldistrict.
Keywords:
α-βFiltering;
InertialNavigation;
RingLaserGyro;
Noise;
StateEquation
II
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2研究目的 2
第2章激光陀螺简介 4
2.1激光陀螺 4
2.1.1激光陀螺的基本原理 4
2.1.2激光陀螺的产生 4
2.1.3激光陀螺的优势 5
2.2激光陀螺的国内外现状 5
2.2.1激光陀螺的国外现状 5
2.2.2激光陀螺的国内现状 6
2.3激光陀螺零偏误差 6
2.3.1激光陀螺的误差分析 6
2.3.2激光陀螺的测试方法 7
2.3.3温度误差模型的建立和补偿 10
2.4激光陀螺的发展前景及存在的主要问题 11
2.4.1激光陀螺的发展前景 11
2.4.2激光陀螺的主要问题 12
2.5本章小结 12
第3章状态空间理论 13
3.1系统的状态空间方程 13
3.2状态估计 14
3.3本章小结 16
第4章简单滤波器设计 17
4.1简单滤波器的性质 17
4.1.1简单滤波器原理 17
4.1.2简单滤波器计算步骤 19
4.2三阶滤波器 20
4.3本章小节 22
第5章基于MATLAB的源程序以及仿真结果 23
5.1MATLAB简介 23
5.2数据录入程序及其仿真结果 24
5.2.1数据录入源程序 24
5.2.2MATLAB的图像显示程序与仿真结果 26
5.3简单滤波源程序 26
5.4本章小结 29
结论 30
参考文献 31
致谢 33
附录 34
38
第1章绪论
1.1课题背景
本设计针对的是航天器、导弹中的惯性导航系统[1](INS)—激光陀螺的噪声滤波方法研究。
从接收到的受干扰的信号里尽可能地排除干扰,而分离出所需要的信号,即为滤波。
换而言之,是通过对一系列带有误差的实际测量数据的处理,得出所需要的各种量的估计值。
滤波[2]的发展有着其悠久的历史,二战期间由于军事技术等方面的需要,柯尔莫郭洛夫和维纳(Wiener)相继提出了平稳随机过程的最优线性滤波理论,这些理论在通讯、控制等技术领域内获得了广泛的应用,并且在应用中得到了发展。
但是这些理论存在着不足之处:
1、根据这种理论建立的滤波方法,必须把所用到的全部数据保存起来;
2、每一时刻都要通过对这些数据进行运算,才能得到所需要的各种量的估计值。
按照这种滤波方法设置的专用计算机,其存储量和计算量都是很大的,甚至于不能进行实时计算;
3、这种理论在解决非平稳过程的滤波问题时,给出能用的方法为数不多。
因此,随着电子、军事以及空间技术等的发展,对滤波的要求也逐渐提高,这些滤波方法已不能满足实际应用的需要,这就需要更好的滤波方法。
因此,一种递推式滤波方法应运而生。
这种方法不要求保存过去的测量数据,当新的数据测得之后,根据新的数据和前一时刻的诸量估计值,借助于系统本身的状态转移方程(动态方程),按照一套递推公式,即可算出新的诸量的估计值。
这大大减少了滤波装置的存储量和计算量,同时它的适用范围也突破了平稳随机过程的限制。
卡尔曼滤波方法出现以后,被成功地应用于飞行器的导航、导弹制导、再入弹道的计算,以及潜艇、飞机导航、火力控制等方面。
十多年,在实践过程中又不断地丰富了这一方法本身及其理论内容,这说明新的滤波方法仍然随着生产技术的发展正在不断的改进。
其后在滤波领域又出现了很多比较经典的滤波方法,如切比雪夫、巴特沃斯等滤波方法。
然而滤波的发展是没有止境的,针对某种噪声的滤波也在持续的改进。
作为飞行器惯性导航系统核心的惯性器件,它对整个飞行器有着举足轻重的作用。
一个完整的惯性导航系统(INS)由至少三个三轴方向的加速度计和三个相互垂直的陀螺仪组成,用以提供三个轴向的加速度以及载体的围绕三个轴旋转的角速度信息。
INS系统已经在航天器,军事领域,如战舰,潜艇,导弹以及小范围的陆上车辆中取得了应用。
在几年前,惯性导航仍局限在高性能高成本的宇航和军事领域。
然而,随着航天工业的发展需求的推动,低成本的惯性导航系统已经大量应用于方向和角度的测量。
