小波分析在捷聯(lián)慣導(dǎo)陀螺信號(hào)濾波中的應(yīng)用

肖鋒剛 趙立軍 陳廣輝 黃環(huán)

摘? 要：本文主要就小波變換進(jìn)行了相關(guān)介紹，同時(shí)結(jié)合多分辨率分析理論，對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行分析。針對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的光纖陀螺輸出信號(hào)，結(jié)合其特性，運(yùn)用小波分析，對(duì)信號(hào)的傳輸效率進(jìn)行提升。結(jié)合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了小波分析算法對(duì)于光纖輸出信號(hào)降噪、提效的作用。通過理論分析，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)陀螺漂移的消除提供了新的思路，為保證基座穩(wěn)定提供了新的方式。

關(guān)鍵詞：光纖陀螺;信號(hào)處理;伺服系統(tǒng);小波濾波

1、前言

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中光纖陀螺近些年因?yàn)槠涠喾N優(yōu)點(diǎn)被充分利用，但是，也存在一定的傳輸噪聲的問題。小波分析法是近些年出現(xiàn)并逐漸完善發(fā)展起來的一種分析方法，由于其具備的多分辨率的特性，在對(duì)光纖信號(hào)進(jìn)行處理的時(shí)候，能夠比傳統(tǒng)的處理器方式更加優(yōu)異。本文通過對(duì)小波分析法在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中對(duì)陀螺信號(hào)的處理應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2、捷聯(lián)慣導(dǎo)陀螺信號(hào)濾波及小波分析

2.1捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的介紹

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是一種導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)航過程完全自主進(jìn)行，只需要在導(dǎo)航進(jìn)行前設(shè)定好特定的要求，在進(jìn)行導(dǎo)航的過程中就不需要進(jìn)行人工引導(dǎo)，導(dǎo)航過程中的數(shù)據(jù)完全自行計(jì)算，不需要人工提供。在導(dǎo)航過程中，該系統(tǒng)包含的加速度測量、陀螺儀測量會(huì)實(shí)時(shí)進(jìn)行測算，為計(jì)算機(jī)計(jì)算系統(tǒng)提供比力、角速率等各種參考數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而達(dá)到提供導(dǎo)航參數(shù)的作用[1]。

在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，初始方位角和姿態(tài)角適應(yīng)性導(dǎo)航是否準(zhǔn)確的一個(gè)基礎(chǔ)性的問題，而且由于現(xiàn)實(shí)使用的需要，這個(gè)過程需要盡量的快且準(zhǔn)確。在計(jì)算過程中，對(duì)方位的影響深遠(yuǎn)的問題的一個(gè)主要的考慮因素就是關(guān)于陀螺儀的漂移誤差的問題。從陀螺儀的誤差的形成方式可以劃分為三種類型，他們分別是靜態(tài)過程中形成的靜態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)過程中的動(dòng)態(tài)誤差以及具備一定隨意性的隨機(jī)誤差。在進(jìn)行控制的過程中，靜態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)誤差是相對(duì)可控的，由于這兩種誤差與載體的運(yùn)動(dòng)性數(shù)據(jù)相關(guān)，我們可以通過理論、實(shí)踐數(shù)據(jù)來搭建數(shù)學(xué)計(jì)算模型，從而計(jì)算出可能存在的誤差值，進(jìn)而采取一定的調(diào)整方式來進(jìn)行調(diào)整[2]。但是，陀螺的隨機(jī)漂移是相對(duì)難以控制的，這種漂移與時(shí)間、重量、速度等數(shù)據(jù)的相關(guān)性小，不具備線性計(jì)算的基礎(chǔ)，難以通過一定的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行計(jì)算。所以，在進(jìn)行相關(guān)的濾波控制時(shí)，主要的就是需要針對(duì)陀螺的隨機(jī)漂移，進(jìn)而提升導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

2.2小波分析法的運(yùn)用背景

在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，光纖陀螺由于其優(yōu)越性逐漸成為主要的陀螺類型。光纖陀螺相比于其它陀螺形式，它是一種全固態(tài)形式，靈敏度要更高，動(dòng)態(tài)測定的范圍更加廣闊，在重量上比較輕，能耗也相對(duì)較低。因此，其逐漸被使用到各種機(jī)載武器中，成為導(dǎo)引系統(tǒng)中的主要組件。但是，光纖陀螺也有其劣勢，其光子存在自發(fā)性的輻射，同時(shí)其探測器、放大器等組件的噪聲相對(duì)較大，會(huì)使得陀螺穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的相關(guān)性能受到影響，特別是震動(dòng)噪聲產(chǎn)生的影響[4]。由于光纖陀螺的硬件調(diào)整將帶來成本的巨額變化，所以需要我們通過軟件處理方式來進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的降噪。既需要保證降噪效果，又需要保證信號(hào)的精度，這使得許多軟件處理技術(shù)都無法達(dá)到要求。由于小波分析法的處理過程類似于多帶寬同時(shí)處理信號(hào)噪音，相比于傳統(tǒng)的濾波方式，其效率更高。小波分析法在這一形勢下，成為研究這一問題、解決這一問題的重要方法。

