DE10340793A1 - Verfahren zur rechnerischen Ermittlung systematischer Fehler von prozessierten Zeitreihen-Messdaten - Google Patents

Verfahren zur rechnerischen Ermittlung systematischer Fehler von prozessierten Zeitreihen-Messdaten Download PDF

Info

Publication number
DE10340793A1
DE10340793A1 DE2003140793 DE10340793A DE10340793A1 DE 10340793 A1 DE10340793 A1 DE 10340793A1 DE 2003140793 DE2003140793 DE 2003140793 DE 10340793 A DE10340793 A DE 10340793A DE 10340793 A1 DE10340793 A1 DE 10340793A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
error
data
processing
noise
autocovariance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE2003140793
Other languages
English (en)
Other versions
DE10340793B4 (de
Inventor
Andreas Dr. Giez
Martin Dr. Zöger
Volker Dr. Dreiling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority to DE2003140793 priority Critical patent/DE10340793B4/de
Publication of DE10340793A1 publication Critical patent/DE10340793A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10340793B4 publication Critical patent/DE10340793B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D1/00Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application
    • G01D1/02Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application giving mean values, e.g. root means square values
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D1/00Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/18Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis

Abstract

Zur Berechnung systematischer Fehler von Zeitreihen-Messdaten wird letzteren vor ihrer Prozessierung mit Datenverarbeitungsroutinen in einem ersten Programm-Modul (4) ein definiertes weißes Rauschsignal aufmoduliert, dessen Amplitude dem zu Grunde liegenden statistischen Fehler entspricht. Die mit dem Rauschsignal modulierten Messdaten-Zeitreihen werden dann in einer Datenverarbeitungseinrichtung (2) mittels der vorgesehenen Datenverarbeitungsroutinen in unveränderter Weise prozessiert. Nach erfolgter Prozessierung wird mittels Autokovarianzanalyse in einem zweiten Programm-Modul (5) der Betrag des weißen Rauschens, der sich aus den verarbeiteten Zeitreihen in das Prozessierungsergebnis fortgepflanzt hat, innerhalb eines kleinen Zeitintervalls an beliebiger Stelle in den Daten analysiert. Ein Vergleich dieses Betrages mit dem ursprünglich aufmodulierten Rauschanteil, also dem statistischen Fehler der Messung selber, liefert schließlich unmittelbar den Betrag des systematischen Fehlers im Endergebnis (3). DOLLAR A Anwendung in Verbindung mit der Datenverarbeitung von Zeitreihen-Messdaten, z. B. in der meterologischen Flugmesstechnik.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnerischen Ermittlung systematischer Fehler im Rahmen einer mit Datenverarbeitungsroutinen arbeitenden Prozessierung von in Zeitreihen experimentell gewonnenen Messdaten.
  • Bei der Datenverarbeitung von experimentell gewonnenen Messdaten-Zeitreihen ist die Angabe eines Fehlers für die berechneten Daten eine wesentliche Grundlage zur Diskussion der Ergebnisse. In der Messtechnik wird dabei allgemein zwischen statistischen und systematischen Fehlern unterschieden. Während ein statistischer Fehler mit Hilfe statistischer Methoden, vor allem mit der Autokovarianzmethode und der Spektralanalyse, direkt aus den berechneten Zeitreihen bestimmt werden kann, erfordert die Betrachtung von systematischen Fehlern, die beispielsweise durch die Kalibriergenauigkeiten der verwendeten Sensoren gegeben sind, eine explizite Fehlerrechnung. Ändern sich die Werte von Messgrößen während eines Beobachtungszeitraumes merklich, so ist der Fehler im Endergebnis eine ebenfalls zeitabhängige Größe. Eine Fehlerbetrachtung sollte also für verschiedene Zeitintervalle entlang dem Messzeitraum möglich sein.
  • Bei der Fehlerrechnung im Zusammenhang mit der Ermittlung systematischer Fehler werden bisher im wesentlichen zwei Verfahren angewendet, nämlich die Fehlerfortpflanzungsrechnung und die sogenannte Monte-Carlo-Methode.
  • Die klassische Fehlerfortpflanzungsrechnung ist eine analytische Lösung des Problems und beruht auf der Linearisierung der Berechnungsroutinen bezüglich ihrer Eingangsgrößen durch Bildung lokaler Ableitungen nach der jeweiligen Messgröße. Sie kann also für jede Kombination der Eingangsmessgrößen und Fehler explizit gerechnet werden. Voraussetzung für die Durchführung dieses Verfahren ist es, dass die lokale Ablei tung gebildet werden kann, die Datenverarbeitung also einem funktionalen Zusammenhang folgt.
  • Bei der Fehlerfortpflanzungsmethode besteht der Nachteil, dass in der Linearisierung durch Bildung der lokalen Ableitung bereits eine erste Fehlerquelle steckt, da bei stark nichtlinearen Zusammenhängen und großen Fehleramplituden deutliche Abweichungen entstehen. Diese bekannte Methode berücksichtigt auch keine eventuelle Vorzeichenabhängigkeit (Asymmetrie) in der Fehlerfortpflanzung. Die Auswirkung einer Korrelation, also eines funktionalen Zusammenhangs zwischen verschiedenen Fehlerbeiträgen, wird von dieser bekannten Methode auch nicht erfasst.