加速度计和陀螺仪是典型的惯性传感器。
加速度计在惯性框架下测量载体的加速度,其中包含重力加速度,离心加速度和线性加速度。
陀螺仪测量载体相对于惯性空间的转动角速度。
对于惯性器件的最为常见的应用便是方向陀螺。
通过对陀螺测量出的角速率的积分,可以得到车辆的行驶方向。
一个好的陀螺应当保证零漂移或者常值漂移,以及很小的噪声。
对于商用的低成本陀螺,其漂移率从1-18度/小时不等。
理论上,通过对陀螺和加速度计输出信号的一次和二次积分,可以得到载体的速度和位置信息。
实际上当标准的惯性导航系统应用的时候,由于传感器的非线性和噪声的影响,这种轨迹计算仅在短时间内有效。
这个轨迹计算公式主要用于平台的初始校准和定位。
通过初试校准,取得加速度计和陀螺仪的偏差的平均值。
对准过程用于确定平台的初始方向。
由于导航计算中载体姿态的计算需要在平台的初始方向的基础上进行,因此准确的对准过程至关重要。
同样地,平台的初始方向也是得到准确的载体的加速度值,进而通过一次和二次积分得到载体的速度和位置信息的重要基础。
为了使惯性导航系统能够长时间工作,必须要通过平稳的算法来重启系统或是通过附加的辅助信号在移动过程中进行校正和对准。
在室外应用中,GPS是较为理想的辅助传感器。
通过二者的结合使用,高频的INS数据在GPS的两次采样之间提供位置信息。
当外部传感器的信号产生错误或者无法提供时,INS系统可以提供位置信息。
在移动过程中进行校正和对准是很困难的事情,这要求有稳定的算法作为保障。
当飞行器静止时,校正和对准仍将继续运行。
1.2研究目的
在中国惯性导航理论的指导下,分析了激光陀螺的工作原理,介绍了激光陀螺的性能特点,指出激光陀螺具有传统的机电陀螺和其他类型陀螺所无法比拟的优点,其性能特征完全满足捷联惯导对惯性测量元件的要求,军事应用前景十分广阔。
同时,对激光陀螺在新一代防空导弹上的应用作了展望。
本文根据在导航过程中40度情况时在东天南、南天西、西北天、北天东四个位置采集的激光陀螺3个陀螺通道的实时数据,对其噪声特性进行分析,并使用了α-β[3]滤波方法,滤出其中的噪声,使激光陀螺的输出信号精度得到提高。
激光陀螺仪的噪声表现在角速度测量上。
噪声主要来自两个方面:
一是激光介质的自发发射,这是激光陀螺仪噪声的量子极限。
二是机械抖动为目前多数激光陀螺仪采用的偏频技术,在抖动运动变换方向时,抖动角速率较低,在短时间内,低于闭锁阈值,将造成输入信号的漏失,并导致输出信号相位角的随机变化。
激光陀螺仪的噪声直接影响到飞行器惯导系统的导航准确性和可靠性,甚至威胁到人类的生命。
本章简要地说明了该课题背景,滤波的发展情况,以及其研究目的。
通过本章对激光陀螺仪的简介,引出本次设计的课题研究的方向,以及在本次设计中应解决的问题。
另外,本章对滤波也做了相应的介绍,对其发展状况有了系统的理解。
第2章激光陀螺简介
2.1激光陀螺
在导航领域中,惯性导航系统(InertialNavigationSystem)由于具有自主性强、连续输出、机动灵活等优势受到用户的青睐。
陀螺仪作为航行导航系统的核心元件,其精度和稳定性直接影响到导航精度。
激光陀螺是一种新型的惯性敏感元件,广泛用于飞机、导弹及再入飞行运载器的导航、制导。
激光陀螺出现以后,就成为新一代航空器、导弹、灵巧炸弹等测控系统的核心部件。
2.1.1激光陀螺的基本原理
激光陀螺的原理是利用光程差来测量旋转角速度(Sagnac效应)。
在闭合光路中,由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉,利用检测相位差或干涉条纹的变化,就可以测出闭合光路旋转角速度。
激光陀螺仪的基本元件是环形激光器,环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成,内有一个或几个装有混合气体(氦氖气体)的管子,两个不透明的反射镜和一个半透明镜。
用高频电源或直流电源激发混合气体,产生单色激光。
为维持回路谐振,回路的周长应为光波波长的整数倍。
用半透明镜将激光导出回路,经反射镜使两束相反传输的激光干涉,通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。
