CN111879348A - 一种惯性仪表性能地面测试系统效能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种惯性仪表性能地面测试系统效能分析方法，属于一种惯性仪表性能地面测试系统效能分析方法技术领域。本发明通过选择相似元，根据误差激励需求，拆分成角度激励、速度激励、加速度激励、振动激励、温度激励、湿度激励、磁场激励和电场激励，将分系统与实际情况的相似程度作为相似元；然后确定相似元的值，确定权系数然后计算仿真系统的相似度。本发明提供的评估方法原理清晰、计算简单，具有比较广泛的适用范围，可以为其他仿真系统的效能分析提供参考借鉴。

Description

一种惯性仪表性能地面测试系统效能分析方法

技术领域

本发明涉及一种惯性仪表性能地面测试系统效能分析方法，属于惯性测试技 术领域。

背景技术

惯性仪表可以不依赖于GPS、北斗等实现自主导航定位，在航空、航天、 航海、舰艇等领域有着广泛的应用，关系国计民生。惯性仪表包含光、机、 电、液、气、磁等多种高精密元件，在实际系统中工作时除了要承受过载、振 动、冲击等作用，还将受到温度场、压力场、电场、磁场和重力场等环境扰动 因素的影响，其误差形成机理十分复杂。惯性仪表的性能指标是空间和时间的 函数，研究惯性仪表的稳定性、重复性的机理显得非常重要。如果没有先进的 测试技术体系作为基础支撑，就不可能深刻地认识和理解惯性仪表误差的产生机理，无法准确、客观、全面地评估仪表的性能，难以对仪表的研制、生产和 使用提供切实可行的指导。

因此惯性仪表的地面测试在其研制、使用过程中的作用显得格外重要，而 地面仿真测试的一个关键问题是，如何确定地面仿真试验效能，也就是地面测 试结果在多大程度上说明惯性仪表在实际运行中的情况，也称为“天地一致 性”验证问题。

王常虹等在《惯性仪表测试技术的发展现状与趋势》(《导航与控制》，2017 年16卷，第4期，90-93页)分析了惯性仪表测试技术的囯内外发展现状，讨论了 几种典型的试验方法及存在的问题，但其中提及的方法及相关论文中并没有给 出测试效能分析的方法。

王世明在其论文“基于离心机的惯性仪表测试方法研究与误差分析”(哈尔 滨工业大学博士学位论文，2014年)中进行了惯性仪表的标定方法研究，包括陀 螺加速度计，石英加速度计(含惯性组合中的加速度计)以及单自由度陀螺仪等 的高阶项误差模型系数的标定方法，并分析各离心机误差对于误差模型系数标 定精度的影响，目的是提高惯导系统的精度，但其中没有设计测试效能的分 析。

通过查阅文献，并没有查到关于惯性仪表测试设备或方法的效能分析的相 关文献。本发明的目的为提出一种惯性仪表地面测试系统效能分析方法，根据 仿真系统可信度理论，研究角度激励、速度激励、加速度激励、温度激励、湿 度激励、振动激励、磁场激励、电场激励等子激励系统的可信度，综合计算得 到惯性仪表仿真测试系统的整体可信度，对惯性仪表地面仿真测试系统的效能 进行评估。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种惯性仪 表性能地面测试系统效能分析方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种惯性仪表性能地面测试系统效能分析方法，包括以下步骤：

步骤一：选择相似元

根据惯性仪表测试中的误差激励需求，拆分成角度激励、速度激励、加速度 激励、振动激励、温度激励、湿度激励、磁场激励和电场激励的子激励系统的可 信度，评价地面仿真系统与实际运行状况的相似度，通过上述分系统与实际运行 工作情况的相似程度来确定，所以选择上述分系统与实际情况的相似程度作为相 似元；