  • Erschwerend erfordert die Durchführung einer Fehlerrechnung nach der bekannten Fehlerfortpflanzungsmethode einen erheblichen programmiertechnischen Aufwand, da quasi der gesamte Datenverarbeitungsprozess in der Fehlerrechnung nachgebildet werden und permanent dem jeweiligen Stand durch entsprechende Erweiterungen angepasst werden muss. Die Fehlerrechnung im klassischen Sinn ist also ein Programm-Modul, der hinsichtlich seines Umfanges größer als derjenige des eigentlichen Datenverarbeitungsprozesses auszulegen ist. In denjenigen Fällen, in denen die Datenverarbeitung einem nichtfunktionalen Zusammenhang folgt, ist die Berechnung einer Fehlerfortpflanzung überhaupt nicht möglich.
  • Monte-Carlo-Verfahren werden auf eine bestimmte Kombination von Messwerten einer Zeitreihe, z.B. Mittelwerte, angewandt. Sie beruhen auf der zufälligen, künstlichen Variation einer der Messgrößen am Eingang der Prozessierung mit anschließender Prozessierung dieser Wertekombination. Diese Datenprozessierung wird so oft durchgeführt, bis eine statistisch rele vante Aussage über den Fehler im Ergebnis getroffen werden kann.
  • Das bekannte Monte-Carlo-Verfahren beruht auf einer wiederholten Berechnung der Daten mit variierenden Eingangsparametern. Dabei muss eine statistisch relevante Anzahl von Rechenläufen durchgeführt werden, damit ein aussagekräftiges Ergebnis erzielt werden kann. Dies erfordert einen extrem hohen Rechen- bzw. Zeitaufwand, was diese Art von Fehlerrechnung für schnelle Analysen eher uninteressant oder manchmal sogar völlig ungeeignet macht. Auch gilt das Ergebnis der Fehlerrechnung nur an dieser einen betroffenen Stelle in der Zeitreihe. Eine umfassende Fehlerbetrachtung erfordert also ein entsprechendes Vorgehen zu verschiedenen Zeitpunkten entlang der Zeitreihe, was den Rechen- und Zeitaufwand natürlich noch einmal erheblich vergrößert.
  • Da sich die Datenverarbeitung von Zeitreihen-Messdaten zum Teil sehr komplex gestalten kann, wobei als Beispiel hier die meteorologische Flugzeugmesstechnik genannt werden soll, ist eine klassische Fehlerfortpflanzungsrechnung in Form einer analytischen Lösung, die auf der Linearisierung der Prozessierungsroutinen durch Verwendung einer lokalen Ableitung beruht, in einem solchen Fall wegen der komplizierten Zusammenhänge, der Vielzahl der verwendeten Messgrößen und dem Umfang der Prozessierungsroutinen in der Regel nicht mehr durchführbar. Aber auch die Monte-Carlo-Methoden sind gewöhnlich für eine Fehlerberechnung systematischer Fehler auszuschließen, weil sie zur Erzielung eines aussagekräftigen Ergebnisses einen zu hohen Rechen- und Zeitaufwand erfordern.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Fehlerermittlungsverfahren für systematische Fehler bei Zeitreihen-Messdaten zu schaffen, das eine umfassende Fehlerbetrachtung auch bei komplexen Berechnungen in der Datenverarbeitung von Zeitreihen ermöglicht. Das durch die Erfindung zu schaffende Verfahren soll mit geringem Aufwand auf alle Datenverarbeitungsroutinen anwendbar sein und dabei systematische Abhängigkeiten der Ausgangsfehler und die zeitlichen Änderungen der Messgrößen sowie ihre Fehler berücksichtigen.
  • Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Verfahren der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe in vorteilhafter und zweckmäßiger Weise dadurch gelöst, dass den Messdaten vor ihrer Prozessierung ein definiertes weißes Rauschsignal aufmoduliert wird, dessen Amplitude dem zu Grunde liegenden statistischen Fehler entspricht und das von der Variabilität des Datensignals durch Anwendung der Autokovarianzmethode trennbar ist, dass die mit dem Rauschsignal modulierten Messdaten-Zeitreihen mittels der vorgesehenen Datenverarbeitungsroutinen in unveränderter Weise prozessiert werden, dass nach erfolgter Prozessierung mittels Autokovarianzanalyse der Betrag des weißen Rauschens, der sich aus den verarbeiteten Zeitreihen in das Prozessierungsergebnis fortgepflanzt hat, innerhalb eines kleinen Zeitintervalls an beliebiger Stelle in den Daten analysiert wird und unmittelbar den Betrag des systematischen Fehlers im Endergebnis liefert.
  • Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die unmittelbar oder mittelbar auf den Patentanspruch rückbezogen sind.
  • Die umfassende und vollständige Fehlerrechnung wird nach der Erfindung dadurch ermöglicht, dass auf die experimentell gewonnenen Messdaten-Zeitreihen ein definiertes Rauschsignal aufmoduliert wird, dessen Amplitude dem zu Grunde liegenden statistischen Fehler entspricht. Dies kann in vorteilhafter Weise unter Verwendung eines Zufallsgenerators erreicht werden, wie er als Standardroutine den meisten Programmiersprachen zur Verfügung steht oder aus den Handbüchern zu den entsprechenden Sprachen kopiert werden kann. Voraussetzung für diese vorteilhafte Methode ist es, dass diese Rauschfunktion durch Verwendung eines sogenannten Seed-Wertes definiert und reproduzierbar darstellbar ist.
