FOG/TS中FOG信号的误差分析与补偿

摘要

随着我国国民经济的快速发展，国家小城镇建设步伐的加快，迫切需要摸清城镇土地家底，为政府部门的规划与决策提供翔实的数据支持。我国城镇地籍数据，变化量巨大，现有技术已日益难以满足工作需求。目前普遍采用的地籍调查手段是：GPS完成首级控制网布设，利用全站仪通过测角量边求得图根点和碎部点的坐标。然而，城镇建筑物密集、行人车辆较多，严重影响控制点问通视，给控制点布设和后期的碎部点测量定向都带来诸多不便。这直接影响了工程进度，数据库难以及时更新，造成“老帐未清又添新帐”的局面。
　　 光纤陀螺通过敏感地球旋转角速度可以获得陀螺轴与真北方向的夹角，利用光纤陀螺和全站仪进行组合，实现自动寻北，只需一个控制点就可以进行碎部测量。在这种情况下，控制点可以随意布设，不需要考虑点间通视。碎部测量时也不用后视已知点，这给在城市内部进行地籍测量T作带来极大的方便，将能提高T作效率，降低工作劳动强度。本论文以此作为出发点，进行了光纤陀螺/全站仪组合定向技术研究。
　　 本论文介绍了光纤陀螺全站仪组合设备的整体方案，根据光纤陀螺全站仪组合的2×2位置寻北原理，介绍了组合定向系统的操作流程。为了论证方案的有效性和合理性，依托三轴陀螺转台，对光纤陀螺的输出信号进行了性能测试，并采用时间序列的方法建立了光纤陀螺的数学模型。通过实验，验证了2×2位置寻北算法的有效性和合理性。
　　 在利用光纤陀螺寻北时，存在着惯性器件误差、物理参数误差以及安装误差，载体振动等影响。这些误差的来源和作用机理各不相同，对寻北结果的影响也不同，在地籍调查现场，工作环境比较恶劣，考虑到设备成本，重量，体积和可操作性，本义对光纤陀螺的信号进行了误差分析和补偿。从理论上分析了静态误差源（测量误差、转位误差、物理量误差、安装误差）的影响，推导了最佳的寻北初始角度，并对外界振动误差进行了分析。为了抑制光纤陀螺随机噪声，利用五点三次平滑、数字滤波、卡尔曼滤波和小波变换分析法对光纤陀螺静态输出数据进行了频谱分析和滤波处理，利用Allan方差分析了各误差源的幅度，结果表明：小波阈值滤波的方法能够有效的补偿光纤陀螺的随机误差。
　　 为了有效补偿干扰信号的影响，需要对干扰信号进行精确定位，用小波系数能量分析的方法确定陀螺是否受到外界干扰，用小波模极大值的方法实现了干扰信号的探测，提出了一套完整的FOG抗干扰、去噪声一体化误差补偿方案并进行了实验验证，最后进行寻北实验，主要验证第二章所提出的2×2位置寻北方案；验证寻北初始位置对寻北精度的影响；验证数字滤波法；卡尔曼滤波以及小波阈值去噪等滤波算法对寻北精度的影响；验证局部外界干扰对寻北精度的影响。结果表明：本文所提出的方法有效可行。为光纤陀螺全站仪的进一步工程应用起到了积极作用。为进一步研究光纤陀螺的应用做了有益的尝试和探索。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 FOG研究现状

1.2.2 FOG误差建模的研究现状

1.2.3 FOG抗外界干扰技术研究现状

1.2.4 FOG降噪技术研究现状

1.3 本文的研究内容和组织结构

1.3.1 本文的研究内容

1.3.2 本文的组织结构

第二章 光纤陀螺全站仪组合整体方案设计

2.1 全站仪和光纤陀螺简介

2.1.1 全站仪

2.1.2 光纤陀螺

2.2 组合方案设计

2.2.1 硬件设计

2.2.2 光纤陀螺全站仪寻北方案

2.2.3 操作流程设计

2.3 本章小结

第三章 光纤陀螺的测试与建模

3.1 测试平台构建

3.1.1 硬件组成

3.1.2 数据采集系统

3.2 光纤陀螺性能测试

3.2.1 标度因数

3.2.2 零偏

3.2.3 零偏稳定性

3.2.4 测试结果分析

3.3 光纤陀螺建模

3.3.1 数据预处理

3.3.2 模型结构初选

3.3.3 模型参数估计

3.3.4 模型适应性检验

3.4 本章小结

第四章 误差分析及补偿技术研究

4.1 静态误差源的影响

4.1.1 测量误差的影响

4.1.2 漂移误差的影响

4.1.3 转位误筹的影响

4.1.4 物理量误差的影响

4.1.5 安装误差的影响

4.1.6 静态误差分析小结

4.2 外界振动误差分析

4.3 滤波方法的比较研究

4.3.1 傅立叶变换的理论基础

4.3.2 五点三次平滑法

4.3.3 数字滤波分析法

4.3.4 卡尔曼滤波分析法

4.3.5 小波分析法

4.3.6 研究FOG噪声的方法(Allan方差)

4.3.7 实测数据分析

4.4 外界干扰的探测与补偿技术研究

4.4.1 基于离散傅立叶变换的第一类型信号分析

4.4.2 基于离散傅立叶变换的第二类型信号分析

4.4.3 基于小波变换的第一类型信号分析

4.4.4 基于小波变换的第二类型信号分析

4.4.5 基于小波变换的光纤陀螺干扰信号检测

4.5 基于小波分析的FOG抗干扰去噪声一体化误差补偿方案

4.5.1 操作流程设计

4.5.2 实验验证

4.6 本章小结

第五章 寻北实验数据分析与验征

5.12×2位置寻北方案验证

5.1.1 有安装误差情况下2×2东向寻北方案验证

5.1.2 无安装误差情况下2×2东向寻北方案验证

5.2 初始位置对寻北精度的影响

5.2.1 有安装误差情况下非东向初始位置寻北方案验证

5.2.2 无安装误筹情况下非东向初始位置寻北办案验证

5.3 FOG抗干扰去噪声一体化误差补偿方案寻北验证

5.3.1 FOG内部噪声处理前后寻北精度比较

5.3.2 外界干扰处理前后寻北精度比较

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

附录A

附录B