CN108592909A - 基于插值的光纤陀螺平滑滤波异步通信数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于插值的光纤陀螺平滑滤波的异步通信数据传输方法，属于惯性测量单元的信号处理领域。本发明包括：光纤陀螺判断是否接受到导航计算机发来的外部触发信号，若未接收到，光纤陀螺内部定时触发，在每个定时周期内对光纤陀螺的闭环输出数据进行高频采样，将采样值累加输出给导航计算机；若接收到，在导航计算机的每个采样周期内，对光纤陀螺的闭环输出数据进行高频采样，将采样值累加输出给导航计算机。本发明通过高速插值，减小了由于时钟不同步、采样率不同、τ值漂移、导航计算机采样频率抖动带来的数据误差和光纤陀螺标度因数误差。
Description
技术领域
本发明属于惯性测量单元的信号处理领域，涉及一种适用于光纤陀螺的异步通信数据传输方法，更特别地说，是指一种基于插值的光纤陀螺平滑滤波异步通信数据传输方法。
背景技术
惯性测量单元是导航、制导和控制系统的核心，主要由陀螺传感器和加速度计传感器组成。在陀螺传感器中，干涉式闭环光纤陀螺已在航空航天和武器系统中得到了广泛应用，其基本原理是Sagnac效应，即沿闭合光路相向传播的光波返回到起始点干涉后，干涉信号的相位差正比于闭合光路敏感轴的输入角速度。
目前的干涉型光纤陀螺信号检测算法中，每隔一个τ，闭环输出一个数据，再根据导航计算机设定的采样周期T，将采样窗口内的数据累加形成输出。τ为光通过整个光纤线圈的传输时间，一般为μs级。但由于工程实际中光纤陀螺与导航计算机各自生产调试，时钟晶振一般不同，即使二者使用相同的时钟晶振，温度等外界因素引起的晶振漂移、抖动等也将导致二者产生时间上的同步误差，即陀螺和导航计算机时钟异步，输出数据无法达到完全的时钟同步；且光纤陀螺与导航计算机采样率不同，导航计算机根据实际需求自行设定数据采样率，一般几ms输出一次角速度信息，这样就造成了导航计算机采样率和光纤陀螺采样率存在非整数倍关系；再加上实际工程中导航计算机在某一姿态下的标称频率会产生一定的抖动，实际绕环工艺、温度等外界因素影响，使τ值发生漂移等，以上众多因素导致导航计算机不同的采样周期内对应的光纤陀螺输出数据个数不同。
如图1所示，gx、gy、gz三条横线分别代表三个轴(X轴、Y轴和Z轴)光纤陀螺的输出时序，线上每一个节点表示闭环输出数据的时刻，每相邻两个时间点的间隔为τ，tk、tk+1、tk+2、tk+3表示导航计算机定时采样时刻，在tk至tk+1内导航计算机采样频率发生抖动，采样周期变为T+Δt，tk+1至tk+2和tk+2至tk+3采样周期均为T，以Z轴为例，在tk至tk+1和tk+1至tk+2内各有三个输出数据，而在tk+2至tk+3内仅有两个输出数据，如果再考虑τ值的漂移，更加增大了输出的不确定性。
由此可以看出，在现有的检测算法下，一个τ输出一个闭环数据，累加数据量较小，在时钟异步、光纤陀螺与导航计算机采样率不同、τ值漂移和导航计算机采样频率抖动时，闭环数据累加个数差异将使不同采样周期的输出和光纤陀螺标度因数产生误差。
综上所述，对于工程实际中的捷联惯性测量组合，时钟的不同步、采样率的不同、τ值的漂移、导航计算机的采样频率抖动将导致光纤陀螺标度因数和输出数据产生误差，进而导致对载体的姿态解算产生误差。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种基于插值的光纤陀螺平滑滤波异步通信数据传输方法，用于惯性测量单元中光纤陀螺与导航计算机间数据的传输，将导航计算机各采样周期内对应的光纤陀螺输出数据多次插值后传输给导航计算机，通过高速插值，降低了时钟异步、采样率不同、τ值漂移、导航计算机采样频率抖动引起的数据误差和标度因数误差。
