[發明專利]一種用于光纖陀螺尋北的粒子濾波方法

無效

• 申請號: 201010109721.8
• 申請日: 2010-02-10
• 公開（公告）號: CN101907460A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 熊劍;劉建業;賴際舟;熊智;趙偉;周翟和;于明清;鐘麗娜
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C19/72
• 分類號: G01C19/72
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

發明屬于多傳感器信息融合技術，是一種用于光纖陀螺尋北的數據融合方法，也適用于自動目標識別與跟蹤、自動飛行器導航與控制、機器人、工業過程控制、圖像處理、模式識別等其他多傳感器信息融合及應用的領域。

背景技術

光纖陀螺是基于Sagnac效應的新一代角速率傳感器，尋北定向是光纖陀螺的重要應用之一，在航空、航天和航海等軍用領域，以及地球物理探測、大地測量、地下勘探和隧道挖掘等民用領域都發揮著重要作用。陀螺尋北技術是慣性技術領域的重要組成部分，也是現代信息化戰爭中確保武器系統快速、機動、精確打擊的重要保障技術之一。隨著科學技術的發展，陀螺尋北儀向著精度高、速度快、體積小、重量輕等方向發展，光纖陀螺的諸多優點正好迎合了陀螺尋北儀的發展趨勢，成為陀螺尋北儀理想的慣性元件。

光纖陀螺的尋北精度主要取決于光纖陀螺自身的性能以及所采用的尋北方案。在光纖陀螺同性能等級的情況下，尋北方案對尋北精度起著決定性的影響。目前光纖陀螺尋北儀所采用的方法中最為流行的是基于水平動基座的FOG旋轉方案，其基本思想是利用光纖陀螺在兩個或多個分布規律位置上對地球自轉角速率水平分量的測量輸出進行運算，消除光纖陀螺的常值漂移。

粒子濾波作為解決非線性、非高斯動態系統最優估計的最有效的方法，已經成為研究的熱點。本文介紹的基于粒子濾波的光纖陀螺尋北方案，在充分考慮光纖陀螺輸出特性的基礎上，建立尋北系統的狀態空間模型和觀測模型，利用粒子濾波在解決非線性系統估計問題上的優勢，計算出光纖陀螺敏感軸與真北方向的夾角。

粒子退化和粒子貧乏、計算量和精度之間的矛盾是粒子濾波應用于光纖陀螺尋北需要解決的核心問題。粒子貧乏的根源在于重采樣是在離散分布上的采樣；計算量和精度之間的矛盾源自蒙特卡洛近似對概率密度函數的低似然區域缺乏描述，必需通過增加粒子的方法獲得對低似然區域的全面描述。解決這兩個矛盾的方法可歸納為：尋找更優的、更具效率的粒子，從而獲得更優的濾波性能。

網格近似方法同蒙特卡洛近似方法類似，它通過一系列帶權值的網格來對概率密度函數進行近似，能夠全面地描述概率密度函數在高似然區域和低似然區域的分布情況。蒙特卡洛近似是通過對概率密度函數進行抽樣，以抽樣的頻度來對概率密度函數進行描述，因此網格近似相對蒙特卡洛近似具有更高的近似精度.融入網格近似思想的粒子濾波將有助于提高光纖陀螺尋北的精度。

發明內容

技術問題：本發明的目的是提供一種用于光纖陀螺尋北的粒子濾波方法，該方法可以利用粒子濾波在解決非線性系統估計問題上的優勢，計算出光纖陀螺敏感軸與真北方向的夾角。

技術方案：本發明為實現上述目的，采用如下技術方案：

本發明是一種用于光纖陀螺尋北的粒子濾波方法，其特征在于包括下列步驟：

1)建立單軸光纖陀螺敏感地球自轉角速率水平分量的輸出特性；

2)建立非線性光纖陀螺尋北系統的狀態空間模型和觀測模型；

3)對后驗概率密度函數進行混合高斯近似；

4)連續濾波密度的網格近似；

5)構建基于網格的粒子濾波器；

6)最后由導航計算機根據光纖陀螺尋北系統的狀態方程和觀測方程，采集光纖陀螺輸出信息，并完成尋北的濾波解算。

有益效果：

本發明的方法具有如下優點：利用網格近似對濾波密度進行近似，從而獲得更具效率的粒子，提高了粒子濾波的精度，解決了粒子退化和粒子貧乏的問題，并能夠達到較好的尋北精度。對以上發明的有益效果說明如下：

暫不考慮陀螺的安裝誤差、轉臺的水平誤差和溫度變化等因素。設光纖陀螺常值漂移為0.2(°)/h，光纖陀螺白噪聲為0.2(°)/h，與地理真北方向夾角為60°，地理緯度為北緯30°，初始狀態服從均值為61°，標準差為5°的正態分布。

普通粒子濾波和基于網格的粒子濾波精度都隨粒子數量增加而提高，為便于比較兩種算法的性能，仿真在保證濾波收斂的情況下選取了較少的粒子數量，兩種濾波算法都抽取粒子數量50個。基于網格的粒子濾波算法以離散形式給出了濾波密度，因此必須將這一離散的濾波密度轉化為連續的濾波密度，仿真中利用高斯近似方法將離散形式的濾波密度轉換為連續的密度函數。對連續濾波密度進行網格近似時，兼顧截斷誤差和網格密度對濾波精度的影響，在-1.725δ～1.725δ區間內對連續濾波密度均勻劃分網格，其中δ為濾波密度的均方差。尋北時在水平面內相差180°的兩個位置上采集陀螺數據，取其差值獲得觀測數據。