  • Das auf diese Weise erzeugte Rauschsignal ist völlig unkorreliert und erfasst gleichmäßig alle Frequenzen des Spektrums. Wegen dieser Eigenschaften ist das weiße Rauschen auch sehr einfach von der realen Variabilität des Messdatensignals zu trennen. Dazu sind zwei Methoden gebräuchlich, nämlich zum einen die Spektralanalyse und zum anderen die Autokovarianzmethode. Wegen der einfacheren Realisierung wird beim Verfahren nach der Erfindung die Autokovarianzmethode benutzt. Bei der Autokovarianzmethode zeigt sich die Varianz durch weißes Rauschen als scharfe Spitze bei der Zeitabweichung dt = 0, wogegen die reale Messdatensignal-Variabilität als kontinuierliche Kurve darunter liegt.
  • Beim Verfahren nach der Erfindung geschieht die Fehlerrechnung durch Prozessierung der so durch das aufmodulierte Rauschsignal präparierten Messdaten-Zeitreihen. Die Rechnung ist also identisch mit der eigentlichen Datenverarbeitung. Somit können alle Datenverarbeitungsroutinen ungeändert verwendet werden. Nach erfolgter Prozessierung wird mittels einer Autokovarianzanalyse der Betrag des weißen Rauschens, der sich aus den verarbeiteten Zeitreihen in das Ergebnis fortgepflanzt hat, innerhalb eines kleinen Zeitintervalls an beliebiger Stelle in den Daten analysiert. Dieser Rauschbetrag stellt unmittelbar den Betrag des systematischen Fehlers im Endergebnis dar.
  • Durch Wahl identischer Seed-Werte für verschiedene Messparameter kann bei der Erzeugung des Fehlersignals für diese Größen ein korreliertes Signal mit beliebiger Amplitude aufmoduliert werden. Dies erlaubt die Analyse solcher korrelierter Fehler. Es ist auch möglich, eine variable Fehleramplitude zu verwenden, z.B. bei Annahme eines relativen Fehlers, und in einem Prozessierungsschritt auszuwerten.
  • Das Verfahren nach der Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf, die nachfolgend im Vergleich mit den bereits existierenden Methoden der Fehlerfortpflanzung und des Monte-Carlo-Verfahrens erläutert werden.
  • Im Vergleich zu den beiden genannten bekannten Methoden lässt sich das Verfahren nach der Erfindung sehr einfach realisieren und verlangt nur einen geringen Programmaufwand. Es erfordert lediglich die Präparierung der Zeitreihen am Anfang der Rechnung und eine Auswertung am Ende. Die eigentlichen Datenverarbeitungsroutinen werden unverändert benutzt. Generatoren für weißes Rauschen sind ein typischer Bestandteil jeder Prozessierungssoftware und die Bestimmung des weißen Rauschens mit Hilfe der Autokovarianz ist eine verbreitete und anerkannte Methode.
  • Darüber hinaus verlangt das Verfahren nach der Erfindung im Vergleich zu den beiden erwähnten bekannten Methoden nur einen äußerst geringen Rechenaufwand, da lediglich ein Lauf in der Datenverarbeitung benötigt wird. Nach diesem Lauf ist eine Fehlerbetrachtung für alle Größen und Zeiten ohne weitere Programmläufe möglich.
  • Die Natur des Verfahrens nach der Erfindung gestattet es im Gegensatz zu den beiden erwähnten bekannten Methoden, eine Fehlerbetrachtung an jeder beliebigen Stelle im Datenverar beitungsprogramm, also auch für Zwischengrößen, ohne weiteren Aufwand durchzuführen.
  • Anders als bei den beiden bekannten Methoden können durch Verwendung von definierten Seed-Werten bei der Erzeugung des Rauschsignals Korrelationen zwischen verschiedenen Fehlern in der Fehlerrechnung berücksichtigt werden. Die Verwendung der Seed-Werte gestattet es darüber hinaus, die Rauschmodulation aus den Messdaten wieder zu entfernen, ohne die Messdaten neu einlesen zu müssen. Dies gestattet die Rückkehr in die normale Datenverarbeitung ohne hinzugefügtes Rauschsignal. Das gezielte An- und Abschalten des Rauschbeitrages für bestimmte Messgrößen erlaubt es des weiteren, den spezifischen Fehlerbeitrag aus diesen Quellen zu untersuchen und zu quantifizieren.
  • Im Gegensatz zur bekannten Fehlerfortpflanzungsmethode ist das Fehlerberechnungsverfahren nach der Erfindung völlig unabhängig von der Komplexität der Datenverarbeitungsroutinen. Es berücksichtigt auch nicht-funktionale Zusammenhänge bei der Datenverarbeitung, z.B. bei der Skalierung von Messwerten mittels Interpolation von Kalibrierwerten.
  • Im Vergleich mit der bekannten Fehlerfortpflanzungsmethode ist das Verfahren nach der Erfindung exakt und kommt ohne Näherungen oder einschränkende Annahmen aus. Es berücksichtigt dabei auch automatisch Änderungen am Prozessierungscode und muss der Datenverarbeitung nicht angepasst werden.
  • Beim Verfahren gemäß der Erfindung erfolgt im ersten Schritt die Modulation einer Messdaten-Zeitreihe durch ein Zufallssignal. Dazu wird die Fehlermodulation auf die eigentlichen Messdatensignale aufaddiert, wobei das Messdatensignal bei der Modulation also nicht festgehalten wird. Damit vermischt sich der gegebene, real variierende Verlauf der Messgröße mit dem stochastischen Fehlersignal.
