高精度速率偏频惯组加速度通道随机噪声估计方法及系统

摘要

本发明公开了一种高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声估计方法及系统，利用以下公式估计高精度双轴速率偏频惯组加速度通道的随机噪声：k＝‑1,‑0.5,0τ＝1～30s；k＝‑0.5,0,0.5τ＝10～80s；k＝0,0.5,1τ＝50～2900s；其中，σ1(τ)、σ2(τ)、σ3(τ)为不同时间段τ对应的随机噪声；Ak为噪声项的系数。本发明利用多重叠分段Allan标准差法估计高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声项系数，估计结果更加准确。

说明书

技术领域

本发明涉及惯性技术领域，特别是一种高精度速率偏频惯组加速度通道随机噪声估计方法及系统。

背景技术

捷联惯导系统以自主性强、隐蔽性好的优势被广泛应用于各种复杂的环境中，且在海、陆、空等各领域具有一定的应用地位，但由于捷联惯导系统的导航误差会随惯性器件的误差随时间逐渐积累，长时间的导航精度会有所降低，因此对于许多对惯导应用精度要求较高的场合会采用速率偏频技术来补偿惯性器件的误差。但速率偏频技术应用在惯导中通常会采用单框架或双框架的方式控制惯性组合单元的旋转，框架的控制精度会对高精度速率偏频惯组的陀螺通道和加速度通道的输出噪声产生影响；同时，如果陀螺通道采用激光陀螺，激光陀螺的抖动偏频也会给加速度通道的输出噪声造成一定影响；此外高精度速率偏频惯组加速度通道的电路采集等造成的随机误差也会影响加速度通道输出的精度。因此采取更加优越的方法精确定量分析加速度通道的随机噪声，对提高高精度速率偏频惯组的对准精度和导航精度是非常重要的。

高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声主要有量化噪声(QN)、视速度随机游走(VRW)、零偏不稳定性(BI)，加速度随机游走(ARW)、速率斜坡(RR),马尔科夫噪声和正弦噪声等，其中马尔科夫噪声和正弦噪声的影响较小且不易观察，在实际分析中可忽略。传统Allan方差的理论在这里不进行赘述，具体参见文献“MEMS加速度计噪声分析与降噪方法研究”，其中各项噪声项的Allan标准差分式如下：

σ

τ为相关时间，τ＝nT

其中，A

表1各通道噪声系数及各项噪声拟合误差结果

通过观察以上结果发现，该拟合方法的非线性拟合效果不能完全呈现高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声项系数的真实性，拟合曲线较加速度通道的真实输出有一定偏差，拟合误差较大；同时各噪声项系数有负数出现的现象，更加说明拟合的不准确性。

本发明所述高精度速率偏频惯组，是指对准精度优于1′(3倍标准差)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声估计方法及系统，精确定量分析加速度通道的随机噪声。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声估计方法，利用以下公式估计高精度双轴速率偏频惯组加速度通道的随机噪声：

其中，σ

本发明采用多重叠分段Allan标准差分析方法有效估计高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声，完全呈现高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声项系数的真实性。

本发明中，τ＝nT

本发明中，随机噪声包括量化噪声、视速度随机游走噪声、零偏不稳定性噪声，加速度随机游走噪声、速率斜坡噪声。

本发明中，为了保证拟合精度，τ＝1～30s对应加速度通道的量化噪声和视速度随机游走噪声；τ＝10～80s对应加速度通道的视速度随机游走噪声和加速度随机游走噪声；τ＝50～2900s对应加速度通道的加速度随机游走噪声和速率斜坡噪声。

为了减小非线性拟合时的拟合误差，τ＝1～30s还对应加速度通道的零偏不稳定性噪声。

本发明还提供了一种高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声估计系统，包括：

第一估计单元，用于当相关时间τ＝1～30s时，利用公式

第二估计单元，用于当相关时间τ＝10～80s时，利用公式

第三估计单元，用于当相关时间τ＝50～2900s时，利用公式

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用多重叠分段Allan标准差法估计高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声项系数，估计结果更加准确，因此采用多重叠分段Allan标准差法估计加速度通道的随机噪声项系数来指导高精度速率偏频惯组整机的对准和导航算法的分析具有更高的可信度；本发明可以对高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声进行有效定量分析，为加速度通道的滤波降噪提供了更加有力的依据。