步骤二：确定相似元的值

确定每个分系统，即角度激励、速度激励、加速度激励、振动激励、温度激 励、湿度激励、磁场激励和电场激励的相似元的值：

步骤三：确定权系数

根据系统各相似元对测试结果的影响程度分析，采用基于专家咨询法的各相 似元的权重确定方法，

专家咨询法利用k位专家的经验和知识来确定n个指标的权重 β_i(i＝1,2,…n)，由于对系统的认识程度不同，可能出现未认知的因素或环节， 将未认知到的其他所有可能因素视作第n+1个因素，其相似元的值记为Qn+1， 权重为βn+1，鉴于此因素未知，对于测试效能发挥的影响程度也未知，故折中 选取相似元的值为Qn+1＝0.5，通过专家咨询法确定权重βn+1；

在上面分析之后，还要对各个相似元进行归一标准化，采用公式

向量归一法需要评估值都大于等于0，标准化后的值在0和1 之间，并且

其中，x_ij表示归一化前的各相似元的值，y_ij表示归一化后的相似元的值，i 表示第i个分系统，m表示系统的分系统数量，j表示该分系统第j个子系统，ij 表示第i个分系统的第j个子系统；

步骤四：计算仿真系统的相似度

由于系统间对应的元素看成相似元，则相似度为：

其中，β_i表示第i个分系统对应相似元的权重，Q_i表示第i个分系统对应 相似元的值，对于分系统中拥有子系统的Q_i的值计算方式为：由专家确定各子 系统权重系数β_ij并将其与对应的子系统相似元Q_ij相乘并求和，其中，i表示第 i个分系统，j表示分系统中第j个子系统；由此得到仿真系统的相似度Q。

本发明的有益效果为：

本发明能够实现惯性仪表地面测试系统效能分析，并且从角度激励、速度激 励、加速度激励、振动激励、温度激励、湿度激励、磁场激励、电场激励以及位 置因素影响等多方面进行可信度的定量分析，全面、定量化。

本发明提供一种惯性仪表地面测试系统效能分析方法，将效能评估问题转化 为相似度问题，从角度激励、速度激励、加速度激励、振动激励、温度激励、湿 度激励、磁场激励、电场激励以及位置因素影响等多方面定量分析“天地一致性” 问题，基于可信度理论，客观量化分析测试系统的可信度。本发明提供的评估方 法原理清晰、计算简单，具有比较广泛的适用范围，可以为其他仿真系统的效能 分析提供参考借鉴。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本实施例所涉及的一种惯性仪表性能地面测试系统效能分析方法，包括以下 步骤：

步骤一：选择相似元

根据惯性仪表测试中的误差激励需求，拆分成角度激励、速度激励、加速度 激励、振动激励、温度激励、湿度激励、磁场激励和电场激励的子激励系统的可 信度，评价地面仿真系统与实际运行状况的相似度，通过上述分系统与实际运行 工作情况的相似程度来确定，所以选择上述分系统与实际情况的相似程度作为相 似元；