本发明提供的基于插值的光纤陀螺平滑滤波异步通信数据传输方法，具体实现步骤包括：
步骤一、光纤陀螺判断是否接受到外部触发信号，若未接收到，执行步骤二；若接收到，执行步骤三。
步骤二、光纤陀螺根据自身时钟定时，对各定时信号周期内的光纤陀螺的闭环输出数据采用高频采样时钟f进行连续采样，形成滤波窗口内插值；对一个周期内的多次采样值累加，直到下一定时信号到来，将累加值存入累加值寄存器中，执行步骤四，并将原累加值清零并开始新一周期的累加。
步骤三：光纤陀螺检测到外部触发信号后，在导航计算机一个采样周期内，对光纤陀螺的闭环输出数据采用高频采样时钟f进行连续采样，形成滤波窗口内插值；对一个采样周期内的多次采样值累加，直到接收到下一个外部触发信号，将累加值存入累加值寄存器中，执行第四步，并将原累加值清零开始新一轮的累加。
步骤四、将累加值寄存器中存入的累加值数据传输给导航计算机。
所述的步骤二和步骤三中所述的高频采样时钟f的设置规则为：f＝k*F，其中，F为光纤陀螺的输出采样率，k为插值比例，为大于1的整数。
所述的插值比例k，根据光纤陀螺输出采样率F和导航计算机定时间隔进行调整，减小标度因数误差。
相对于现有技术，本发明的光纤陀螺异步通信数据传输方法优点和积极效果在于：
1、采用高速插值，和变滑窗滤波一样，不会丢失角速率信息；
2、采用固定平均值，无需对累加次数进行精确计数并除以累加次数，不涉及除法运算，简化了程序设计，尤其是在不方便做除法的FPGA处理器中容易实现且不会引入新的误差；
3、高速插值比例可以根据光纤输出采样率、导航计算机定时间隔计算并灵活调整；
4、可根据导航计算机有无触发信号，实现了数据盲发或外部触发信号下数据发送；
5、有效减小由于时钟的不同步、采样率的不同、τ值的漂移、导航计算机采样频率抖动带来的数据误差和光纤陀螺标度因数误差。
附图说明
图1是光纤陀螺与导航计算机异步通信的示意图；
图2是本发明基于插值的光纤陀螺平滑滤波异步通信数据传输方法的整体流程图；
图3是本发明在导航计算机无触发信号时光纤陀螺数据盲发的时序图；
图4是本发明在导航计算机有触发信号时光纤陀螺数据发送的时序图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种基于插值的光纤陀螺平滑滤波异步通信数据传输方法，对应所实现的滤波器模块在光纤陀螺或导航计算机的中心处理器中实现，FPGA((Field-ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)芯片、DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片或者是单片机都可以作为中心处理器。
本发明可根据导航计算机的具体需求使光纤陀螺进行定时主体的切换，当光纤陀螺使用自身时钟定时时，此时导航计算机不存在触发信号，定时信号周期内的闭环数据插值处理后盲发送给导航计算机；当光纤陀螺根据导航计算机的时钟定时时，此时导航计算机存在触发信号，滤波滑窗内数据插值处理后再传输给导航计算机。
以某一实际应用的光纤陀螺为例，其原有的输出采样率为300kHz，即τ≈3.33us，导航计算机定时间隔为2.5ms。在现有算法中，光纤陀螺每间隔τ输出一次数据，在定时窗口内作累加计算，则在该窗口内，光纤陀螺可以累加300KHz*2.5ms＝750个数据。假设由于异步或各种因素导致的累计差异最小为1个采样点，则此时该误差导致的标度因数误差为1/(300k*2.5ms)＝1333ppm。此时如果利用本发明进行高速插值，假设插值比例为100，即高频采样时钟频率为300KHz*100＝30MHz，则在该定时窗口内可以有750*100个数据累加，则1个采样点的误差对应的标度因数误差下降为1333ppm/100＝13.33ppm，接近或低于光路波长变化、温度引起的几何尺寸变化引起的标度因数误差。上述过程等效于一个输出平滑滤波器。
