一种基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法和系统

摘要

本发明公开了一种基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法，包括：采集得到弹药姿态信息和弹药运动信息；根据弹药运动信息，确定弹药姿态信息所表征的弹药运动状态；使用小波包变换对弹药姿态信息进行小波包分解，得到分解后的弹药姿态信息；根据弹药姿态信息所表征的弹药运动状态，将分解后的弹药姿态信息使用小波包重构，得到重构的弹药姿态信息；将重构的弹药姿态信息按照设计要求的单位和周期输出给控制系统，并更新姿态滤波窗口内的弹药姿态信息。本发明既能对精确制导弹药姿态中的低频信息进行分解滤波，又能对精确制导弹药姿态中的高频信息进行分解滤波，克服了现有的精确制导弹药姿态滤波技术的不足。

说明书

技术领域

本发明属于精确制导技术领域，尤其涉及一种基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法和系统。

背景技术

目前，随着精确制导弹药技术的创新和发展，具备高超音速的新一代精确制导弹药正以速度快、精度高、战略战术威胁性强、附带损伤小等特点，正越来越多地受到各国追捧。然而，精确制导弹药的控制系统对于姿态信息的准确和稳定有较高的要求，特别是具备长航时、高动态的远程高精度制导武器，为了实现对弹药姿态信息的准确测量，通常需要控制系统对姿态信息进行滤波。

工程中，针对此类具有非平稳过程的对象，可以采用小波变换进行滤波，但小波变换只对姿态信息的低频部分做进一步分解，不能很好地分解和表示包含大量细节的高频信息，如非平稳的空气弹性力引起的振动等。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法和系统，既能对精确制导弹药姿态中的低频信息进行分解滤波，又能对精确制导弹药姿态中的高频信息进行分解滤波，可以更好地实现对弹药姿态信息的准确，稳定测量，克服了现有的精确制导弹药姿态滤波技术的不足。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法，包括：

采集得到弹药姿态信息S(t)和弹药运动信息；

根据弹药运动信息，确定弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态；其中，弹药运动状态，包括：低动态和高动态；

使用小波包变换对弹药姿态信息S(t)进行小波包分解，得到分解后的弹药姿态信息；

根据弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态，将分解后的弹药姿态信息使用小波包重构，得到重构的弹药姿态信息S'(τ)；

将重构的弹药姿态信息S'(τ)按照设计要求的单位和周期输出给控制系统，并更新姿态滤波窗口内的弹药姿态信息S(t)。

在上述基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法中，弹药运动信息，包括：姿态测量角速度ω(t)、姿态测量角加速度

在上述基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法中，根据弹药运动信息，确定弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态，包括：根据ω(t)、

在上述基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法中，A＝80、B＝10、C＝100、D＝20、T＝3。

在上述基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法中，使用小波包变换对弹药姿态信息S(t)进行小波包分解，得到分解后的弹药姿态信息，包括：

根据弹药姿态信息S(t)的特征，选择相匹配的小波包分解的基波和分解层数；

根据所选择的基波和分解层数，使用小波包变换对弹药姿态信息S(t)进行小波包分解，得到多层多节点信息，即分解后的弹药姿态信息。

在上述基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法中，

其中，姿态滤波窗口的长度为t_w，N表示姿态滤波窗口长度t_w内的弹药姿态信息S(t)的数据长度，H(·)和G(·)为正交滤波函数，t＝1,2,…,2

在上述基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法中，根据弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态，将分解后的弹药姿态信息使用小波包重构，得到重构的弹药姿态信息S'(τ)，包括：

当弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态为低动态时，采用如下小波包重构算法，将分解后的弹药姿态信息使用小波包重构，得到重构的弹药姿态信息S'(τ)：

其中，

在上述基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法中，根据弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态，将分解后的弹药姿态信息使用小波包重构，得到重构的弹药姿态信息S'(τ)，包括：

当弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态为高动态时，采用如下小波包重构算法，将分解后的弹药姿态信息使用小波包重构，得到重构的弹药姿态信息S'(τ)：

其中，

在上述基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法中，在将分解后的弹药姿态信息使用小波包重构时，若弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态为高动态，则在使用小波包重构时保留高频信息；若弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态为低动态，则在使用小波包重构时保留低频信息。

相应的，本发明还公开了一种基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波系统，包括：

采集模块，用于采集得到弹药姿态信息S(t)和弹药运动信息；

判定模块，用于根据弹药运动信息，确定弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态；其中，弹药运动状态，包括：低动态和高动态；

分解模块，用于使用小波包变换对弹药姿态信息S(t)进行小波包分解，得到分解后的弹药姿态信息；

重构模块，用于根据弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态，将分解后的弹药姿态信息使用小波包重构，得到重构的弹药姿态信息S'(τ)；

输出模块，用于将重构的弹药姿态信息S'(τ)按照设计要求的单位和周期输出给控制系统，并更新姿态滤波窗口内的弹药姿态信息S(t)。

本发明具有以下优点：

本发明公开了一种基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方案，采用小波包变换，不仅可以实现对弹药姿态信息的低频部分进行分解，还可以对高频的姿态信息进行分解，而且这种分解既无冗余，也无疏漏，可以更好地实现对精确制导弹药姿态信息滤波处理，使得姿态信息更为精准、稳定。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中一种弹药姿态信息小波包分解示意图；

图3是本发明实施例中一种弹药姿态信息小波包重构示意图；

图4是本发明实施例中一种基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1，在本实施例中，该基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波方法，包括：

步骤101，采集得到弹药姿态信息S(t)和弹药运动信息。

在本实施例中，弹药姿态信息S(t)包括但不仅限于：俯仰角Pitch、横滚角Roll和航向角Yaw。弹药运动信息包括但不仅限于：姿态测量角速度ω(t)、姿态测量角加速度