附图说明

图1为Ax加速度通道Allan标准差曲线；

图2为Ay加速度通道Allan标准差曲线；

图3为Az加速度通道Allan标准差曲线；

图4为Ax加速度通道Allan标准差曲线(量化噪声和视速度随机游走段)；

图5为Ax加速度通道Allan标准差曲线(零偏不稳定性段)；

图6为Ax加速度通道Allan标准差曲线(加速度随机游走和速率斜坡段)；

图7为Ay加速度通道Allan标准差曲线(量化噪声和视速度随机游走段)；

图8为Ay加速度通道Allan标准差曲线(零偏不稳定性段)；

图9为Ay加速度通道Allan标准差曲线(加速度随机游走和速率斜坡段)；

图10为Ay加速度通道Allan标准差曲线(量化噪声和视速度随机游走段)；

图11为Az加速度通道Allan标准差曲线(零偏不稳定性段)；

图12为Az加速度通道Allan标准差曲线(加速度随机游走和速率斜坡段)。

具体实施方式

本发明根据Allan标准差双对数曲线及噪声相关时间特点对相关时间域进行多重叠分段调整，根据高精度速率偏频惯组加速度通道相关时间域内的随机噪声成分和特点，将相关时间相近的不同噪声化为同一区间分段；与此同时，为了减小相邻区段噪声的标准差带来的拟合误差，拟合时可以将相邻相关时间域内的随机噪声项纳入非线性拟合模型。

以表1对应的某高精度双轴速率偏频惯组加速度通道的输出为例进行阐述，三个加速度通道的量化噪声(QN)和视速度随机游走(VRW)项的相关时间较小，可划为第一段，但为了减小非线性拟合时的拟合误差，亦可将零偏不稳定性(BI)项划到第一段，来保证量化噪声(QN)和视速度随机游走(VRW)项系数拟合的准确性，采样时间为1s时，多重叠分段拟合第一段的时间段为1～30s，在k＝0时对应零偏不稳定性(BI)项的系数；同样为了保证拟合精度，将视速度随机游走(VRW)和加速度随机游走(ARW)项划分到多重叠分段拟合的第二段，根据附图中Allan标准差双对数曲线的特性及拟合效果，第二段的时间设为10～80s，多重叠段为10～30s；同理可得加速度随机游走(ARW)和速率斜坡(RR)项的噪声系数，第三段的时间为50～2900s。由于加速度随机游走(ARW)和速率斜坡(RR)项的相关时间较长，所以本次高精度速率偏频惯组加速度通道输出数据采集达8h以上，共有29000个数据，采样时间为1s。具体的多重叠分段拟合公式及多重叠时间如下所示。

σ

应用该多重叠分段的Allan标准差分析方法来估计上述某高精度双轴速率偏频惯组加速度通道的随机噪声系数，各项系数及拟合误差结果如表2所示，各通道拟合效果图如图4～图12所示。

表2各通道噪声系数及各项噪声拟合误差结果

对比表1和表2中高精度速率偏频加速度通道随机噪声项系数结果以及两种方法的拟合效果可知，利用多重叠分段Allan标准差法去估计高精度速率偏频惯组加速度通道的随机噪声项系数更加准确。同等相近精度的三个通道中，最明显的是表1中常规Allan标准差法Az通道的视速度游走系数和零偏不稳定性偏小，Ay通道的视速度游走系数和零偏不稳定性偏大，这主要是Allan标准差拟合较差的缘故。因此采用多重叠分段Allan标准差法估计加速度通道的随机噪声项系数来指导高精度速率偏频惯组整机的对准和导航算法的分析具有更高的可信度，同时这些噪声项系数还能囊括旋转机构、加表电流转换电路噪声以及加速度计本身噪声项等的影响。

此外，上述关于多重叠分段点的设置要根据具体高精度速率偏频加速度通道的输出特性进行调节，并不是固定的，且多重叠量要适当，不宜过小或过大，可根据加速度通道数据输出的Allan标准差特性进行适当调节，以达到对高精度速率偏频惯组加速度通道Allan标准差的最佳拟合效果。

本发明另一实施例还提供了一种估计系统，该系统包括：

第一估计单元，用于当相关时间τ＝1～30s时，利用公式

第二估计单元，用于当相关时间τ＝10～80s时，利用公式

第三估计单元，用于当相关时间τ＝50～2900s时，利用公式

本发明实施例的估计系统，可以是计算机设备，例如微处理器等。