α-β滤波方法研究.doc

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本科学生毕业论文

α-β滤波方法研究

系部名称：

电子工程系

专业班级：

电子信息工程B02-33班

学生姓名：

祝希兰

指导教师：

王司

职称：

副教授

黑龙江工程学院

二○○六年六月

TheGraduationThesisforBachelor'sDegree

StudyonTheMethodofα-βFiltering

Candidate：

ZhuXilan

Specialty：

ElectronicInformationEngineering

Class：

B02-33

Supervisor：

AssociateProf.WangSi

HeilongjiangInstituteofTechnology

2006-06·Harbin

毕业设计（论文）任务书

题目

α-β滤波方法研究

一、设计（论文）内容

对α-β滤波方法进行MATLAB编程，使其对所给数据进行滤波。

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

实验楼514

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

黑龙江工程学院本科生毕业论文

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