2.1.2激光陀螺的产生
“陀螺”最先的产生是作为一种玩具,用鞭子抽打,给它一个能够推动其旋转的外力,它就能不停的旋转。
旋转中的陀螺一般具备三种要素:
一是必须有一个外力推动,否则它自己无法旋转和启动;
二是外力最好是恒定有力的,只有这样陀螺才会保持较高的转速;
三是只要陀螺能够高速旋转,它就能够在起伏不平的地面上保持一种相对稳定状态,而且始终使陀螺表面保持平稳。
用高速旋转保持稳定这种原理,在日常生活中也极其广泛,如芭蕾舞演员、杂技演员等,同样道理,飞机、舰船、车辆和导弹在运动过程中也需要这样的平衡。
飞机和导弹中的陀螺仪就像杂技演员手中的长竿维持平衡一样,来调整其自身的中心,最终达到平衡的目的,当飞机或导弹出现重心偏移的时候,陀螺仪就会迅速将偏移信息传送给水平陀或竖直陀,调整俯仰或平飞姿态,使之正确的向目标接近。
18世纪以后陀螺理论逐渐展开并进入实用阶段,并开始应用于航海和航空,渐渐的,就出现了比较精密的陀螺系统。
20世纪初出现了陀螺平台惯性导航系统是一种利用质量作加速度的敏感元件,一般有加速度计、陀螺平台、计算机,以及控制、显示部件等组成。
它以力学中的惯性原理为依据,与周围物理环境无关,不靠辐射能量和无线电等的辅助,不受外界干扰,导航精度完全取决于元件本身。
20世纪末,利用激光芳香性强、单色性好、亮度高何相干性好等特点结合陀螺的特性,就出现了激光陀螺。
2.1.3激光陀螺的优势
激光陀螺是科技与时代持续发展的产物,它与传统的陀螺相比,具有以下优势[4]:
1、耐冲击力强,坚固可靠,使用寿命较长。
2、由于其在接通电源瞬间就能产生激光,不存在怠速反映,起动时间短,在运行过程中稳定性好。
3、激光陀螺结构简单,功耗很小,易于维护,造价低廉。
4、直接输出的数字信号能够与计算机系统相连,对于实现自动化或智能控制化非常重要。
2.2激光陀螺的国内外现状
2.2.1激光陀螺的国外现状
作为飞行器惯导系统核心的惯性器件,在国防科学技术和国民经济的许多领域中占有十分重要的地位。
激光陀螺仪花费了很长时间和大量投资解决了闭锁问题,直到80年代初才研制出飞机导航级仪表,此后就迅速应用于飞机和直升机,取代了动力调谐陀螺和积分机械陀螺仪。
目前已广泛用于导航、雷达和制导等领域。
国斯佩里公司于1963年首先次做出了激光陀螺仪的实验装置。
1966年美国霍尼威尔公司开始使用石英作腔体,并研究出交变机械抖动偏频法,使这项技术有了使用的可能。
1972年,霍尼威尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪。
1974年美国国防部下令海军和空军联合制定研究计划,1975年在战术飞机上试飞成功,1976年在战术导弹上试验成功。
进入80年代以来,美国空军表示要坚定地把激光陀螺应用到空军系统中去,并与麦克唐纳·
道格拉斯公司签订了两项合同,以实施一项名为“综合惯性基准组件”的研制计划,其内容是研制一种采用激光陀螺的双盒组件式传感器系统。
海军也计划在80年代内将激光陀螺惯导系统用到舰载飞机中,这种系统称为CA1NS1。
陆军准备将激光陀螺用于陆军飞机的定位/导航、监视/侦察、火控以及飞行控制系统。
1985年美国提出了战略防御计划(SDI)后,激光技术在军事系统和空间武器上的应用倍受重视。
根据SDI预算,1985财年在这方面投资10.4亿美元,大部分用于开展激光实验,其中包括激光陀螺的研制。
90年代,根据先进巡航导弹和战术飞机导航的要求,美国进行了激光陀螺捷联性能的研究(SPS)。
麦克唐纳·
道格拉斯公司被选为SPS的主承包商,其次还有霍尼威尔、利顿、洛克威尔、辛格·
基尔福特等公司参加。
国外激光陀螺仪的研制单位很多,其中,美国和法国研制的水平较高,此外还有俄罗斯、德国等国家。
2.2.2激光陀螺的国内现状
与发达国家相比,我国光纤陀螺的研究起步较晚,但是在广大的科研工作者的努力下,已经逐步拉近了与发达国家的差距。
航天工业总公司、上海803所、清华、浙大、北方交大、北航等单位相继开展了光纤陀螺的研究。
