專利名稱：一種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法，它詳細(xì)闡述了時間序列分析消 除噪聲以及溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，這種方法應(yīng)用于光纖陀螺輸出和溫度關(guān)系的辨識中，可以有效地辨識出這種關(guān)系，建立精確的模型，提高溫度補(bǔ)償?shù)挠行?。該技術(shù)屬于航空、航天導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
(ニ)
背景技術(shù)：
光纖陀螺作為ー種發(fā)展極為迅速的新型慣性角速度傳感器，以其特有的技術(shù)和性能優(yōu)勢，如全固態(tài)結(jié)構(gòu)、可靠性高、壽命長；啟動速度快，響應(yīng)時間短；測量范國大，動態(tài)范圍寬；抗沖擊、振動，耐化學(xué)腐蝕；體積小、重量輕、成本低；適合大批量生產(chǎn)等，已經(jīng)廣泛用于各工程技術(shù)領(lǐng)域。工程化的光纖陀螺，為適應(yīng)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，一般要具有較寬的工作溫度范圍(通常-40°C 60°C)。構(gòu)成光纖陀螺的主要器件如光纖線圈、集成光學(xué)器件、光源、耦合器等對溫度較為敏感，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，在陀螺的輸出信號中將產(chǎn)生非互易相位誤差，導(dǎo)致光纖陀螺零偏和標(biāo)度因數(shù)的不穩(wěn)定，并最終影響光纖陀螺在不同溫度下的檢測精度。因此，進(jìn)行光纖陀螺溫度特性的研究并對其實(shí)施溫度漂移誤差補(bǔ)償，以提高陀螺在不同溫度條件下的適用性，是光纖陀螺走向?qū)嵱没谋匾h(huán)節(jié)。國內(nèi)外近年來對光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償進(jìn)行的各項(xiàng)工作，主要包括光纖陀螺機(jī)理結(jié)構(gòu)的改善、硬件溫控措施及軟件補(bǔ)償?shù)葍?nèi)容。對光纖陀螺進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)或?qū)ζ溥M(jìn)行硬件溫控受到成本及技術(shù)等多方面制約，帶有硬件溫控的光纖陀螺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大，啟動時間長，不適應(yīng)快速啟動的要求，而軟件補(bǔ)償可改善這ー缺陷，更易于實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)償光纖陀螺溫度漂移誤差的方法主要包括下述幾個方面(I)光纖陀螺結(jié)構(gòu)及組成部件的改進(jìn)?？蛇x擇熱膨脹系數(shù)和折射率溫度系數(shù)低的石英材料制作纖芯，采用熱傳導(dǎo)系數(shù)高的光線外涂復(fù)合材料使各光纖層之間形成“熱短路”
坐寸o(2)改善光纖環(huán)繞制技木。為減少熱致非互易性，同時考慮到微彎損耗，光纖環(huán)通常采用如下四種繞制方法1)柱形繞法；。2)對稱繞法；3)雙極對稱繞法；4)四級對稱繞法。(3)對光纖陀螺進(jìn)行溫度控制。光纖陀螺中的光學(xué)元器件性能隨溫度的變化，及電路部分各器件發(fā)熱不同造成的陀螺內(nèi)部溫度場的非線性變化，都會影響陀螺工作的熱平衡狀態(tài)，直接造成光纖陀螺的零偏漂移。使光纖陀螺迅速進(jìn)入并穩(wěn)定工作在熱平衡狀態(tài)，會極大地改善陀螺的輸出特性。(4)誤差建模及補(bǔ)償對于給定的光纖陀螺，在一定的溫度變化情況下，產(chǎn)生的非互易相位噪聲是確定的。因此，對光纖陀螺溫度特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，建立溫度漂移誤差模型并實(shí)施溫度補(bǔ)償是解決光纖陀螺溫度漂移問題的有效手段之一。目前常用的模型主要有如下幾種1)線性模型或多項(xiàng)式模型；2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；3)小波網(wǎng)絡(luò)；4)模糊邏輯；5)受控馬氏鏈模型；6)支持向量機(jī)。其中多項(xiàng)式模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用最為廣泛。時間序列分析是ー種時域分析方法，不僅研究過程的確定性變化，而且更著重于研究過程的隨機(jī)性變化，是ー種對有序的隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，將現(xiàn)在時刻的值用過去時刻的值表示，并預(yù)測系統(tǒng)未來值的數(shù)據(jù)處理方法。時間序列分析法建模就是對所觀測到的時間序列數(shù)據(jù)yu y2,…，7 擬合出適用的時間序列模型。