一種陀螺儀信號實時小波降噪方法
【專利摘要】本發明涉及一種陀螺儀信號實時小波降噪方法。所述方法采用滑動數據窗的方式，使滑動數據窗口中的數據始終為最新的一段陀螺儀輸出信號的采集數據，通過對滑動數據窗口內的數據進行以下小波降噪處理實現對陀螺儀輸出信號的實時降噪處理：采用DB小波對采集信號進行分解，得到尺度系數及小波系數；保持尺度系數不變，采用軟閾值法對每個小波系數進行處理；根據處理后的小波分解的尺度系數及小波系數進行信號重構，輸出降噪數據。實驗表明，與現有技術相比，采用本發明所述的在線實時濾波方法，可以獲得較好的濾波效果，尤其是對高動態變化的陀螺儀信號的降噪效果更為理想。
【專利說明】
一種陀螺儀信號實時小波降噪方法
技術領域
[0001] 本發明屬于慣性導航領域，尤其涉及一種采用實時小波降噪方法對陀螺儀的原始 輸出信號進行降噪處理的方法。
【背景技術】
[0002] 陀螺儀器最早是用于航海導航，但隨著科學技術的發展，它在航空和航天事業中 也得到廣泛的應用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制 系統中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。根據需要，陀螺儀器能提供準確的方位、水 平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導航儀來控制飛機、艦船或航天飛機 等航行體按一定的航線飛行，而在導彈、衛星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中，則 直接利用這些信號完成航行體的姿態控制和軌道控制。
[0003] 陀螺儀的輸出信號反映了載體三個軸向的姿態信息，因此其輸出信號的質量會直 接影響上述信息的準確程度。由于受環境等因素的影響，陀螺儀的輸出噪聲往往很大，幅值 劇烈變化的隨機噪聲嚴重影響了陀螺儀的有用信號，如果不經過降噪處理，精度就無法得 到保證，降噪效果的優劣直接影響了陀螺儀的精度。
[0004] 目前小波變換多用于離線數據分析和處理，將所有待處理數據進行2n擴充并根據 擴充后的所有數據確定閾值，再采用選定的母小波逐層對所有擴充后的數據進行小波分 解、閾值處理和小波重構。這種方法計算量大無法實現實時小波降噪，大大限制了小波降噪 的應用范圍。

【發明內容】

[0005] 針對現有技術中存在的上述問題，本發明提出一種陀螺儀信號實時小波降噪方 法。所述方法通過滑動數據窗口，使所述窗口內始終為最新的一段數據，利用小波降噪算法 對陀螺儀信號進行在線實時降噪處理。
[0006] 為實現上述目的，本發明采取如下技術方案：
[0007] -種陀螺儀信號實時小波降噪方法，采用滑動數據窗口，使滑動數據窗口中的數 據始終為最新的一段陀螺儀輸出信號的采集數據，通過對滑動數據窗口內的數據按照以下 步驟進行降噪處理，實現對陀螺儀輸出信號的在線降噪處理：
[0008] 步驟1，實時采集陀螺儀輸出信號，采用DB小波對采集信號進行分解，得到尺度系 數ap,k，小波系數dj,k，其中，k= 1，2，3，…，2P，j = p，p+1，…，k-1，p為分解層數。
[0009] 步驟2,保持尺度系數aP,k不變，采用軟閾值法對每個小波系數山,k進行處理。
[0010] 步驟3,根據步驟2處理后的小波分解的尺度系數及小波系數進行信號重構，輸出 降噪數據。
[0011] 進一步地，所述滑動數據窗口的寬度及數據內容的更新方法如下：
[0012] (1)時刻是<2"。時，不進行降噪處理，直接輸出采集數據ak得到數據序列 β?5%，…，《2Α_4,2Α為降噪處理所需的最小數據量，j Q為正整數。
[0013] (2) ? = 2Λ時刻，對滑動數據窗口內的數據％，心….，％進行降噪處理，得到女= 2y。 時刻的降噪輸出弋,。》