根据目前掌握的信息看,国内的光纤陀螺研究精度已经达到了惯导系统的中低精度要求,有些技术甚至达到了国外同类产品的水平。
激光陀螺的研究对导航技术的发展是十分重要的。
中国科技大学物理系正在进行该项目的研究,在国内具有较高的研究水平。
激光陀螺信号处理是激光陀螺研究中的重要课题之一,中国科技大学长期从事激光陀螺信号处理的研究,并取得了国内领先的科研成果。
目前正在进行有源光纤激光陀螺信号处理的研究。
但是国内的研究仍是停留在实验室阶段,没有形成产品,距离应用还有很大差距。
所以我们在这方面还有很长时间的路要走。
2.3激光陀螺零偏误差
本节以某型空空导弹为例,分析了激光陀螺零偏误差。
采用激光型捷联惯导系统,作为惯导系统核心器件的激光陀螺,从某种意义上来说,它的工作精度在很大程度上决定了惯导系统的工作精度。
因此,结合型号任务对激光陀螺的误差及误差来源进行了深入研究,并通过大量的试验和测试,针对陀螺的零偏提出一套有效可行的测试方法,并对陀螺的零偏和标度因数误差,建立温度补偿模型,通过数学模型的补偿,提高激光陀螺的精度。
2.3.1激光陀螺的误差分析
对激光陀螺来说,由于He-Ne混合气体的变化,镜面背向散射、激光束在活性介质中传播时的波动和衰减、自我预热时工作模式的变化、相位频率的波动、环境温度和磁场的变化以及随机噪声和人为噪声引起的误差等,都导致激光陀螺的输入-输出特性偏离理想输出直线,构成了激光陀螺的误差源。
激光陀螺误差除了自锁效应误差外,主要有零偏误差、标度因数误差和随机漂移误差。
自锁效应误差是指当激光陀螺输入角速度小于某一临界值时,陀螺输出的频差为零,即对该范围内输入角速度不敏感,输出信号被自锁或称闭锁。
这种效应会导致在零输入角速度附近的阈值误差,而且会使输出特性在一定范围内出现非线性,从而造成角速度的测量误差。
这种误差无法避免,陀螺设计时需要重点考虑的是如何消除和减小这种误差。
某型空空导弹用的激光陀螺采用电磁偏频的办法克服其自锁效应。
1、零偏误差
零偏误差主要受磁场、温度和温度梯度的影响,和零偏误差有关的性能参数有零偏、零偏稳定性、零偏重复性、零偏温度灵敏度和零偏磁场灵敏度。
2、标度因数误差
标度因数误差是指标度因数的实际值相对标称值的变化。
温度是引起标度因数误差的主要原因,温度的变化导致标度因数的不稳定。
衡量标度因数误差的性能参数有:
标度因数非线性度、标度因数重复性和标度因数温度灵敏度。
3、随机漂移误差
产生随机漂移的原因很多,由陀螺本身光功率衰减、电噪声或环境随机干扰因素引起,故无法用确定性的函数关系描述,与此相关的陀螺仪性能参数是随机游走系数,激光陀螺仪的随机游走与采样时间有关。
随机游走在随机过程理论中定义为:
对不相关随机过程(白噪声)的积分。
激光陀螺的输入角速度可表示为有效角速度和随机漂移之和,即有
(2.1)
在时间内陀螺仪的输出角度为
(2.2)
式(2.2)右端第2项为随机漂移的积分,如果陀螺仪随机漂移是均方根值为的不相关随机噪声,则积分结果为随机游走。
随机游走的均方根值为
(2.3)
式中,为采样时间,为随机游走系数,。
激光陀螺的随机漂移是惯导系统的主要误差源之一,为减小随机漂移对惯导系统精度的影响,其有效可行的办法是采用卡尔曼滤波,建立陀螺的随机漂移数学模型。
2.3.2激光陀螺的测试方法
被测的三轴激光陀螺组合,采用塞曼效应电磁偏频技术克服自锁效应误差。
选择适当的测试方法,可以减小误差的影响,提高测试精度。
陀螺零偏的测试:
在测试时采用下述方法消除零偏常值漂移和非正交角的影响。
具体测试方法如下:
让陀螺在转台上,分别沿某输入轴向逆时针方向(CCW)旋转次,顺时针(CW)方向旋转次,且使每次旋转的角度都相同,为已知角H,测量并记录每次旋转时陀螺仪相应输出的脉冲信号。
陀螺脉冲当量可由下式确定:
(2.4)
式中:
—对应激光陀螺输出的脉冲当量;
—沿逆时针方向绕激光陀螺输入轴旋转时,相应输出脉冲数的平均值;
—沿顺时针方向绕激光陀螺输入轴旋转时,相应输出脉冲数的平均值。
考虑到陀螺仪转动时输出的脉冲
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