一种适用于激光捷联惯性导航系统的多凹点fir滤波方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种有限冲击响应滤波器设计方法，尤其涉及一种适用于激光捷联惯 性导航系统（LaserInertialNavigationSystem,LINS)的有限冲击响应滤波器设计方 法。
【背景技术】
[0002] 在机抖式激光捷联惯性导航系统（LINS)中，由于机抖频率的存在，LINS工作 时在导航解算前须将机抖频率滤除。常见的无限冲击响应滤波器（InfiniteImpulse Response,IIR)和有限冲击响应滤波器（FiniteImpulseResponse,FIR)均可以实现这 个目的，其中IIR可以用低阶滤波器实现对机抖频率的较大幅度衰减，运算量小一点，但是 IIR的相频特性是非线性的，会造成一定信号畸变；而FIR正好相反，欲获得与IIR相同的 衰减幅度，阶数会高一点，运算量和信号相位滞后也会相应增加，导致系统实时性能下降， 但FIR具有线性相位，不会引起信号畸变，近年来在激光陀螺信号处理方面，FIR使用的更 多一些。
[0003] 在LINS中每一个激光陀螺输出信号里同时存在三个机抖信号干扰，在设计FIR或 IIR的滤波器时，如果不考虑到对机抖信号的特殊处理，就会使得滤波器阶数增加较多，或 者滤波效果欠佳。文献[1](晁志超.二频机械抖动激光陀螺信号处理算法的研宄[D].长 沙：国防科技大学，2006:12-42.)采用零点受阻的自适应IIR陷波器和20阶的FIR滤波串 联的方法，处理中精度激光陀螺单表数据，其效果比原40阶FIR滤波更好。文献[2](程耀 强，徐德民，万彦辉等.基于数字滤波的激光陀螺数字信号处理算法[J].中国惯性技术学 报，2013, 21 (1):112-115.)使用同样的技术，将IIR陷波器加FIR滤波串联的滤波方法用于 LINS数据处理，因滤波器延迟时间限制，可供选择的FIR阶数不能大于14,试验证明最终滤 波效果比原34阶FIR差一些。虽然这种混合滤波方法效果明显，但是IIR陷波器的引入必 定带来信号畸变。文献[3](姚天任.数字信号处理[M].北京：清华大学出版社.）介绍了 多种FIR滤波器设计方法，但这些方法都是通用方法，不能对LINS中的三个机抖频率进行 特殊陷波处理。
[0004] 图1是目前LINS常用的一种FIR滤波器的滤波效果，以及滤波后的谱分析结果， 图中仅给出了Gx陀螺的滤波效果，Gy和Gz陀螺效果与此类似。由图可见，该滤波器可将 抖动幅度从±400Hz/0. 5ms衰减到±lHz/0. 5ms，大部分机抖信号都被滤除。对滤波以后 的数据做谱分析见图I(b)，可见尽管该滤波器为230Hz以上频率的噪声提供了 -60dB的衰 减，但能量最大的抖动干扰（自身抖动频率），绝对幅值仍在+20dB以上，高于有用信号（直 流信号）60dB;其它两个陀螺抖动信号也依然明显存在，只是被衰减到-20dB以下。这说明 通过该FIR滤波以后，激光陀螺输出数据中还存在较强能量的抖动信号成份。因为机抖信 号幅度具有一定随机性，所以这些残存的机抖噪声不仅带来不稳定性噪声，而且在导航解 算时还会产生伪圆锥误差和划桨误差，影响导航精度。根据图1的分析结果，本发明多凹点 FIR低通滤波器阻带衰减不少于60dB，在阻带衰减基础上应对三个频率点继续提供不小于 80dB的衰减。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有的滤波方法不能对LINS中的三个机抖频率进行特殊陷波处理，带 来不稳定性噪声，在导航解算时还会产生伪圆锥误差和划桨误差，影响导航精度的技术问 题，本发明提供一种适用于激光捷联惯性导航系统的多凹点FIR滤波方法，以较低的阶数 实现LINS滤波，同时利用FIR自身产生的凹陷点对三个陀螺机抖频率进行陷波。
