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挠性陀螺EMD-ARIMA漂移模型设计与应用

蔡曜 司玉辉 王玉琢 黄涛 张亚静 杨晓龙

蔡曜,司玉辉,王玉琢,等. 挠性陀螺EMD-ARIMA漂移模型设计与应用[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(11):3434-3444 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0871
引用本文: 蔡曜,司玉辉,王玉琢,等. 挠性陀螺EMD-ARIMA漂移模型设计与应用[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(11):3434-3444 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0871
CAI Y,SI Y H,WANG Y Z,et al. Design and application of EMD-ARIMA drift model for flexible gyro[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(11):3434-3444 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0871
Citation: CAI Y,SI Y H,WANG Y Z,et al. Design and application of EMD-ARIMA drift model for flexible gyro[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(11):3434-3444 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0871

挠性陀螺EMD-ARIMA漂移模型设计与应用

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0871
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:615596667@qq.com

  • 中图分类号: V241.5+59

Design and application of EMD-ARIMA drift model for flexible gyro

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  • 摘要:

    为降低挠性陀螺的漂移率,提高挠性陀螺的精度,基于经验模态分解(EMD)、求和自回归移动平均(ARIMA)2种信号处理工具,提出EMD-ARIMA漂移模型。设计野点剔除算子,避免EMD过程中出现过冲、欠冲问题;对本征模态函数(IMF)辨识进行讨论,制定各阶IMF的使用原则;设计自适应定阶寻优算子,避免依靠技术人员判读自相关图、偏自相关图进行ARIMA建模,实现对多个信号(或多阶IMF)进行EMD-ARIMA建模的批处理功能。将重构的拟合信号和原始信号进行对比。工程实践表明:最终重构的拟合信号较原始信号漂移率降低了12.8%;Allan方差各项误差源均降低,MAPE为3.6×10−3RMSE为5.1×10−3,残差趋于白噪声;漂移模型在挠性陀螺漂移建模中,具有同路重复性、两路一致性、不同个体通用性。

     

  • 图 1  野点剔除算子流程

    Figure 1.  Flow of outlier elimination operator

    图 2  EMD流程

    Figure 2.  Flow of EMD

    图 3  各阶IMF有效信息占比示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of effective information ratio of each order of IMF

    图 4  自适应定阶寻优算子流程

    Figure 4.  Flow of adaptive order optimization operator

    图 5  EMD分解结果

    Figure 5.  Empirical mode decomposition results

    图 6  漂移序列对比

    Figure 6.  Drift sequence comparison

    图 7  Allan方差曲线

    Figure 7.  Allan variance curve

    图 8  实测序列与预测序列的对比

    Figure 8.  Comparison between measured sequence and predicted sequence

    表  1  各阶IMF对应的最优模型

    Table  1.   Optimal models corresponding to each order of IMF

    ${\text{IMF}}$阶数 p d q AIC $ {\phi _1} $ $ {\phi _2} $ $ {\theta _1} $ $ \sigma _\varepsilon ^2 $ $ I_{\mathrm{MF}} $标准差 $ I_{\mathrm{MF}}^{{\mathrm{Fit}}} $标准差 MAPE RMSE
    1 1 0 1 −12.9 −0.82 0 −1.00 2.4×10−6 1.6×10−3 1.2×10−5 1.2 1.6×10−3
    2 2 0 0 −15.4 1.72 −0.88 0 2.1×10−7 2.4×10−3 5.3×10−4 2.4 2.5×10−3
    3 2 0 0 −18.5 1.95 −0.99 0 9.0×10−9 3.1×10−3 2.6×10−3 5.2 3.4×10−3
    4 2 0 0 −22.4 1.99 −1.00 0 1.8×10−10 3.0×10−3 2.9×10−3 2.5×10−1 2.3×10−3
    5 2 1 0 −32.3 2.00 −1.00 0 9.7×10−15 2.0×10−3 1.7×10−3 1.3 5.2×10−4
    6 2 1 0 −37.4 2.00 −1.00 0 5.8×10−17 1.9×10−3 1.9×10−3 1.5×10−1 9.9×10−5
    7 2 0 0 −33.9 2.00 −1.00 0 1.8×10−15 1.7×10−3 1.7×10−3 5.1×10−2 1.3×10−5
    8 2 1 0 −47.6 2.00 −1.00 0 2.1×10−21 2.4×10−3 2.4×10−3 3.9×10−3 2.4×10−6
    9 2 1 0 −54.4 2.00 −1.00 0 2.3×10−24 2.4×10−3 2.4×10−3 1.3×10−4 9.7×10−8
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    表  2  量化对比汇总表

