[发明专利]一种用于光纤陀螺寻北的粒子滤波方法

说明书

技术领域

发明属于多传感器信息融合技术，是一种用于光纤陀螺寻北的数据融合方法，也适用于自动目标识别与跟踪、自动飞行器导航与控制、机器人、工业过程控制、图像处理、模式识别等其他多传感器信息融合及应用的领域。

背景技术

光纤陀螺是基于Sagnac效应的新一代角速率传感器，寻北定向是光纤陀螺的重要应用之一，在航空、航天和航海等军用领域，以及地球物理探测、大地测量、地下勘探和隧道挖掘等民用领域都发挥着重要作用。陀螺寻北技术是惯性技术领域的重要组成部分，也是现代信息化战争中确保武器系统快速、机动、精确打击的重要保障技术之一。随着科学技术的发展，陀螺寻北仪向着精度高、速度快、体积小、重量轻等方向发展，光纤陀螺的诸多优点正好迎合了陀螺寻北仪的发展趋势，成为陀螺寻北仪理想的惯性元件。

光纤陀螺的寻北精度主要取决于光纤陀螺自身的性能以及所采用的寻北方案。在光纤陀螺同性能等级的情况下，寻北方案对寻北精度起着决定性的影响。目前光纤陀螺寻北仪所采用的方法中最为流行的是基于水平动基座的FOG旋转方案，其基本思想是利用光纤陀螺在两个或多个分布规律位置上对地球自转角速率水平分量的测量输出进行运算，消除光纤陀螺的常值漂移。

粒子滤波作为解决非线性、非高斯动态系统最优估计的最有效的方法，已经成为研究的热点。本文介绍的基于粒子滤波的光纤陀螺寻北方案，在充分考虑光纤陀螺输出特性的基础上，建立寻北系统的状态空间模型和观测模型，利用粒子滤波在解决非线性系统估计问题上的优势，计算出光纤陀螺敏感轴与真北方向的夹角。

粒子退化和粒子贫乏、计算量和精度之间的矛盾是粒子滤波应用于光纤陀螺寻北需要解决的核心问题。粒子贫乏的根源在于重采样是在离散分布上的采样；计算量和精度之间的矛盾源自蒙特卡洛近似对概率密度函数的低似然区域缺乏描述，必需通过增加粒子的方法获得对低似然区域的全面描述。解决这两个矛盾的方法可归纳为：寻找更优的、更具效率的粒子，从而获得更优的滤波性能。

网格近似方法同蒙特卡洛近似方法类似，它通过一系列带权值的网格来对概率密度函数进行近似，能够全面地描述概率密度函数在高似然区域和低似然区域的分布情况。蒙特卡洛近似是通过对概率密度函数进行抽样，以抽样的频度来对概率密度函数进行描述，因此网格近似相对蒙特卡洛近似具有更高的近似精度.融入网格近似思想的粒子滤波将有助于提高光纤陀螺寻北的精度。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种用于光纤陀螺寻北的粒子滤波方法，该方法可以利用粒子滤波在解决非线性系统估计问题上的优势，计算出光纤陀螺敏感轴与真北方向的夹角。

技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明是一种用于光纤陀螺寻北的粒子滤波方法，其特征在于包括下列步骤：

1)建立单轴光纤陀螺敏感地球自转角速率水平分量的输出特性；

2)建立非线性光纤陀螺寻北系统的状态空间模型和观测模型；

3)对后验概率密度函数进行混合高斯近似；

4)连续滤波密度的网格近似；

5)构建基于网格的粒子滤波器；

6)最后由导航计算机根据光纤陀螺寻北系统的状态方程和观测方程，采集光纤陀螺输出信息，并完成寻北的滤波解算。

有益效果：

本发明的方法具有如下优点：利用网格近似对滤波密度进行近似，从而获得更具效率的粒子，提高了粒子滤波的精度，解决了粒子退化和粒子贫乏的问题，并能够达到较好的寻北精度。对以上发明的有益效果说明如下：

暂不考虑陀螺的安装误差、转台的水平误差和温度变化等因素。设光纤陀螺常值漂移为0.2(°)/h，光纤陀螺白噪声为0.2(°)/h，与地理真北方向夹角为60°，地理纬度为北纬30°，初始状态服从均值为61°，标准差为5°的正态分布。

普通粒子滤波和基于网格的粒子滤波精度都随粒子数量增加而提高，为便于比较两种算法的性能，仿真在保证滤波收敛的情况下选取了较少的粒子数量，两种滤波算法都抽取粒子数量50个。基于网格的粒子滤波算法以离散形式给出了滤波密度，因此必须将这一离散的滤波密度转化为连续的滤波密度，仿真中利用高斯近似方法将离散形式的滤波密度转换为连续的密度函数。对连续滤波密度进行网格近似时，兼顾截断误差和网格密度对滤波精度的影响，在-1.725δ～1.725δ区间内对连续滤波密度均匀划分网格，其中δ为滤波密度的均方差。寻北时在水平面内相差180°的两个位置上采集陀螺数据，取其差值获得观测数据。