[0014] (3)4 = 241時刻，將滑動數據窗口內的數據更新為心"3,…々。+1，對更新后的滑 動數據窗口內的數據進行降噪處理，得到A = 2〃。+1時刻的降噪輸出^%+1。
[0015] (4)時刻k每增加1，保持滑動數據窗口寬度不變，按照步驟(3)的方法更新滑動數 據窗口的數據，對更新后的數據進行降噪處理，直到A = 2^。
[0016] (5)當^ 2;11+1 +1時，使滑動數據窗口的寬度加倍，即寬度變為2/frfl，重復步驟⑷ 直到fe = 2i:8+2s
[0017] (6)依次類推，按照步驟(5)的規律改變滑動數據窗口的寬度，更新滑動數據窗口 的內容，直到得到最終的降噪輸出。
[0018] 進一步地，步驟1采用DB4小波對陀螺儀的輸出信號進行4層分解。
[0019]進一步地，步驟2采用軟閾值法對每個小波系數山,k進行處理的方法表示如下：
[0020]
[0021] 式中，λ為設定的閾值，^71；_為處理后的小波系數。
[0022] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0023] 本發明采用滑動數據窗的方式，使滑動數據窗口中的數據始終為最新的一段陀螺 儀輸出信號的采集數據，通過對滑動數據窗口內的數據進行小波降噪處理實現對陀螺儀輸 出信號的實時降噪處理。實驗表明，與現有技術相比，采用本發明所述的在線實時濾波方 法，可以獲得較好的濾波效果，尤其是對高動態變化(信號強度變化大）的陀螺儀信號的降 噪效果更為理想。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明所述方法的流程圖；
[0025] 圖2為采用本發明所述方法對高動態陀螺儀信號降噪的效果圖；
[0026] 圖3為采用本發明所述方法對低動態陀螺儀信號降噪的效果圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
[0028] 一種陀螺儀實時小波降噪方法，采用滑動數據窗口，每處理一個數據更新一次滑 動數據窗口，使滑動數據窗口中的數據始終為最新的一段陀螺儀輸出信號的采集數據，通 過對滑動數據窗口內的數據進行降噪處理，實現對陀螺儀輸出信號的在線降噪處理。
[0029]對滑動數據窗口內的數據進行降噪處理的方法如下：
[0030] 步驟1，實時采集陀螺儀輸出信號，采用DB小波對采集信號進行分解，得到尺度系 數aP,k，以及小波系數dj,k，其中，k= 1，2，3，…，2P，j = ρ，ρ+1，…，k-1，ρ為分解層數。
[0031] 步驟2,保持尺度系數aP,k不變，采用軟閾值法對每個小波系數山,k進行處理。
[0032] 步驟3,根據步驟2處理后的小波分解的尺度系數及小波系數進行信號重構，輸出 降噪數據。
[0033] 所述滑動數據窗口的寬度及數據內容的更新方法如下：
[0034] (1)時刻< 2;°時，不進行降噪處理，直接輸出采集數據ak得到數據序列Λ 2λ為降噪處理所需的最小數據量，即滑動數據窗口寬度的初始值，jQ為正整數。
[0035] (2U = 26時刻，對滑動數據窗口內的數據化心進行降噪處理，得到灸=2" 時刻的降噪輸出i2，。。
[0036] (3)灸=2;。+1時刻，將滑動數據窗口內的數據更新為心心'''，~y對更新后的滑 動數據窗口內的數據進行降噪處理，得到A = 2A +1時刻的降噪輸出~。+1。
[0037] (4)時刻k每增加1，保持滑動數據窗口寬度不變，按照步驟(3)的方法更新滑動數 據窗口的數據，對更新后的數據進行降噪處理，直到I = 2#1。
[0038] (5)當= 2#1 +〗時，使滑動數據窗口的寬度加倍，即寬度變為2A+1,重復步驟⑷直 至呔=妒+aQ
[0039] (6)依次類推，按照步驟(5)的規律改變滑動數據窗口的寬度，更新滑動數據窗口 的內容，直到得到最終的降噪輸出。
[0040] 步驟1采用DB4小波對采集的陀螺儀的輸出信號進行4層分解。