以FPGA芯片作为中心处理器来处理数据为例来说明本发明提供的异步通信数据传输方法。具体执行以下步骤：
第一步：光纤陀螺判断是否接收到导航计算机的触发信号，如图2所示，若未接收到外部触发信号，光纤陀螺根据自身时钟定时，在定时周期内对闭环数据进行处理，执行第二步；若有外部触发信号，则根据该外部触发信号进行滑窗内闭环数据处理，执行第三步。
第二步：无外部触发信号，如图3所示：光纤陀螺根据自身时钟产生一个固定周期为T的内部定时信号，检测到定时信号后，将定时信号周期内的光纤陀螺的闭环输出数据采用一个高频采样时钟频率f1进行连续采样形成滤波窗口内插值，将多次采样值累加得到累加值；在光纤陀螺自身的下一定时信号到来后，将当前周期得到的累加值存入累加值寄存器中，原累加值清零并开始新一周期的采样值累加，每一周期存入累加值后执行第四步。图3中T为光纤陀螺内部定时信号的周期，τ为光纤陀螺闭环输出数据的周期，Nq，Nq+1，Nq+2，Nq+3……为相应定时周期内的闭环数据插值的累加和。
频率f1设置为k*F，其中，F为光纤陀螺的输出采样率，k为插值比例，为大于1的整数。插值比例k可以根据光纤陀螺输出采样率F和导航计算机定时间隔t来进行灵活调整，如上面例子所述，目的是减小标度因数误差。
第三步：有外部触发信号，如图4所示：光纤陀螺检测到外部触发信号后，在导航计算机的采样窗口内，将光纤陀螺的闭环输出数据用高频采样频率f2进行连续采样形成滑窗内插值，将采样值累加得到累加值；在导航计算机的下一触发信号到来时，将累加值存入累加值寄存器，并将原累加值清零开始新一轮的累加，并执行第四步。图中T为光纤陀螺内部定时信号的周期，τ为光纤陀螺闭环输出数据的周期，Nq,Nq+1,Nq+2，Nq+3……为相应定时周期内的闭环数据插值的累加和。
所述的高频采样频率f2和f1的设置规则一样，根据实际需要来计算设置。
第四步：将累加值寄存器中存入的累加值传输给导航计算机。
Claims (3)
1.一种基于插值的光纤陀螺平滑滤波异步通信数据传输方法，包括：导航计算机定时产生外部触发信号给光纤陀螺；其特征在于，光纤陀螺执行如下步骤：
步骤一、光纤陀螺判断是否接受到所述的外部触发信号，若未接收到，执行步骤二；若接收到，执行步骤三；
步骤二、光纤陀螺根据自身时钟定时，对各定时信号周期内的光纤陀螺的闭环输出数据采用高频采样时钟f进行连续采样，形成滤波窗口内插值；对一个周期内的多次采样值累加，直到下一定时信号到来，将累加值存入累加值寄存器中，执行步骤四，并将原累加值清零并开始新一周期的累加；
所述的频率f设置为k*F，其中，F为光纤陀螺的输出采样率，k为插值比例，为大于1的整数；
步骤三：光纤陀螺检测到外部触发信号后，在导航计算机一个采样周期内，对光纤陀螺的闭环输出数据采用高频采样时钟f进行连续采样，形成滤波窗口内插值；对一个采样周期内的多次采样值累加，直到接收到下一个外部触发信号，将累加值存入累加值寄存器中，执行第四步，并将原累加值清零开始新一轮的累加；
第四步：将累加值寄存器中存入的累加值传输给导航计算机。
2.根据权利要求1所述的基于插值的光纤陀螺平滑滤波异步通信数据传输方法，其特征在于，所述的插值比例k，根据光纤陀螺输出采样率F和导航计算机定时间隔进行调整，减小标度因数误差。
3.根据权利要求1或2所述的基于插值的光纤陀螺平滑滤波异步通信数据传输方法，其特征在于，所述的方法实现的滤波器模块在光纤陀螺或导航计算机的中心处理器中，中心处理器选择FPGA处理器芯片、DSP处理器芯片或单片机；FPGA代表现场可编程门阵列，DSP代表数字信号处理。
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