[0006] 本发明的技术解决方案是：
[0007] -种适用于激光捷联惯性导航系统的多凹点FIR滤波方法，其特殊之处在于：包 括以下步骤：
[0008] 1)设定滤波器初始阶数为M1;获取LINS系统中三个激光陀螺的机抖频率f fGz；
[0009] 2)设定采样频率fs为三个激光陀螺的机抖频率中最大机抖频率的2倍以上，即： fs> 2Max(fGx，fGy，fGz);
[0010] 3)在频域[0,fs/2]上采集K个频率点对应的幅频数值，设第k个频率点对应的频 率为fk，对应的频域幅值为Ad (fk)，所选择的采样点中包含一个过渡带，所述过渡带的幅值 为a，其中aG(〇, 1)，过渡带频率faG(fbw，fss):
[0011] 频域幅值Ad(fk)满足以下关系：
【主权项】
1. 一种适用于激光捷联惯性导航系统的多凹点FIR滤波方法，其特征在于：包括以下 步骤： 1) 设定滤波器初始阶数为M1;获取LINS系统中三个激光陀螺的机抖频率f &、fey、 2) 设定采样频率fs为三个激光陀螺的机抖频率中最大机抖频率的2倍以上，即：f s> 2Max (fGx, fGy, fGz)； 3) 在频域[0，fs/2]上采集K个频率点对应的幅频数值，设第k个频率点对应的频率为 fk，对应的频域幅值为Ad(fk)，所选择的采样点中包含一个过渡带，所述过渡带的幅值为α， 其中a e (〇, 1)，过渡带频率fae (fbw，fss): 频域幅值Arf(fk)满足以下关系： V ..... -
~ 其中：fbw为滤波器的频带宽度； fss为阻带起始频率；
4) 对三个机抖频率点fex、fey、fez也进行幅值采样，对应的频域幅值为ε，其中 ε e (〇,〇· 1); 5) 将步骤4中的采样频率点与步骤3中的K个采样频率点合并，得到当前滤波器阶数 下共计K+3个采样频率点； 6) 根据FIR滤波器对称性，可得滤波器阶数上升为M M = 2(K+3)； 7) 根据下面公式计算频域采样的幅值序列H(k): H(k) = Η.(./；.) = Ail(./： )e-/?Η/; 1, 〇<k< K 其中：舛Λ)为第k个采样点在频域对应的相位：
8) 对频域采样的幅值序列进行离散傅里叶逆变换，得到滤波器在时域的系数向量计算 公式h(n):
其中η为O-M之间的任意整数。
2. 根据权利要求1所述的用于激光捷联惯性导航系统的多凹点FIR滤波方法，其特征 在于：在频域[〇，fs/2]上采集K个频率点为不等间隔采样。
3. 根据权利要求1或2所述的用于激光捷联惯性导航系统的多凹点FIR滤波方法，其 特征在于：α = 0. 5。
【专利摘要】本发明涉及一种适用于激光捷联惯性导航系统的多凹点FIR滤波方法，本发明以较低的阶数实现LINS滤波，同时利用FIR自身产生的凹陷点对三个陀螺机抖频率进行陷波。本发明解决了现有的滤波方法不能对LINS中的三个机抖频率进行特殊陷波处理的技术问题，本发明可以同时配置三个以上的凹陷点位置，在LINS中通过人为指点凹陷点位置的方法，天然形成三个抖动频率的陷波器，在阻带衰减基础上应对三个频率点继续提供不小于150dB的衰减。
【IPC分类】G01C21-20
【公开号】CN104655136
【申请号】CN201510086246
【发明人】李汉舟, 杨小亭, 张娟妮
【申请人】西安航天精密机电研究所
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月17日