  • Mit Hilfe der Autokovarianzmethode sind diese Beiträge allerdings problemlos im Endergebnis voneinander zu trennen. Im Gegensatz dazu arbeitet die bekannte Fehlerfortpflanzungsmethode nicht mit der Modulation von Messwerten und die bekannte Monte-Carlo-Methode wird über eine Modulation isolierter Mittelwerte betrieben.
  • Beim Verfahren nach der Erfindung erfolgt im zweiten Schritt eine einmalige Prozessierung des Messdatensatzes. Das Verfahren erlaubt es, eine Fehlerrechnung mit nur einem Prozessierungsdurchlauf zu realisieren. Dies ist nur deswegen möglich, weil ein Rauschsignal und der real variierende Zeitverlauf einer Messgröße überlagert werden. Dadurch ist das Verfahren nach der Erfindung extrem schnell. Bei der bekannten Fehlerfortpflanzungsmethode sind dagegen entlang der Zeitreihe beliebig viele Rechnungen zur Erfassung des Zeitverlaufs eines Fehlers nötig. Auch bei Anwendung der bekannten Monte-Carlo-Methode sind viele Rechenläufe erforderlich, bis die Statistik einigermaßen aussagekräftig wird.
  • Beim Verfahren nach der Erfindung kann das Zusammenspiel aller Fehlerquellen in allen Prozessierungsparametern simultan untersucht werden. Durch gleichzeitiges Aufbringen des Rauschsignals auf alle Eingangsgrößen wird die integrale Wirkung aller Fehlerquellen zu jeder Zeit unmittelbar klar ersichtlich. Wenn nicht durch Verwendung identischer Rauschsignalverläufe, die über die Seed-Werte eines Zufallsgenerators eingestellt werden können, untereinander gewollte Korrelationen der Fehlerquellen erzeugt werden, entfalten die Einzelfehler völlig unabhängig voneinander ihre Wirkung. Das Endergebnis zeigt somit zu allen Zeitpunkten die Unsicherheit aus der Überlagerung unabhängiger Fehlerquellen. Die bekannte Fehlerfortpflanzungsmethode zeigt dagegen die Wirkung aller Fehler nur für jeweils eine Endgröße separat. Bei der bekannten Monte-Carlo-Methode wird auch immer nur eine Ausgangsgröße moduliert und es erfolgt eine Anwendung nur auf eine repräsentative Wertekombination, z.B. Mittelwerte, also nur auf einen Zeitpunkt der Messung.
  • Das erfindungsgemäß arbeitende Verfahren ermöglicht eine Fehlerrechnung für alle Prozessierungszwischengrößen. Das weiße Rauschen, das in den Ausgangsgrößen enthalten ist, taucht natürlich an jeder Stelle in der Datenverarbeitung, also auch bei den Zwischengrößen, als Überlagerung der Beiträge aus den prozessierten Größen auf. Somit ist auch eine Analyse des Rauschbeitrages an jeder Stelle im Programm (Zeit und Messgröße) möglich. Bei der bekannten Fehlerfortpflanzungsmethode ist dagegen eine explizite Rechnung für jede berechnete Größe und für jede Zeit nötig. Bei der bekannten Monte-Carlo-Methode wird die Fehlerrechnung nur für eine bestimmte Wertekombination (Zeit) durchgeführt.
  • Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht darüber hinaus noch eine Analyse der Auswirkungen von korrelierten Fehlerquellen. Durch Verwendung identischer Seed-Werte kann die Fehlerzeitreihe exakt reproduziert werden, um mit beispielsweise anderem Vorzeichen oder anderer Amplitude einer anderen Ausgangsgröße aufmoduliert zu werden. Dies ist gerade dann notwendig, wenn zwischen den Fehlerquellen zweier verschiedener Größen ein funktioneller Zusammenhang besteht. Bei der bekannten Fehlerfortpflanzungsmethode kann eine Korrelation zwischen verschiedenen Messgrößen überhaupt nicht berücksichtigt werden, da hierbei lediglich mit einer mittleren Fehleramplitude gerechnet wird. Auch bei Anwendung der bekannten Monte-Carlo-Methode ist das Zusammenspiel verschiedener Feh lerquellen nicht darstellbar, da immer nur eine Größe variiert wird.
  • Das Verfahren nach der Erfindung wird nachfolgend im einzelnen anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 in einem Blockschaltbild die bekannte existierende Messdatenverbeitung ohne Fehlerberechnung,
  • 2 in einem Blockschaltbild eine Messdatenverarbeitung, die um eine entsprechend dem Verfahren nach der Erfindung arbeitende Fehlerrechnung erweitert ist,
  • 3 als Beispiel in einem Zeitdiagramm eine Zeitreihe von Flugmessdaten, nämlich die berechnete Außentemperatur, berechnet aus Originalmesswerten (unten in 3) und Messwerten mit überlagertem weißen Rauschen (oben in 3), und
  • 4 in einem Zeitdiagramm über ein kleines Zeitintervall Autokovarianzen der gleichen Zeitreihen, wobei die Originalmesswerte-Zeitreihe sich weiß abhebend innerhalb der mit Rauschen versetzten Zeitreihe befindet, die mit schwarzer Linie dargestellt ist.