步骤二：确定相似元的值

确定每个分系统相似元的值：

(2.1)角度激励

主要考虑精度的影响，采用下述公式确定其相似元的值：

Q₁(x)＝1-e^-0.047x

其中，x为角度激励的精度与惯性仪表精度的比值倍数，Q₁(x)为角度激励相 似元的值；

(2.2)速度激励

主要考虑速度的覆盖范围、精度因素的影响，采用下述公式确定其相似元的 值：

1)覆盖范围：

Q₂₁(x)＝1-e^-0.049x

其中，x表示转台的速度范围占惯性仪表范围的百分比，Q₂₁(x)为速度激励 覆盖范围相似元的值；

2)速度精度：

其中，x表示速度精度，Q₂₂(x)为速度激励速度精度相似元的值；

(2.3)加速度激励

主要考虑速度的覆盖范围、精度因素的影响，采用下述公式确定其相似元的 值：

1)覆盖范围：

Q₃₁(x)＝1-e^-0.039x

其中，x表示加速度范围占惯性仪表范围的百分比，Q₃₁(x)为加速度激励覆 盖范围相似元的值；

2)加速度精度：

其中，x表示加速度精度，Q₃₂(x)为加速度激励加速度精度相似元的值；

(2.4)振动激励

同理，主要考虑振动激励的范围和精度，确定该相似元的值；

1)覆盖范围：

Q₄₁(x)＝1-e^-0.05x

其中，x表示振动激励范围占惯性仪表范围的百分比，Q₄₁(x)为振动激励覆 盖范围相似元的值；

2)振动精度：

其中，x表示振动激励精度，Q₄₂(x)为振动激励振动精度相似元的值；

(2.5)温度激励

同理，主要考虑温度激励的范围和精度，以及温度变化与实际工作情况的相 似程度，从而确定该相似元的值；

1)覆盖范围：

Q₅₁(x)＝1-e^-0.055x

其中，x表示温度激励范围占惯性仪表范围的百分比，Q₅₁(x)为温度激励覆 盖范围相似元的值；

2)温度精度：

其中，x表示温度激励精度，Q₅₂(x)为温度激励温度精度相似元的值；

(2.6)湿度激励

同理，主要考虑湿度激励的范围和精度，从而确定该相似元的值；

1)覆盖范围：

Q₆₁(x)＝1-e^-0.045x

其中，x表示湿度激励范围占惯性仪表范围的百分比，Q₆₁(x)为湿度激励覆 盖范围相似元的值；

2)湿度精度：

其中，x表示湿度激励精度，Q₆₂(x)为湿度激励湿度精度相似元的值；

(2.7)磁场激励

同理，主要考虑磁场激励的范围和精度，以及磁场变化与实际工作情况的相 似程度，从而确定该相似元的值；

1)覆盖范围：

Q₇₁(x)＝1-e^-0.05x

其中，x表示磁场激励范围占惯性仪表范围的百分比，Q₇₁(x)为磁场激励覆 盖范围相似元的值；

2)磁场精度：

其中，x表示磁场激励精度，Q₇₂(x)为磁场激励磁场精度相似元的值；

(2.8)电场激励

同理，主要考虑电场激励的范围和精度，确定该相似元的值；

1)覆盖范围：

Q₈₁(x)＝1-e^-0.052x

其中，x表示电场激励范围占惯性仪表范围的百分比，Q₈₁(x)为电场激励覆 盖范围相似元的值；

2)电场精度：

其中，x表示电场激励精度，Q₈₂(x)为电场激励精度相似元的值；

步骤三：确定权系数

根据系统各相似元对测试结果的影响程度分析，采用基于专家咨询法的各相 似元的权重确定方法，

专家咨询法的具体过程为:

1)确定专家组；挑选出k位适合的专家，组成一个专家组；

2)确定评估问题；根据要评估的问题，设计出调查问卷，如n个指标的权 重问题；

3)向专家发放调查问卷，然后收集专家建议，确定各个指标的权重值，通 常对专家给出的权重值进行归一化后取均值；

4)如果专家意见不一致，则将专家的上一次所得出的结果返回给专家，让 专家组再次调整，重复该步骤2-3次，或者直到专家之间意见基本一致，从而得 到最终的指标权重值。

专家咨询法利用k位专家的经验和知识来确定n个指标的权重 β_i(i＝1,2,…n)，由于对系统的认识程度不同，可能出现未认知的因素或环节， 将未认知到的其他所有可能因素视作第n+1个因素，其相似元的值记为Qn+1， 权重为βn+1，鉴于此因素未知，对于测试效能发挥的影响程度也未知，故折中 选取相似元的值为Qn+1＝0.5，通过专家咨询法确定权重βn+1；

在上面分析之后，还要对各个相似元进行归一标准化，采用公式

向量归一法需要评估值都大于等于0，标准化后的值在0和1 之间，并且

其中，x_ij表示归一化前的各相似元的值，y_ij表示归一化后的相似元的值，i 表示第i个分系统，m表示系统的分系统数量，j表示该分系统第j个子系统，ij 表示第i个分系统的第j个子系统；

步骤四：计算仿真系统的相似度

由于系统间对应的元素看成相似元，则相似度为：

其中，β_i表示第i个分系统对应相似元的权重，Q_i表示第i个分系统对应 相似元的值，对于分系统中拥有子系统的Q_i的值计算方式为：由专家确定各子 系统权重系数β_ij并将其与对应的子系统相似元Q_ij相乘并求和，其中，i表示第 i个分系统，j表示分系统中第j个子系统；由此得到仿真系统的相似度Q。

