小波分析在捷聯慣導陀螺信號濾波中的應用

肖鋒剛 趙立軍 陳廣輝 黃環

摘? 要：本文主要就小波變換進行了相關介紹，同時結合多分辨率分析理論，對捷聯慣導系統進行分析。針對捷聯慣導系統中的光纖陀螺輸出信號，結合其特性，運用小波分析，對信號的傳輸效率進行提升。結合相關的實驗數據，證明了小波分析算法對于光纖輸出信號降噪、提效的作用。通過理論分析，結合實踐經驗，對陀螺漂移的消除提供了新的思路，為保證基座穩定提供了新的方式。

關鍵詞：光纖陀螺;信號處理;伺服系統;小波濾波

1、前言

捷聯慣導系統中光纖陀螺近些年因為其多種優點被充分利用，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并逐漸完善發展起來的一種分析方法，由于其具備的多分辨率的特性，在對光纖信號進行處理的時候，能夠比傳統的處理器方式更加優異。本文通過對小波分析法在捷聯慣導系統中對陀螺信號的處理應用進行介紹。

2、捷聯慣導陀螺信號濾波及小波分析

2.1捷聯慣導系統的介紹

捷聯慣導系統是一種導航系統，其導航過程完全自主進行，只需要在導航進行前設定好特定的要求，在進行導航的過程中就不需要進行人工引導，導航過程中的數據完全自行計算，不需要人工提供。在導航過程中，該系統包含的加速度測量、陀螺儀測量會實時進行測算，為計算機計算系統提供比力、角速率等各種參考數據信息，進而達到提供導航參數的作用[1]。

在捷聯慣導系統中，初始方位角和姿態角適應性導航是否準確的一個基礎性的問題，而且由于現實使用的需要，這個過程需要盡量的快且準確。在計算過程中，對方位的影響深遠的問題的一個主要的考慮因素就是關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，他們分別是靜態過程中形成的靜態誤差、動態過程中的動態誤差以及具備一定隨意性的隨機誤差。在進行控制的過程中，靜態誤差、動態誤差是相對可控的，由于這兩種誤差與載體的運動性數據相關，我們可以通過理論、實踐數據來搭建數學計算模型，從而計算出可能存在的誤差值，進而采取一定的調整方式來進行調整[2]。但是，陀螺的隨機漂移是相對難以控制的，這種漂移與時間、重量、速度等數據的相關性小，不具備線性計算的基礎，難以通過一定的數學模型來進行計算。所以，在進行相關的濾波控制時，主要的就是需要針對陀螺的隨機漂移，進而提升導航系統的精度。

2.2小波分析法的運用背景

在捷聯慣導系統中，光纖陀螺由于其優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，它是一種全固態形式，靈敏度要更高，動態測定的范圍更加廣闊，在重量上比較輕，能耗也相對較低。因此，其逐漸被使用到各種機載武器中，成為導引系統中的主要組件。但是，光纖陀螺也有其劣勢，其光子存在自發性的輻射，同時其探測器、放大器等組件的噪聲相對較大，會使得陀螺穩定平臺伺服系統的相關性能受到影響，特別是震動噪聲產生的影響[4]。由于光纖陀螺的硬件調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行相對應的降噪。既需要保證降噪效果，又需要保證信號的精度，這使得許多軟件處理技術都無法達到要求。由于小波分析法的處理過程類似于多帶寬同時處理信號噪音，相比于傳統的濾波方式，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、關于小波濾波的原理介紹

小波濾波的原理，通過小波函數進行計算，對含有噪音的信號進行分析，從而找出一個最佳的映射，通過對信號的處理，在保證光纖陀螺輸出信號的初始特征的情況下，篩選出在高頻段的對信號產生干擾的因子，分離出干擾因素，然后進行信號的重新組合。通過長期的研究總結可以發現，干擾信號主要是集中在高頻段信號區域，有使用價值帶有信息的真是信號則一般是處于一個特定的區間，而且這個區間是有限的。所以，在進行噪聲消除的過程中，最重要的就是算出這個真實信號的頻段，也就是小波閾值[5]。小波閾值的處理計算方式有很多種，例如高斯法、小波閾值收縮法等，但是大多有一點的限制，對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。在進行小波分析法降噪的過程中，就是需要將原有頻帶的信號篩選出，然后將信號進行濾波處理，之后在特定的組合方式下對信號進行重構。小波去噪，實際上就是一個篩選與重組的過程，篩選信號特征，綜合重構濾波。

4、小波分析中對其分解級數進行確定

小波分解的過程是進行捷聯慣導陀螺信號濾波中需要進行的一個步驟，這一過程中需要對分解級數進行確定。所謂的分解級數，就是小波分解過程中，運用頻帶二分的方式，一級一級的去進行分解，這個級數就是分解級數。分解級數的確定與濾波效率緊密相關，在進行級數選擇的時候主要從計算精度、計算量以及計算用時三個角度進行考量[6]。當分解的級數過小的時候，不能保證計算的精度，信號中的干擾因子不能充分的進行排除。級數過高，精度方面雖然保證了，但是同時計算復雜性也增加了，這就導致分解計算的時間會增長，可能導致時效性的損失。我們需要的頻帶，是一個既能保證信號質量、又能保證計算速度的綜合性的最有方案。目前，通過長期的實踐，已經逐步建立起了一批針對性的數學模型系統，在后期的運用過程中，通過不斷的完善，可以不斷明確各種情況下的最優分解技術確定。

5、結束語

隨著捷聯慣導系統的運用范圍的擴大，解決陀螺信號濾波也成為一項重要的工作。通過理論、實踐的雙重檢驗，小波分析濾波處理方式是一項非常合適的方式，不僅在濾波的質量上存在保證，同時，在處理好分解級數的情況下，還可以確保恰當的計算量、較短的濾波處理用時，進而保證導航系統處理快、引導精確，保證捷聯慣導系統的高效性、適用性。同時，在今后的使用過程中，需要在不斷的實踐中進行調整，不斷優化，推進捷聯慣導系統快速、精準、穩定導航。

參考文獻

[1]? 張傳斌，鄧正隆.基于小波分析的捷聯式慣導系統的初始對準方法研究[J].高技術通訊，2015.

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

[3]? 徐亞飛.遠程監測及控制單元的研究[D].武漢：武漢理工大學，2016.

[4]? 王紅霞，成禮智，吳 翊.帶有理系數雙正交尺度濾波器的構造[J].自然科學進展，2017.

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

[6]? 繆玲娟. 小波分析在光纖陀螺信號濾波中的應用研究[J]. 宇航學報，2018