  • In 1 ist in einem Blockschaltbild schematisch eine gebräuchliche existierende Messdatenverarbeitung zum Beispiel für die meteorologische Flugmesstechnik dargestellt, wobei allerdings keine Fehlerberechnung systematischer Fehler vorgesehen ist. Die Messdaten werden in einer Zeitreihe mittels einer Erfassungseinrichtung 1 erfasst und in einer Datenverarbeitungseinrichtung 2 unter Einsatz von Verarbeitungsroutinen prozessiert. Die berechneten Werte, z.B. die während der Zeitreihe herrschenden Außentemperaturwerte, werden dann in einer Ergebnisausgabeeinrichtung 3 ausgegeben.
  • Die Datenverarbeitung der das Beispiel betreffenden Flugmessdaten ist sehr aufwendig. Die im vorliegenden Fall verwendeten Datenverarbeitungsroutinen umfassen z.B. etwa 20 000 Programmzeilen. Etwa 60 Messgrößen gehen in die Datenprozessierung ein und die Zahl der berechneten Sekundärdaten und Zwischengrößen, die bei der Datenverarbeitungseinrichtung 2 abgelegt werden, beläuft sich auf etwa 50, wobei die Länge der Zeitreihen typischerweise 150 000 Werte beträgt. Eine vollständige Fehlerrechnung ist bei einer solchen Anwendung, auch im internationalen Vergleich, bisher nicht üblich, da bei Zugrundelegung der bisher bekannten und vorher schon ausführlich gewürdigten Fehlerberechnungsmethoden der entsprechende Aufwand nicht vertretbar war.
  • 2 zeigt im Vergleich mit 1, an welchen Stellen der Messdatenverarbeitung eine das erfindungsgemäße Verfahren realisierende Erweiterung des Datenverarbeitungsprozesses vorgenommen wird. Unverändert übernommen werden aus der existierenden Messdatenverarbeitung die Messdatenerfassungseinrichtung 1 und die die Verarbeitungsroutinen ausführende Datenverarbeitungseinrichtung 2. Die Fehlerrechnung erfordert einen Eingriff nur vor der Datenverabeitungseinrichtung 2 in Form eines ersten Programm-Moduls 4, der das Aufmodulieren des weißen Rauschens auf die Messdaten ausführt, und nach der Datenverarbeitungseinrichtung 2 in Gestalt eines zweiten Programm-Moduls 5, der den Rauschanteil im Endergebnis auswertet. Um die Fehleranalyse zu verschiedenen Zeiten einer Messdaten-Zeitreihe durchführen zu können, wird lediglich der letzte Schritt, nämlich die Autokovarianzanalyse, im Programm-Modul 5 wiederholt. Im Programm-Modul 5 erfolgt die Wahl eines kleinen Zeitintervalles [t0 – dt, t0 + dt], für welches eine Autokovarianzanalyse durchgeführt wird. In der Ergebnisausgabeeinrichtung 3 wird schließlich das Ergebnis aller berechneten Werte mit Fehler beim jeweiligen Zeitpunkt t0 ausgegeben.
  • 3 zeigt den Effekt des weißen Rauschens auf eine Messdaten-Zeitreihe am Beispiel einer berechneten Größe. Dargestellt ist hier die statische Temperatur der freien Atmosphäre entlang dem Flugweg eines meteorologischen Forschungsflugzeuges. In die Berechnung dieser Größe gehen neben der eigentlichen Temperaturmessung am Sensor viele weitere Größen ein, wie z.B. der Staudruck, der Statikdruck, aerodynamische Größen aus den Differenzdrücken einer Strömungssonde oder dergleichen, die alle einen charakteristischen Fehler aufzeigen.
  • 3 zeigt in der oberen Funktionsdarstellung die Auswirkung all dieser Fehler auf das Endergebnis, das in der unteren Funktionsdarstellung ohne diesen Fehlerbeitrag zum Vergleich gezeigt wird.
  • Im Einzelnen ist in 3 eine Zeitreihe (Zeit t in sec) von Flugmessdaten, nämlich die berechnete Außentemperatur T in °K, berechnet aus Originalmesswerten (unten) und Messwerten mit überlagertem weißen Rauschen (oben) funktionsartig dargestellt. Der Rauschterm im oben dargestellten Endergebnis scheint in der oberen Darstellung von 3 den realen Verlauf der berechneten Außentemperatur T zu überdecken, allerdings ist aus dieser Darstellung ersichtlich, dass der Absolutwert der berechneten Außentemperatur T nach wie vor gleich groß ist.
  • In 4 sind Autokovarianzen AKV der gleichen Zeitreihen in einem ausgewählten kleinen Zeitintervall dargestellt, wobei die Originalmesswerte-Zeitreihe sich weiß abhebend innerhalb der mit Rauschen versetzten Zeitreihe befindet, die mit schwarzer Linie dargestellt ist. Es ist erkennbar, dass die originale Varianz/Form der Zeitreihe per Autokovarianz von dem Beitrag des weißen Rauschens separiert werden kann.
  • 4 zeigt, dass mit Hilfe der Autokovarianzmethode ohne Probleme die atmosphärische Varianz vom weißen Rauschen getrennt werden kann, die originale Struktur des Messdaten-Signals also als separate Information verfügbar ist. Die scharfe Spitze S in der Autokovarianz AKV bei dt = 0 der Zeitabweichungsachse dt ergibt nach Abzug des realen Untergrundes U (= natürliche Varianz der Messdaten-Zeitreihe) direkt die Varianz V des systematischen Ergebnisfehlers, der aus den Fehlern der verrechneten Ausgangsgrößen und damit aus deren einzelnen Varianzbeiträgen stammt.
  • 1
    Erfassungseinrichtung
    2
    Datenverarbeitungseinrichtung
    3
    Ergebnisausgabeeinrichtung
    4, 5
    Programm-Module
    AKV
    Autokovarianz
    dt
    Zeitintervall-Zeitabweichungsachse in sec
    S
    Spitze
    t
    Zeit in sec
    T
    Außentemperatur in °K
    U
    Untergrund; natürliche Varianz der Zeitreihe
    V
    Varianz des systematischen Ergebnisfehlers