3、關(guān)于小波濾波的原理介紹

小波濾波的原理，通過小波函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)含有噪音的信號(hào)進(jìn)行分析，從而找出一個(gè)最佳的映射，通過對(duì)信號(hào)的處理，在保證光纖陀螺輸出信號(hào)的初始特征的情況下，篩選出在高頻段的對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾的因子，分離出干擾因素，然后進(jìn)行信號(hào)的重新組合。通過長期的研究總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，干擾信號(hào)主要是集中在高頻段信號(hào)區(qū)域，有使用價(jià)值帶有信息的真是信號(hào)則一般是處于一個(gè)特定的區(qū)間，而且這個(gè)區(qū)間是有限的。所以，在進(jìn)行噪聲消除的過程中，最重要的就是算出這個(gè)真實(shí)信號(hào)的頻段，也就是小波閾值[5]。小波閾值的處理計(jì)算方式有很多種，例如高斯法、小波閾值收縮法等，但是大多有一點(diǎn)的限制，對(duì)于消除噪音又存在困難。

多分辨率分析原理是小波分析理論的一個(gè)最基本的概念，它使得小波分析可以使用于濾波的分析使用中。在進(jìn)行小波分析法降噪的過程中，就是需要將原有頻帶的信號(hào)篩選出，然后將信號(hào)進(jìn)行濾波處理，之后在特定的組合方式下對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。小波去噪，實(shí)際上就是一個(gè)篩選與重組的過程，篩選信號(hào)特征，綜合重構(gòu)濾波。

4、小波分析中對(duì)其分解級(jí)數(shù)進(jìn)行確定

小波分解的過程是進(jìn)行捷聯(lián)慣導(dǎo)陀螺信號(hào)濾波中需要進(jìn)行的一個(gè)步驟，這一過程中需要對(duì)分解級(jí)數(shù)進(jìn)行確定。所謂的分解級(jí)數(shù)，就是小波分解過程中，運(yùn)用頻帶二分的方式，一級(jí)一級(jí)的去進(jìn)行分解，這個(gè)級(jí)數(shù)就是分解級(jí)數(shù)。分解級(jí)數(shù)的確定與濾波效率緊密相關(guān)，在進(jìn)行級(jí)數(shù)選擇的時(shí)候主要從計(jì)算精度、計(jì)算量以及計(jì)算用時(shí)三個(gè)角度進(jìn)行考量[6]。當(dāng)分解的級(jí)數(shù)過小的時(shí)候，不能保證計(jì)算的精度，信號(hào)中的干擾因子不能充分的進(jìn)行排除。級(jí)數(shù)過高，精度方面雖然保證了，但是同時(shí)計(jì)算復(fù)雜性也增加了，這就導(dǎo)致分解計(jì)算的時(shí)間會(huì)增長，可能導(dǎo)致時(shí)效性的損失。我們需要的頻帶，是一個(gè)既能保證信號(hào)質(zhì)量、又能保證計(jì)算速度的綜合性的最有方案。目前，通過長期的實(shí)踐，已經(jīng)逐步建立起了一批針對(duì)性的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)，在后期的運(yùn)用過程中，通過不斷的完善，可以不斷明確各種情況下的最優(yōu)分解技術(shù)確定。

5、結(jié)束語

隨著捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)用范圍的擴(kuò)大，解決陀螺信號(hào)濾波也成為一項(xiàng)重要的工作。通過理論、實(shí)踐的雙重檢驗(yàn)，小波分析濾波處理方式是一項(xiàng)非常合適的方式，不僅在濾波的質(zhì)量上存在保證，同時(shí)，在處理好分解級(jí)數(shù)的情況下，還可以確保恰當(dāng)?shù)挠?jì)算量、較短的濾波處理用時(shí)，進(jìn)而保證導(dǎo)航系統(tǒng)處理快、引導(dǎo)精確，保證捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的高效性、適用性。同時(shí)，在今后的使用過程中，需要在不斷的實(shí)踐中進(jìn)行調(diào)整，不斷優(yōu)化，推進(jìn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)快速、精準(zhǔn)、穩(wěn)定導(dǎo)航。

參考文獻(xiàn)

[1]? 張傳斌，鄧正隆.基于小波分析的捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)方法研究[J].高技術(shù)通訊，2015.

[2]? 陳武凡.小波分析及其在圖像處理中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2018.

[3]? 徐亞飛.遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制單元的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2016.

[4]? 王紅霞，成禮智，吳 翊.帶有理系數(shù)雙正交尺度濾波器的構(gòu)造[J].自然科學(xué)進(jìn)展，2017.

[5]? 趙玉新，李緒友，劉承香，等. 光纖陀螺信號(hào)處理方法的比較研究[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，11（2）：52-56.

[6]? 繆玲娟. 小波分析在光纖陀螺信號(hào)濾波中的應(yīng)用研究[J]. 宇航學(xué)報(bào)，2018