实施例1

假定某一测试系统，单纯考虑角度激励和角速度激励，测试系统的角度精度0.0001°，已知待测惯性仪表角度精度0.0005°，速度范围0-20°/s，测试系统的 速度范围0-30°/s，速度精度0.0005，根据上文，可知：

对于角度激励：x＝0.0005/0.0001＝5，Q₁(x)＝1-e^-0.47x＝1-e^-0.47×5＝0.9

对于速度激励：Q₂₁(x)＝1-e^-0.49x＝1-e^{-0.49×(30/20)}＝0.52

Q₂₂(x)＝Q₂₂(0.0005)＝0.5

据专家确定权重系数β₂₁＝0.2和β₂₂＝0.8，并且应用前面的公式计算出该分系 统对应的总的相似元的值，Q₂＝β₂₁Q₂₁+β₂₂Q₂₂＝0.51。

再根据专家确定的权重系数β₁＝0.55和β₂＝0.45，并且应用前面的公式计算 出测试系统总的效能：Q＝β₁Q₁+β₂Q₂＝0.72

因此上述分系统包括角度激励、速度激励、加速度激励、振动激励、温度激 励、湿度激励、磁场激励和电场激励，每个分系统的相似元记为Q_i，对于分系统 又包含子系统的，需要分解成Q_i1，Q_i2，Q_i3等，对于分系统中拥有子系统的Q_i的 值计算方式为：由专家确定各子系统权重系数β_ij并将其与对应的子系统相似元 Q_ij相乘并求和，计算出该分系统对应的总的相似元的值，这样每个分系统都有 相似元的值、权重系数之后，再根据步骤四的公式

计算大系统的相 似度。

也就是说，上述分析过程，可以针对子系统求对应其上一级分系统的相似元， 也可以针对分系统求对应上一级大系统的相似度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本 发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书 的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种惯性仪表性能地面测试系统效能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选择相似元

根据惯性仪表测试中的误差激励需求，拆分成角度激励、速度激励、加速度激励、振动激励、温度激励、湿度激励、磁场激励和电场激励的子激励系统的可信度，评价地面仿真系统与实际运行状况的相似度，通过上述分系统与实际运行工作情况的相似程度来确定，所以选择上述分系统与实际情况的相似程度作为相似元；

