基于陀螺信号降噪技术的惯性导航误差抑制方法研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

捷联惯性导航系统的工作原理和基本算法如下：

1. 系统的初始化。它包括如下3项任务：1）给定载体的初始信息包括初始位置和初始速度等。2）数学平台的初始对准，确定姿态矩阵的初始值，是在计算机中用对准程序来完成的。在物理概念上就是把数学平台的平台坐标系和导航坐标系重合。3）惯性敏感器件的校准，对加速度计的标度因数进行标定，对陀螺仪的标度因数和漂移进行标定。
2. 惯性敏感器件的误差补偿。对捷联惯性导航系统，惯性元件的输出必须进行误差补偿后才能将其输出量作为姿态和导航计算的信息。
3. 姿态矩阵的计算。不管捷联惯性导航系统的应用和要求如何，姿态矩阵的计算是必不可少的。它可以给出载体的姿态和为导航参数的计算提供必要的数据，是捷联惯性导航算法中重要的部分。
4. 导航计算。将加速度计的输出变换到导航坐标系（n系）计算出载体的速度、位置等导航参数。
5. 提取导航和控制信息。它指的是推算出载体的姿态信息、角速度和线速度等信息[1]。

光纤陀螺是一种新型的惯性敏感器件，它相比于另外几种陀螺（械转子陀螺、石英陀螺、激光陀螺、静电陀螺等）主要有其下优点：结构比较简单，不需要超高精度的光学加工；体积小，重量轻，无运动部件，抗振动能力强，无加速度引起的漂移；检测灵敏度高，动态范围宽，可以直接输出数字信号，结构灵活。正是以上的优点，才使得光纤陀螺在惯导技术中的应用越来越广泛，随着光纤陀螺技术发展和广泛应用，惯导技术对光纤陀螺的测量精度要求越来越高，对光纤陀螺其他性能的要求也越来越高[2-3]。它采用的是Sagnac干涉原理,用光纤绕成环形光路并检测出随转动而产生的反向旋转的两路激光束之间的相位差,由此计算出旋转的角速度[4]。然而，光纤陀螺零偏依然是影响捷联惯导系统导航精度的主要误差源，无法满足高精度长航时的导航需求[5-7]。因此，如何减小陀螺漂移对系统影响是提高系统导航精度的关键。

目前对陀螺信号进行处理主要有两类方法：① 对陀螺信号的随机漂移建模，依据模型进行补偿；② 直接对陀螺输出进行滤波。但是陀螺的随机漂移往往是弱非线性、非平稳、慢时变的，必须在线实时拟合模型、辨识参数才能达到补偿效果，这在实时系统中难于实现[8]。

其中具体关于如何提高FOG信号质量，国内外学者提出许多方法，目前主要研究方法分为以下三种。一是根据FOG随机噪声序列建立ARMA模型，再利用卡尔曼滤波对该模型进行滤波[9]。这类滤波方法在随机噪声模型建立准确的情况下，具有较好的滤波效果，然而在实际应用中很难得到准确的随机噪声模型，所以滤波效果也会受到很大的影响。二是阈值滤波，该方法将FOG含噪信号分解，根据噪声统计特征选定阈值，剔除阈值范围以外的数据，其中信号分解方法主要有傅里叶分解、小波分解或经验模态分解等[10-11]。这类滤波方法通常需要已知FOG随机噪声的统计特征来确定阈值，而且要求FOG含噪信号在经过分解后信号与噪声能够尽可能分离，否则滤波效果很难提高。三是平滑滤波，例如滑动平均、最小二乘回归或Savitzky-Golay回归等[12-13]，它是一种自适应的迭代算法，这种方法不依赖于输入数据的模型和先验统计特征，而且运算量相对较小，适合在线进行。然而传统平滑滤波的鲁棒性较差，当输入信号中出现野值或数据丢失等异常值时，其滤波效果则会受到很大影响。

陀螺的随机误差信号在建模前须先进行平稳性检验。如信号是非平稳的，则要经过差分处理消除其中的非平稳部分，得到平稳过程的样本数据，这样才能应用时间序列方法建模。平稳性检验的方法常见有参数检验法和非参数检验法[14]。在处理光纤陀螺随机噪声过程中，对于传统方法系统噪声和量测噪声必有一个为有色噪声的问题，黄磊[15]还提出了新的有色噪声条件下的卡尔曼滤波处理方法：把有色量测噪声作为状态量扩充到系统的状态方程，同时把AR模型的建模误差考虑进来作为系统新的量测噪声。

具体针对于光纤陀螺信号的降噪，金毅、吴训忠、谢聂、郭创在论文《光纤陀螺随机漂移在线建模实时滤波技术》提出了建立光纤陀螺随机漂移模型以便在滤波中加以补偿是提高光纤陀螺输出精度的有效方法。针对传统光纤陀螺随机漂移建模均采用离线形式，需预先处理数据，不具备普适性等问题，提出一种实时的建模滤波方法。首先，根据大量实测数据对传统离线模型进行改进，研究了一种基于AR模型的在线建立光纤陀螺随机漂移模型的方法。然后，比较了传统Kalman滤波器与滤波器用于实时滤波的效果。实验结果表明，改进型AR模型拟合精度高、普适性强，滤波器效果优于传统的Kalman滤波器[16]。

石利利、张志鑫、吴海仙、吉云飞在《小波滤波在光纤惯导抗干扰初始对准中的应用》一文中提出了一种小波实时预滤波方法，确定了最优的小波基和分解级数，采用滑动数据窗、对称周期拓展和软阈值函数处理相结合的方案实现对惯性仪表的实时降噪。实验证明，该小波预滤波方法可以有效抑制惯性仪表输出信号的高频噪声[17]。