Claims (10)

  1. Verfahren zur rechnerischen Ermittlung systematischer Fehler im Rahmen einer mit Datenverarbeitungsroutinen arbeitenden Prozessierung von in Zeitreihen experimentell gewonnenen Messdaten, dadurch gekennzeichnet, dass den Messdaten vor ihrer Prozessierung ein definiertes weißes Rauschsignal aufmoduliert wird, dessen Amplitude dem zu Grunde liegenden statistischen Fehler entspricht und das von der Variabilität des Datensignals durch Anwendung der Autokovarianzmethode trennbar ist, dass die mit dem Rauschsignal modulierten Messdaten-Zeitreihen mittels der vorgesehenen Datenverarbeitungsroutinen in unveränderter Weise prozessiert werden, dass nach erfolgter Prozessierung mittels Autokovarianzanalyse der Betrag des weißen Rauschens, der sich aus den verarbeiteten Zeitreihen in das Prozessierungsergebnis fortgepflanzt hat, innerhalb eines kleinen Zeitintervalls an beliebiger Stelle in den Daten analysiert wird und unmittelbar den Betrag des systematischen Fehlers im Endergebnis liefert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das definierte weiße Rauschsignal aus einem Zufallsgenerator abgeleitet wird, dessen erzeugte Rauschfunktionen durch Verwendung jeweils eines Seed-Wertes definiert und reproduzierbar darstellbar sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Messparameter Rauschfunktionen mit unterschiedlichen Seed-Werten zur Modulation von Eingangsmessdaten ausgewählt und gleichzeitig aufgebracht werden, so dass Einzelfehler völlig unabhängig voneinander ihre Wirkung entfalten.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Messparameter Rauschfunktionen mit identischen Seed-Werten zur Modulation von Eingangsmessdaten ausgewählt und gleichzeitig aufgebracht werden, so dass sich die integrale Wirkung aller Fehler und deren Korrelation jederzeit unmittelbar entfalten.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Rauschsignal für verschiedene Messparameter ein korreliertes Signal mit beliebiger Amplitude aufmoduliert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Rauschsignal für verschiedene Messparameter ein korreliertes Signal mit variabler Amplitude aufmoduliert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Rauschfunktionen mit definierten Seed-Werten bei der Erzeugung des Rauschsignals verwendet werden, so dass Korrelationen zwischen verschiedenen Fehlern in der rechnerischen Fehlerermittlung berücksichtigt werden können.
  8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauschmodulation gezielt an- und/oder abgeschaltet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Analyse der Auswirkungen von korrelierten Fehlerquellen, also wenn zwischen den Fehlerquellen zweier verschiedener Ausgangsgrößen ein funktioneller Zusammenhang besteht, eine Fehlerzeitreihe einer ersten Ausgangsgröße durch Verwendung exakt identischer Seed-Werte exakt reproduziert wird und mit z.B. anderem Vorzeichen oder anderer Amplitude einer anderen Ausgangsgröße aufmoduliert wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Autokovarianzanalyse des Rauschsignalbeitrags an einer beliebigen Zwischenstelle des durch die Datenverarbeitungsroutinen festgelegten Programmablaufs vorgenommen wird, so dass eine rechnerische Fehlerermittlung für alle Prozessierungszwischengrößen durchführbar wird.
DE2003140793 2003-09-02 2003-09-02 Verfahren zur rechnerischen Ermittlung systematischer Fehler von prozessierten Zeitreihen-Messdaten Expired - Fee Related DE10340793B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2003140793 DE10340793B4 (de) 2003-09-02 2003-09-02 Verfahren zur rechnerischen Ermittlung systematischer Fehler von prozessierten Zeitreihen-Messdaten