步骤二：确定相似元的值

确定每个分系统相似元的值：

(2.1)角度激励

主要考虑精度的影响，采用下述公式确定其相似元的值：

Q₁(x)＝1-e^-0.047x

其中，x为角度激励的精度与惯性仪表精度的比值倍数，Q₁(x)为角度激励相似元的值；

(2.2)速度激励

主要考虑速度的覆盖范围、精度因素的影响，采用下述公式确定其相似元的值：

1)覆盖范围：

Q₂₁(x)＝1-e^-0.049x

其中，x表示转台的速度范围占惯性仪表范围的百分比，Q₂₁(x)为速度激励覆盖范围相似元的值；

2)速度精度：

其中，x表示速度精度，Q₂₂(x)为速度激励速度精度相似元的值；

(2.3)加速度激励

主要考虑速度的覆盖范围、精度因素的影响，采用下述公式确定其相似元的值：

1)覆盖范围：

Q₃₁(x)＝1-e^-0.039x

其中，x表示加速度范围占惯性仪表范围的百分比，Q₃₁(x)为加速度激励覆盖范围相似元的值；

2)加速度精度：

其中，x表示加速度精度，Q₃₂(x)为加速度激励加速度精度相似元的值；

(2.4)振动激励

同理，主要考虑振动激励的范围和精度，确定该相似元的值；

1)覆盖范围：

Q₄₁(x)＝1-e^-0.05x

其中，x表示振动激励范围占惯性仪表范围的百分比，Q₄₁(x)为振动激励覆盖范围相似元的值；

2)振动精度：

其中，x表示振动激励精度，Q₄₂(x)为振动激励振动精度相似元的值；

(2.5)温度激励

同理，主要考虑温度激励的范围和精度，以及温度变化与实际工作情况的相似程度，从而确定该相似元的值；

1)覆盖范围：

Q₅₁(x)＝1-e^-0.055x

其中，x表示温度激励范围占惯性仪表范围的百分比，Q₅₁(x)为温度激励覆盖范围相似元的值；

2)温度精度：

其中，x表示温度激励精度，Q₅₂(x)为温度激励温度精度相似元的值；

(2.6)湿度激励

同理，主要考虑湿度激励的范围和精度，从而确定该相似元的值；

1)覆盖范围：

Q₆₁(x)＝1-e^-0.045x

其中，x表示湿度激励范围占惯性仪表范围的百分比，Q₆₁(x)为湿度激励覆盖范围相似元的值；

2)湿度精度：

其中，x表示湿度激励精度，Q₆₂(x)为湿度激励湿度精度相似元的值；

(2.7)磁场激励

同理，主要考虑磁场激励的范围和精度，以及磁场变化与实际工作情况的相似程度，从而确定该相似元的值；

1)覆盖范围：

Q₇₁(x)＝1-e^-0.05x

其中，x表示磁场激励范围占惯性仪表范围的百分比，Q₇₁(x)为磁场激励覆盖范围相似元的值；

2)磁场精度：

其中，x表示磁场激励精度，Q₇₂(x)为磁场激励磁场精度相似元的值；

(2.8)电场激励

同理，主要考虑电场激励的范围和精度，确定该相似元的值；

1)覆盖范围：

Q₈₁(x)＝1-e^-0.052x

其中，x表示电场激励范围占惯性仪表范围的百分比，Q₈₁(x)为电场激励覆盖范围相似元的值；

2)电场精度：

其中，x表示电场激励精度，Q₈₂(x)为电场激励精度相似元的值；

步骤三：确定权系数

根据系统各相似元对测试结果的影响程度分析，采用基于专家咨询法的各相似元的权重确定方法，

专家咨询法利用k位专家的经验和知识来确定n个指标的权重β_i(i＝1,2,…n)，由于对系统的认识程度不同，可能出现未认知的因素或环节，将未认知到的其他所有可能因素视作第n+1个因素，其相似元的值记为Qn+1，权重为βn+1，鉴于此因素未知，对于测试效能发挥的影响程度也未知，故折中选取相似元的值为Qn+1＝0.5，通过专家咨询法确定权重βn+1；

在上面分析之后，还要对各个相似元进行归一标准化，采用公式

向量归一法需要评估值都大于等于0，标准化后的值在0和1之间，并且

其中，x_ij表示归一化前的各相似元的值，y_ij表示归一化后的相似元的值，i表示第i个分系统，m表示系统的分系统数量，j表示该分系统第j个子系统，ij表示第i个分系统的第j个子系统；

步骤四：计算仿真系统的相似度

由于系统间对应的元素看成相似元，则相似度为：

其中，β_i表示第i个分系统对应相似元的权重，Q_i表示第i个分系统对应相似元的值，对于分系统中拥有子系统的Q_i的值计算方式为：由专家确定各子系统权重系数β_ij并将其与对应的子系统相似元Q_ij相乘并求和，其中，i表示第i个分系统，j表示分系统中第j个子系统；由此得到仿真系统的相似度Q。

2.根据权利要求1所述的一种惯性仪表性能地面测试系统效能分析方法，其特征在于，所述步骤三中，专家咨询法的具体过程为:

1)确定专家组；挑选出k位适合的专家，组成一个专家组；

2)确定评估问题；根据要评估的问题，设计出调查问卷，如n个指标的权重问题；

3)向专家发放调查问卷，然后收集专家建议，确定各个指标的权重值，通常对专家给出的权重值进行归一化后取均值；

4)如果专家意见不一致，则将专家的上一次所得出的结果返回给专家，让专家组再次调整，重复该步骤2-3次，或者直到专家之间意见基本一致，从而得到最终的指标权重值。