專利名稱：一種應(yīng)用于慣性器件中數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的信號(hào)處理技術(shù)，尤其涉及一種應(yīng)用于慣性器件中數(shù)字 濾波器的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在慣性導(dǎo)航應(yīng)用中，慣性器件(陀螺儀和加速度計(jì))實(shí)時(shí)給出載體的角速度和加 速度信號(hào)，積分解算后得到載體的姿態(tài)角和位置信息，直接決定著導(dǎo)航精度。以慣性器件為 核心部件的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在現(xiàn)代軍事、航空、航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，對(duì)于國(guó)防工業(yè)具 有重要意義。慣性器件屬于精密儀表，精度高、動(dòng)態(tài)范圍寬，決定著武器70%左右的制導(dǎo)精度。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，慣性器件直接安裝在載體上，承受著沖擊、振動(dòng)等惡劣環(huán)境。為 了降低慣性器件誤差對(duì)導(dǎo)航精度的影響，需要對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波。慣性器件的信 號(hào)濾波技術(shù)是慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。慣性器件采樣序列的低頻部分往往包含有用 信號(hào)，而高頻部分則主要由干擾噪聲控制。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的數(shù)字濾波器，可以起到去除噪 聲、平滑信號(hào)的目的。傳統(tǒng)的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法和步驟應(yīng)用于慣性器件時(shí)，往往只考 慮去噪效果和系統(tǒng)帶寬，不考慮慣性器件信號(hào)的頻譜特性；不考慮幅值衰減、相位延遲對(duì)器 件信號(hào)精度和系統(tǒng)精度造成的影響；不考慮整體性能指標(biāo)是否最優(yōu)或次優(yōu)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 容易造成信號(hào)的變形或失真，導(dǎo)致信號(hào)精度下降。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于慣性器件中數(shù) 字濾波器的設(shè)計(jì)方法，以便于方便、準(zhǔn)確地應(yīng)用。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的一種應(yīng)用于慣性器件中數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，包括步驟1 確定數(shù)字濾波器的幅相特性限制條件，即計(jì)算對(duì)數(shù)幅值衰減允許值和相 位延遲允許值；步驟2 確定數(shù)字濾波器的一些性能指標(biāo)參數(shù)，主要包括通帶截止頻率fp、阻帶起 始頻率fs、通帶最大衰減ap、阻帶最小衰減as ；步驟3 設(shè)計(jì)參考模擬低通濾波器的傳遞函數(shù)，利用雙線性變換轉(zhuǎn)換成IIR數(shù)字濾 波器；步驟4 觀察數(shù)字濾波器ζ函數(shù)的波特圖，計(jì)算低頻段的對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特 性，利用慣性器件實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行離線仿真計(jì)算，觀察時(shí)域去噪效果、幅值衰減和信號(hào)延 遲等參數(shù)；步驟5 利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，計(jì)算濾波綜合性能因子，不滿意則返回步驟 2，否則進(jìn)入步驟6;步驟6 在實(shí)際捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中應(yīng)用設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波算法在線運(yùn)行，不滿意則返回步驟2，否則設(shè)計(jì)結(jié)束。所述的步驟1包括幅相特性限制依據(jù)為根據(jù)慣性器件的精度、測(cè)量范圍、溫漂系數(shù)、標(biāo)度因數(shù)非線性確定數(shù)字濾波器的對(duì) 數(shù)幅頻衰減允許值；根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置精度、姿態(tài)角精度要求確定數(shù)字濾波器的相位延遲允許值。所述的步驟2包括根據(jù)慣性器件實(shí)際采集數(shù)據(jù)的功率譜分析確定數(shù)字濾波器性能指標(biāo)參數(shù)的參考值。所述的步驟3包括步驟31 計(jì)算數(shù)字頻率及雙線性變換對(duì)應(yīng)的模擬頻率數(shù)字頻率