    Table  2.   Summary of quantitative comparison table

    序列 标准差/
    10−3mV
    漂移率/
    ((°)·h−1)
    零偏不稳定性/
    ((°)·h−1)
    角速率游走/
    ((°)·h−3/2)
    速率斜坡/
    ((°)·h−2)
    MAPE RMSE
    原始序列 7.8 0.78 20.5 1960 271000
    AR(1)模型拟合序列 2.2 0.22 5.0 468 64900 4.9×10−3 7.1×10−3
    AR(2)模型拟合序列 2.3 0.23 5.3 487 67500 4.9×10−3 7.0×10−3
    EMD-ARIMA漂移序列 6.8 0.68 18.1 1020 75300 3.6×10−3 5.1×10−3
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    表  3  实测序列与预测序列的量化对比汇总

    Table  3.   Summary of quantitative comparison between measured and predicted sequences

    序列 均值/mV 标准差/mV 漂移率/((°)·h−1) 零偏不稳定性/
    ((°)·h−1)
    角速率游走/
    ((°)·h−3/2
    速率斜坡/
    ((°)·h−2
    MAPE RMSE
    实测序列 1.115 6.86×10−3 0.686 22.8 1990 276000
    预测序列 1.121 2.84×10−3 0.284 3.71 151 9300 6.5×10−3 9.0×10−3
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    表  4  EMD-ARIMA漂移模型信息汇总

    Table  4.   Summary of EMD-ARIMA drift model information

    小时数 IMF总阶数 IMF阶数 p d q $ {\phi _1} $ $ {\phi _2} $ $ {\theta _1} $ $ {\theta _2} $ $ {\theta _3} $ $ \sigma _\varepsilon ^2 $
    第2小时81203−0.50−0.75−0.53−0.590.302.3×10−6
    22001.75−0.880002.3×10−7
    32001.95−0.990008.7×10−9
    42001.99−1.000002.0×10−10
    52102.00−1.000007.7×10−15
    62102.00−1.000001.9×10−17
    72102.00−1.000001.1×10−19
    82102.00−1.000001.2×10−22
    第3小时811010.7200.81002.8×10−6
    22001.73−0.860002.9×10−7
    32001.95−0.990009.9×10−9
    42001.99−1.000001.6×10−10
    52102.00−1.000009.3×10−15
    62102.00−1.000002.7×10−17
    72102.00−1.000002.5×10−20
    82002.00−1.000002.1×10−18
    第4小时911010.7000.82002.7×10−6
    22001.75−0.860002.8×10−7
    32001.96−0.990001.2×10−8
    42101.99−1.000003.1×10−12
    52102.00−1.000007.5×10−15
    62102.00−1.000008.7×10−18
    72102.00−1.000004.3×10−20
    82102.00−1.000002.4×10−22
    92102.00−1.000007.1×10−27
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    表  5  220024#Y路EMD-ARIMA漂移模型

    Table  5.   220024# Y-channel EMD-ARIMA drift model

    小时数 IMF总阶数 IMF阶数 p d q $ {\phi _1} $ $ {\phi _2} $ $ {\theta _1} $ $ {\theta _2} $ $ {\theta _3} $ $ \sigma _\varepsilon ^2 $
    1 8 1 1 0 3 −0.83 0 −0.82 0.46 0.32 2.8×10−6
    2 2 0 0 1.77 −0.91 0 0 0 2.4×10−7
    3 2 0 0 1.96 −0.99 0 0 0 5.7×10−9
    4 2 0 0 1.99 −1.00 0 0 0 1.2×10−10
    5 2 1 0 2.00 −1.00 0 0 0 3.2×10−15
    6 2 1 0 2.00 −1.00 0 0 0 6.2×10−18
    7 2 0 0 2.00 −1.00 0 0 0 6.5×10−16
    8 2 1 0 2.00 −1.00 0 0 0 5.6×10−23
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    表  6  210073#X路EMD-ARIMA漂移模型

    Table  6.   210073# X-channel EMD-ARIMA drift model

    小时数 IMF总阶数 IMF阶数 p d q $ {\phi _1} $ $ {\phi _2} $ $ \sigma _\varepsilon ^2 $
    1 10 1 2 0 0 0.05 −0.19 2.2×10−5
    2 2 0 0 1.70 −0.84 3.0×10−6
    3 2 0 0 1.94 −0.98 1.1×10−7
    4 2 0 0 1.99 −1.00 1.7×10−9
    5 2 1 0 2.00 −1.00 4.4×10−3
    6 2 0 0 2.00 −1.00 5.8×10−3
    7 2 0 0 2.00 −1.00 7.3×10−15
    8 2 0 0 2.00 −1.00 2.2×10−16
    9 2 0 0 2.00 −1.00 4.8×10−17
    10 2 1 0 2.00 −1.00 6.0×10−24
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-30
  • 录用日期:  2022-12-30
  • 网络出版日期:  2023-02-27
  • 整期出版日期:  2024-11-30

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