[0041 ]母小波數量越少，小波分解的程度越低，濾波效果越不明顯；反之，母小波數量越 多，小波分解的程度越高，但計算量隨之增大，計算量過大無法滿足實時濾波的要求。分解 層數越少，進行分解的信號頻帶越窄，分解層數過少(如1層或2層)不利于對高頻噪聲進行 有效抑制;反之，分解層數越多，進行分解的信號頻帶越寬，分解層數過多（如8層)不利于保 留信號中有效的低頻分量，會導致重構后的信號帶寬過低。通過反復測試并結合實際要求， 確定采用DB4小波對陀螺進行4層分解。
[0042] 步驟2采用軟閾值法對每個小波系數山,k進行處理的方法表示如下：
[0043]
[0044] 式中，λ為設定的閾值為處理后的小波系數。上面表達式的含義為:將小波系 數山,!^與所選定的閾值λ進行比較，當山>1{的幅值大于等于λ時，等于或-λ的差；當 dj,k的幅值小于λ時，為0。
[0045] 圖2、圖3是進行MATLAB仿真得到的采用本發明所述方法和現有技術中的固定閾值 濾波法對陀螺儀信號降噪的效果對比圖。圖2、圖3分別對應高動態陀螺儀信號和低動態陀 螺儀信號。由圖2、3可知，對于低動態陀螺儀信號，本發明所述方法與固定閾值濾波法的濾 波效果基本一致;而對于高動態陀螺儀信號，本發明所述方法的濾波效果明顯優于固定閾 值濾波法的濾波效果。
[0046] 本發明不限于上述實施方式，本領域技術人員所做出的對上述實施方式任何顯而 易見的改進或變更，都不會超出本發明的構思和所附權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種巧螺儀信號實時小波降噪方法，其特征在于，采用滑動數據窗口，使滑動數據窗 口中的數據始終為最新的一段巧螺儀輸出信號的采集數據，通過對滑動數據窗口內的數據 按照W下步驟進行降噪處理，實現對巧螺儀輸出信號的在線降噪處理： 步驟1，實時采集巧螺儀輸出信號，采用DB小波對采集信號進行分解，得到尺度系數 ap,k，小波系數dj,k，其中，k=l，2,3,…，2P，j = p，p+l，…，k-l，p為分解層數； 步驟2,保持尺度系數ap,k不變，采用軟闊值法對每個小波系數山,k進行處理； 步驟3,根據步驟2處理后的小波分解的尺度系數及小波系數進行信號重構，輸出降噪 數據。2. 根據權利要求1所述的巧螺儀信號實時小波降噪方法，其特征在于，所述滑動數據窗 口的寬度及數據內容的更新方法如下： (1) 時刻寸，不進行降噪處理，直接輸出采集數據ak得到數據序列01，02,… 為降噪處理所需的最小數據量，jo為正整數； (2) 表= 2·^。時刻，對滑動數據窗口內的數據A Α，···，"2,。進行降噪處理，得到皮=2*時刻 的降噪輸出斗 (3) Α = 2^41時刻，將滑動數據窗口內的數據更新為"2，"3,…，"2'。+1'對更新后的滑動數 據窗口內的數據進行降噪處理，得到& = 2^。片時刻的降噪輸出<5。,。+,; (4) 時刻k每增加1，保持滑動數據窗口寬度不變，按照步驟(3)的方法更新滑動數據窗 口的數據，對更新后的數據進行降噪處理，直到A = ; (5) 當A = 2^1" +1時，使滑動數據窗口的寬度加倍，即寬度變為2^+1，重復步驟(4)直到 足=2如+2; (6) 依次類推，按照步驟(5)的規律改變滑動數據窗口的寬度，更新滑動數據窗口的內 容，直到得到最終的降噪輸出。3. 根據權利要求1所述的種巧螺儀信號實時小波降噪方法，其特征在于，步驟1采用DB4 小波對巧螺儀的輸出信號進行4層分解。4. 根據權利要求1所述的巧螺儀信號實時小波降噪方法，其特征在于，步驟2采用軟闊 值法對每個小波系數山,k進行處理的方法表示如下：式中，λ為設定的闊值，為處理后的小波系數。
【文檔編號】G01C21/16GK105973233SQ201610270926
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月27日
【發明人】張國川
【申請人】北斗時空信息技術（北京）有限公司, 張國川