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于慣性器件中數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1 確定數(shù)字濾波器的幅相特性限制條件，即計(jì)算對(duì)數(shù)幅值衰減允許值和相位延 遲允許值；步驟2 確定數(shù)字濾波器的一些性能指標(biāo)參數(shù)，主要包括通帶截止頻率fp、阻帶起始頻 率fs、通帶最大衰減 、阻帶最小衰減\ ；步驟3 設(shè)計(jì)參考模擬低通濾波器的傳遞函數(shù)，利用雙線性變換轉(zhuǎn)換成HR數(shù)字濾波器；步驟4 觀察數(shù)字濾波器ζ函數(shù)的波特圖，計(jì)算低頻段的對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性，利 用慣性器件實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行離線仿真計(jì)算，觀察時(shí)域去噪效果、幅值衰減和信號(hào)延遲參 數(shù)；步驟5 利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，計(jì)算濾波綜合性能因子，不滿意則返回步驟2，否 則進(jìn)入步驟6 ；步驟6:在實(shí)際捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中應(yīng)用設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波算法在線運(yùn)行，不滿意則返回步 驟2，否則設(shè)計(jì)結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的步驟1包括 幅相特性限制依據(jù)為根據(jù)慣性器件的精度、測(cè)量范圍、溫漂系數(shù)和標(biāo)度因數(shù)非線性確定數(shù)字濾波器的對(duì)數(shù) 幅頻衰減允許值；根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置精度、姿態(tài)角精度要求確定數(shù)字濾波器的相位延遲允許值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的步驟2包括根根慣性器件實(shí)際采集數(shù)據(jù)的功率譜分析確定數(shù)字濾波器性能指標(biāo)參數(shù)的參考值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的步驟3包括以下步驟 步驟31 計(jì)算數(shù)字頻率及雙線性變換對(duì)應(yīng)的模擬頻率數(shù)字頻率ωρ = 2 π fp/f、=2 π fs/f其中f為慣性器件信號(hào)采樣頻率，對(duì)應(yīng)的模擬頻率0/ = Ig0^-從=tg^.’yk/in—0—1 Ω 步驟32 計(jì)算濾波器階數(shù)的參考值# > Ch-lJw /|0] / eh'1 ；Π Oasvio-I Ων步驟33 計(jì)算模擬低通濾波器的傳遞函數(shù)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步驟34 :利用雙線性變換公式= 計(jì)算得到nR數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)H(z)。1 +廠1
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的步驟5包括 將去噪效果、通帶截止頻率、幅值衰減和相位延遲作為模糊變量，濾波綜合性能因子作 為輸出，并且采用以下模糊規(guī)則(1)IF去噪效果好AND通帶截止頻率適中AND幅值衰減小AND相位延遲小THEN濾波綜 合性能非常滿意；(2)IF去噪效果好AND通帶截止頻率大AND幅值衰減適中AND相位延遲小THEN濾波綜 合性能滿意；(3)IF去噪效果一般AND通帶截止頻率小AND幅值衰減適中AND相位延遲適中THEN濾 波綜合性能一般；(4)IF去噪效果差A(yù)ND通帶截止頻率小OR幅值衰減大OR相位延遲大THEN濾波綜合性 言旨不滿意。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，濾波綜合性能因子λ取值范圍為 0 < λ < 1，當(dāng)λ > 0. 8時(shí)，認(rèn)為設(shè)計(jì)參數(shù)滿足要求，當(dāng)λ < 0. 8時(shí)認(rèn)為設(shè)計(jì)參數(shù)不滿足 要求。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于慣性器件中數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于根據(jù)慣性器件精度確定幅值衰減允許值，根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求確定相位延遲允許值，根據(jù)慣性器件實(shí)際信號(hào)功率譜分析確定濾波器的一些技術(shù)參數(shù)；設(shè)計(jì)參考模擬濾波器，利用雙線性變換法轉(zhuǎn)換為IIR數(shù)字濾波器，在濾波器參數(shù)調(diào)整過(guò)程中，觀察波特圖并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線仿真計(jì)算；將去噪效果、通常截止頻率、幅值衰減、相位延遲作為模糊變量，利用模糊規(guī)則判決使整體性能指標(biāo)最優(yōu)。利用該方法設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器可以有效地濾除慣性器件信號(hào)中的噪聲，同時(shí)使幅值衰減和相位延遲控制在允許范圍內(nèi)，保證了信號(hào)精度。
文檔編號(hào)H03H17/02GK102055434SQ201010568088
公開(kāi)日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者吳光躍, 岳冬雪, 戴紹忠 申請(qǐng)人:北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司