步骤102，根据弹药运动信息，确定弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态。

在本实施例中，弹药运动状态主要包括：低动态和高动态。具体的，可以根据ω(t)、

步骤103，使用小波包变换对弹药姿态信息S(t)进行小波包分解，得到分解后的弹药姿态信息。

在本实施例中，可先根据弹药姿态信息S(t)的特征，选择相匹配的小波包分解的基波和分解层数。其中，小波包分解的基波必须满足支撑长度，有较好的消失矩、对称性、正则性以及相似性，例如，采用的基波一般从支撑长度、消失矩、对称性、正则性以及相似性等进行综合考虑，采用Haar小波、Daubechies(dbN，N∈[1～45])小波、Mexican Hat(mexh)小波、Morlet小波、Meyer小波等任意一种。小波包分解的分解层数需要综合考虑姿态控制周期t_c和姿态测量周期t_m，一般不大于

然后，根据所选择的基波和分解层数，使用小波包变换对弹药姿态信息S(t)进行小波包分解，得到多层多节点信息，即分解后的弹药姿态信息。

其中，姿态滤波窗口的长度为t_w，N表示姿态滤波窗口长度t_w内的弹药姿态信息S(t)的数据长度，H(·)和G(·)为正交滤波函数，t＝1,2,…,2

步骤104，根据弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态，将分解后的弹药姿态信息使用小波包重构，得到重构的弹药姿态信息S'(τ)。

在本实施例中，在将分解后的弹药姿态信息使用小波包重构时，若弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态为高动态，则在使用小波包重构时主要保留高频信息；若弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态为低动态，则在使用小波包重构时主要保留低频信息；当然，也可根据实际需求，在使用小波包重构时有选择地使用部分高频信息和部分低频信息，本实施例对此不作限制。

优选的，小波包重构的基本公式如下：

其中，τ＝2

进一步的，当弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态为低动态时，上述公式(8)、(9)具体表示如下：

进一步的，当弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态为高动态时，上述公式(8)、(9)具体表示如下：

步骤105，将重构的弹药姿态信息S'(τ)按照设计要求的单位和周期输出给控制系统，并更新姿态滤波窗口内的弹药姿态信息S(t)。

在本实施例中，步骤105输出的重构的弹药姿态信息S'(τ)需满足控制系统设计要求的单位(姿态使用弧度)和周期(以不大于姿态控制周期为宜)，并更新姿态滤波窗口内的弹药姿态信息S(t)，以便于进行下一次滤波。

在上述实施例的基础上，下面以一个具体实例进行说明。

对于某俯仰角测量周期t_m为1ms、控制周期t_c为40ms的精确制导弹药控制系统，可按照如下流程来实现对弹药俯仰角信息的小波包变换滤波：

(1)信息采集与设置

采集弹药俯仰角信息S(t)，俯仰角测量角速度ω(t)、俯仰角测量角加速度

确定俯仰角测量周期t_m为1ms、控制周期t_c为40ms。

设置姿态滤波窗口的长度t_w为20ms。

(2)弹药姿态信息特征辨识

当滤波窗口长度t_w内的ω(t)大于80deg/s、

(3)弹药姿态信息分解。

因弹药高动态姿态信息具有非平稳性，故使用dbN(令N＝4)基波对弹药俯仰角信息S(t)进行小波包分解。一般的，对于俯仰角测量周期t_m的弹药俯仰角信息S(t)，根据奈奎斯特采样定理可知，信号带宽为1/(2×t_m)，则j层分解后，将信号带宽为1/(2×t_m)平均分为2

S(t)＝A1+D1＝AA2+DA2+AD2+DD2

其中，图2中的A1和D1分别表示当S(t)以2

(4)弹药姿态信息重构。

在本实施例中，弹药俯仰角信息S(t)具备高动态特征，故可将部分低频去掉，主要使用高频部分信息进行弹药姿态信息重构，得到重构的弹药俯仰角信息S'(τ)。其中，弹药姿态信息重构使用的各频段信号参见图3，S'(τ)使用的重构信息是低频1频段信息AA2、高频1频段信息AD2和高频2频段信息DD2，即Dot(2,1)、Dot(2,2)和Dot(2,4)，将三者叠加即可得到S'(τ)：

S'(τ)＝AA2+AD2+DD2＝A1′+D1′＝A1′+D1

其中，图3中的A1′表示重构后的节点Dot′(1,1)，节点Dot′(1,1)表示俯仰角Pitch在0～125Hz带宽内信息。D1′表示重构后的节点Dot′(1,2)，D1′＝D1。

(5)重构的弹药俯仰角信息S'(τ)的输出。

将重构的弹药俯仰角信息S'(τ)按照设计要求的单位和周期输出给控制系统，并更新姿态滤波窗口内的弹药俯仰角信息S(t)。

在上述实施例的基础上，如图4，本发明还公开了一种基于小波包变换的精确制导弹药姿态滤波系统，包括：采集模块401，用于采集得到弹药姿态信息S(t)和弹药运动信息；判定模块402，用于根据弹药运动信息，确定弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态；分解模块403，用于使用小波包变换对弹药姿态信息S(t)进行小波包分解，得到分解后的弹药姿态信息；重构模块404，用于根据弹药姿态信息S(t)所表征的弹药运动状态，将分解后的弹药姿态信息使用小波包重构，得到重构的弹药姿态信息S'(τ)；输出模块405，用于将重构的弹药姿态信息S'(τ)按照设计要求的单位和周期输出给控制系统，并更新姿态滤波窗口内的弹药姿态信息S(t)。

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。