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2003140793 DE10340793B4 (de) 2003-09-02 2003-09-02 Verfahren zur rechnerischen Ermittlung systematischer Fehler von prozessierten Zeitreihen-Messdaten

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10340793A1 true DE10340793A1 (de) 2005-04-07
DE10340793B4 DE10340793B4 (de) 2006-07-27

Family

ID=34258403

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE2003140793 Expired - Fee Related DE10340793B4 (de) 2003-09-02 2003-09-02 Verfahren zur rechnerischen Ermittlung systematischer Fehler von prozessierten Zeitreihen-Messdaten

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10340793B4 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006048604A1 (de) * 2006-10-13 2008-04-17 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zum Überprüfen eines Sensorsignals
EP3514499A1 (de) * 2018-01-23 2019-07-24 Siemens Aktiengesellschaft Verifizierung von sensordaten
DE102011014317B4 (de) 2011-03-18 2021-07-29 Robert Bosch Gmbh Sensorüberwachung einer Positionsmessvorrichtung mittels Wärmerauschen

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3836417A1 (de) * 1988-10-26 1990-05-03 Bodenseewerk Geraetetech Filteranordnung zur erzeugung eines schaetzwertes einer durch stoerungen beeinflussten messgroesse
DE3842580A1 (de) * 1988-12-17 1990-06-21 Behringwerke Ag Verfahren zur verbesserung von richtigkeit und reproduzierbarkeit der messdaten immunometrischer tests
DE3924691C2 (de) * 1989-07-26 1993-11-04 Daimler Benz Ag Verfahren zur kompensation von fehlern eines beschleunigungsgebers
DE19506388C1 (de) * 1995-02-23 1996-08-22 Buero Fuer Ca Technik Dipl Ing Verfahren zum Erkennen von systematischen Fehlern, insbesondere zur automatischen Störungserkennung bei Qualitätskontrollen, mittels mit Meßsensoren ausgestatteten Meßgeräten
DE19525055A1 (de) * 1995-07-10 1997-01-16 Taplick Thomas Dr Verfahren zur Auswertung von experimentell erhaltenen Informationen