建模內(nèi)容包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析(平穩(wěn)性分析和相關(guān)函數(shù)分析)與預(yù)處理、模型形式的選取、模型參數(shù)的估計(jì)、模型適用性檢驗(yàn)等問題，其中模型參數(shù)的選擇最關(guān)鍵，其次是模型的適用性檢驗(yàn)。對于光纖陀螺的建模一般采用自回歸模型(AR模型)、自回歸-滑動平均混合模型(ARMA模型)。當(dāng)輸出序列是非平穩(wěn)時間序列時，一般采用自回歸差分滑動平均模型(ARIMA模型)。在時間序列分析中，用相鄰觀測數(shù)據(jù)或一定間隔的觀測數(shù)據(jù)的差分方法，能方便地除去序列中的非周期性或周期性趨勢項(xiàng)，利于對光纖輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)辨識和噪聲統(tǒng)計(jì)特性計(jì)算。在求出模型參數(shù)和噪聲統(tǒng)計(jì)特性的基礎(chǔ)上，通過卡爾曼濾波/平滑技術(shù)可達(dá)到良好的消噪效果。本發(fā)明提出了通過大量實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過時間序列分析方法建立陀螺零偏隨機(jī)誤差模型，通過卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)行消噪處理；并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度模型結(jié)構(gòu)和參數(shù) 辨識，建立光纖陀螺溫度漂移誤差模型，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。該方法能夠更有效的辨識出陀螺零偏溫度特性，建立精確的模型進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償，滿足工程化要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了ー種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法。該方法利用時間序列分析建立光纖陀螺零偏的隨機(jī)誤差模型，在求出模型參數(shù)和噪聲統(tǒng)計(jì)特性的基礎(chǔ)上，采用卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)光纖陀螺零偏數(shù)據(jù)中噪聲的降低，有效辨識出陀螺零偏溫度特性，最后對消噪后的陀螺數(shù)據(jù)建立溫度漂移誤差的多項(xiàng)式模型，用最小二乗法求得模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)光纖陀螺的溫度漂移誤差補(bǔ)償。本發(fā)明ー種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法，該方法具體步驟如下步驟ー設(shè)計(jì)溫度特性測試實(shí)驗(yàn)方案，對光纖陀螺進(jìn)行定點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)，采集陀螺數(shù)據(jù)。溫度實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)測試，其中，X，Y，Z軸光纖陀螺分別指向東、北、天。為了研究溫度對光纖陀螺零偏的影響，分別在-30°C、-20°C、-1 (TC、(TC、I (TC、20°C、30°C、40°C、50°C、60°C環(huán)境溫度下(或根據(jù)工作溫度確定所選溫度點(diǎn))，對光纖陀螺進(jìn)行高低溫測試。在每ー個溫度點(diǎn)保溫兩小時后測量一小吋，并通過采集軟件記錄光纖陀螺自身的溫度和相應(yīng)光纖陀螺零偏值。步驟ニ 對陀螺零偏數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列分析，建立光纖陀螺隨機(jī)誤差的數(shù)學(xué)模型。如圖I所示，具體的建模步驟為(I)對陀螺測試樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和預(yù)處理。首先剔除數(shù)據(jù)中的異常值，其次進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)為非平穩(wěn)的，應(yīng)剔除其中確定性的趨勢項(xiàng)，再次進(jìn)行周期性檢驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)潛周期分量，應(yīng)剔除其中能量較大的潛周期分量，最后對去除了趨勢項(xiàng)和潛周期分量的殘差序列進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。如果經(jīng)過檢驗(yàn)的陀螺測試數(shù)據(jù)的殘差序列是非正態(tài)時間序列，應(yīng)進(jìn)行差分處理使之成為正態(tài)時間序列，然后建立隨機(jī)誤差模型。具體方法如下。
I)數(shù)據(jù)異常值剔除本發(fā)明采用拉依達(dá)準(zhǔn)則判別異常值。假定數(shù)據(jù)的總體是正態(tài)分布，則P(|x-u I >3 O )<0. 003 (5-1)其中X為隨機(jī)變量，U和O為數(shù)據(jù)總體的數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)差，P為滿足括號內(nèi)條件的概率。設(shè)數(shù)據(jù)為X1, X2,，Xn，均值為i,殘差為Vk(k=l, 2，…，n)，標(biāo)準(zhǔn)差為
權(quán)利要求
1.ー種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法，其特征在于該方法具體歩驟如下 步驟ー設(shè)計(jì)溫度特性測試實(shí)驗(yàn)方案，對光纖陀螺進(jìn)行定點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)，采集陀螺數(shù)據(jù)；溫度實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)測試，其中，X，Y，Z軸光纖陀螺分別指向東、北、天；為了研究溫度對光纖陀螺零偏的影響，分別在-30°C、-20°C、-10°C、(TC、10°C、20 V、30°C、40 V、50°C、60で環(huán)境溫度下，對光纖陀螺進(jìn)行高低溫測試；在每ー個溫度點(diǎn)保溫兩小時后測量ー小時，并通過采集軟件記錄光纖陀螺自身的溫度和相應(yīng)光纖陀螺零偏值； 步驟ニ 對陀螺零偏數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列分析，建立光纖陀螺隨機(jī)誤差的數(shù)學(xué)模型；其具體的建模步驟為 (I)對陀螺測試樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和預(yù)處理，首先剔除數(shù)據(jù)中的異常值，其次進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)為非平穩(wěn)的，應(yīng)剔除其中確定性的趨勢項(xiàng)，再次進(jìn)行周期性檢驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)潛周期分量，應(yīng)剔除其中能量較大的潛周期分量，最后對去除了趨勢項(xiàng)和潛周期分量的殘差序列進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)；如果經(jīng)過檢驗(yàn)的陀螺測試數(shù)據(jù)的殘差序列是非正態(tài)時間序列，應(yīng)進(jìn)行差分處理使之成為正態(tài)時間序列，然后建立隨機(jī)誤差模型；具體方法如下 1)數(shù)據(jù)異常值剔除 采用拉依達(dá)準(zhǔn)則判別異常值；假定數(shù)據(jù)的總體是正態(tài)分布，則
全文摘要
一種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法，它有四個步驟步驟一設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對光纖陀螺進(jìn)行定點(diǎn)高低溫測試實(shí)驗(yàn)，利用采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。步驟二對陀螺零偏數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列分析，建立光纖陀螺隨機(jī)誤差的數(shù)學(xué)模型。步驟三采用卡爾曼濾波算法濾除光纖陀螺零偏數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲。步驟四利用卡爾曼濾波消噪后的數(shù)據(jù)對光纖陀螺溫度漂移誤差模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識，并對辨識后模型進(jìn)行解算參數(shù)。本發(fā)明經(jīng)過時間序列分析和卡爾曼濾波消噪處理，并進(jìn)行溫度漂移誤差模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)辨識，建立光纖陀螺靜態(tài)溫度漂移誤差多項(xiàng)式模型。該方法完全符合工程上的實(shí)時補(bǔ)償要求，在航空航天導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的實(shí)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G01C25/00GK102650527SQ20121016695
公開日2012年8月29日 申請日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者周小紅, 宋凝芳, 宋來亮, 晁代宏, 王振飛 申請人:北京航空航天大學(xué)