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3836417A1 (de) * 1988-10-26 1990-05-03 Bodenseewerk Geraetetech Filteranordnung zur erzeugung eines schaetzwertes einer durch stoerungen beeinflussten messgroesse
DE3842580A1 (de) * 1988-12-17 1990-06-21 Behringwerke Ag Verfahren zur verbesserung von richtigkeit und reproduzierbarkeit der messdaten immunometrischer tests
DE3924691C2 (de) * 1989-07-26 1993-11-04 Daimler Benz Ag Verfahren zur kompensation von fehlern eines beschleunigungsgebers
DE19506388C1 (de) * 1995-02-23 1996-08-22 Buero Fuer Ca Technik Dipl Ing Verfahren zum Erkennen von systematischen Fehlern, insbesondere zur automatischen Störungserkennung bei Qualitätskontrollen, mittels mit Meßsensoren ausgestatteten Meßgeräten
DE19525055A1 (de) * 1995-07-10 1997-01-16 Taplick Thomas Dr Verfahren zur Auswertung von experimentell erhaltenen Informationen

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006048604A1 (de) * 2006-10-13 2008-04-17 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zum Überprüfen eines Sensorsignals
US8797047B2 (en) 2006-10-13 2014-08-05 Continental Automotive Gmbh Method and device for checking a sensor signal
DE102011014317B4 (de) 2011-03-18 2021-07-29 Robert Bosch Gmbh Sensorüberwachung einer Positionsmessvorrichtung mittels Wärmerauschen
EP3514499A1 (de) * 2018-01-23 2019-07-24 Siemens Aktiengesellschaft Verifizierung von sensordaten
CN110068357A (zh) * 2018-01-23 2019-07-30 西门子股份公司 传感器数据的验证
KR20190089771A (ko) * 2018-01-23 2019-07-31 지멘스 악티엔게젤샤프트 센서 데이터의 검증
KR102181402B1 (ko) * 2018-01-23 2020-11-23 지멘스 악티엔게젤샤프트 센서 데이터의 검증
US10983157B2 (en) 2018-01-23 2021-04-20 Siemens Aktiengesellschaft Verification of sensor data

Also Published As

Publication number Publication date
DE10340793B4 (de) 2006-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3642922A1 (de) Nach dem farbwertverfahren arbeitendes photoelektrisches farbmessgeraet
DE19606986A1 (de) Verfahren zum Messen der Eintor- bzw. Mehrtor-Parameter eines Meßobjektes mittels eines Netzwerkanalysators
EP3388847A1 (de) Signalanalyse in zeit und frequenz
EP3830660B1 (de) Verfahren und assistenzsystem zur parametrisierung eines anomalieerkennungsverfahrens
DE102009033156A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Messen und/oder Erzeugen von elektrischen Größen
DE3023625A1 (de) System zur ueberwachung der konzentration eines spezifischen gases in einer (umwelt) probe
DE10340793B4 (de) Verfahren zur rechnerischen Ermittlung systematischer Fehler von prozessierten Zeitreihen-Messdaten
EP2343611A1 (de) Verfahren zur rechnergestützten Erzeugung eines ausführbaren Steuerungsprogramms und diesbezügliche Konfigurationseinrichtung
DE2938991A1 (de) Anlage zur messung und analyse von gasen mittels der gaschromatographie
WO2020229050A1 (de) Verfahren zur validierung von systemparametern eines energiesystems, verfahren zum betrieb eines energiesystems sowie energiemanagementsystem für ein energiesystem
EP2250538B1 (de) Verfahren zur visuellen anzeige der qualität von auf einer energieübertragungsanlage übertragener energie
DE1963748B2 (de) Verfahren und vorrichtung zur ueberschlaegigen auswertung von elektrischen spannungsverlaeufen
DE1499338A1 (de) Geraet und Verfahren zur Pruefung des dynamischen Verhaltens linearer Systeme
DE69629711T2 (de) Diagnose von Netzen von Bauelementen unter Verwendung einer Bänder-Modellierung
DE102009029073A1 (de) Verfahren zur Durchführung eines Selbsttests für eine mikromechanische Sensorvorrichtung und entsprechende mikromechanische Sensorvorrichtung
DE10011607A1 (de) Verfahren und Vorrichtung sowie Computerprogrammprodukt zum Betrieb einer technischen Anlage
DE4222475A1 (de) Anordnung zum Ausblenden von Störsignalen auf Signalleitungen
DE102004034398B4 (de) Verfahren zum Ermitteln einer linearen Beziehung aus elektronisch speicherbaren Meßdaten
DE3240528C2 (de)
DE102013223467A1 (de) Entwicklungseinrichtung zur Konfiguration eines Modells eines technischen Systems zur Darstellung von Signalverläufen
DE102005018063A1 (de) Verfahren zum Empfangen und Zuordnen von bedingten abhängigen Testergebnissen
EP2820437B1 (de) Verfahren zum ermitteln einer beziehung zwischen zwei sich sinusperiodisch ändernden grössen und diagnosegerät
DE102019220419A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Simulation eines technischen Systems
EP3076249B1 (de) Verfahren zum betreiben eines feldgerätes und entsprechendes feldgerät
WO2022229364A1 (de) Modellbildungsverfahren

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V.

8364 No opposition during term of opposition
R084 Declaration of willingness to licence
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee