吳定剛 謝紅勝 李 蕾 馬 曦

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)信息傳輸誤差分析方法

吳定剛 謝紅勝 李 蕾 馬 曦

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

誤差的存在嚴(yán)重影響著工程作業(yè)的質(zhì)量，對(duì)誤差的處理技術(shù)已逐漸得到各個(gè)行業(yè)的高度重視。在給出誤差的基本概念、誤差的傳遞與合成公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?，介紹一種信息傳輸誤差的分析方法，并通過分析艦載導(dǎo)航航向信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，構(gòu)建對(duì)應(yīng)信息傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型。最后通過一組實(shí)際測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證說明航向信息模型和該分析方法在工程信息傳輸過程中的有效性。

誤差傳遞與合成；航向；模型

1 引言

艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)精度在很大程度上影響甚至直接決定著艦載武器的作戰(zhàn)效能［1，2］。 因此，針對(duì)不同的通道配置和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化精度指標(biāo)，通過建立誤差在數(shù)據(jù)合成過程中的傳遞模型，并對(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，有利于提高數(shù)據(jù)精度，進(jìn)一步保證作戰(zhàn)系統(tǒng)運(yùn)行效能，提高作戰(zhàn)系統(tǒng)打擊能力，具有十分重要的意義，也可以為作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和試驗(yàn)調(diào)試人員提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)傳輸誤差分析與處理的深入研究，不僅能提高試驗(yàn)單位和檢驗(yàn)部門的工作效率，而且還能促使設(shè)備研制單位進(jìn)一步提高設(shè)備性能和研制水平，具有重大的理論研究意義和經(jīng)濟(jì)效益。

本文在介紹數(shù)據(jù)誤差處理的基本知識(shí)，給出誤差的基本概念、誤差的傳遞與合成公式的基礎(chǔ)上，介紹了全艦作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?，并通過分析艦載導(dǎo)航航向信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，構(gòu)建相應(yīng)信息傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型；最后通過一組實(shí)際測量數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證說明。

2 誤差基本理論

2.1 誤差的基本概念

測量值與真實(shí)值之間的差值稱為 “誤差”（又稱“絕對(duì)誤差”）。誤差按其表現(xiàn)形式不同，分為過失誤差、系統(tǒng)誤差和偶然誤差三類。其中，過失誤差也叫“粗差”，是一種顯然與事實(shí)不符的誤差，在測量過程中就被予以剔除，本文中不進(jìn)行討論；系統(tǒng)誤差是指真實(shí)值與測量值之間的數(shù)學(xué)期望，表征測量值的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)誤差也叫“準(zhǔn)確度”；偶然誤差是指誤差隨機(jī)部分的標(biāo)準(zhǔn)差，表征了重復(fù)測量時(shí)測量值間的一致程度，也稱為“精密度”［3-5］。

2.2 誤差的估計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)誤差的估計(jì)

系統(tǒng)誤差估計(jì)［6，7］的目的是確定某一測量設(shè)備測量值的系統(tǒng)誤差μδ。其方法為：

1）應(yīng)用更高精度的測量設(shè)備對(duì)被測的量進(jìn)行重復(fù)測量，將其所測結(jié)果的算術(shù)平均值作為被測量的真值X0。要求重復(fù)測量相互獨(dú)立，且重復(fù)次數(shù)較多為好。

2）在同一條件下，用給定的測量設(shè)備，按規(guī)定的操作方法對(duì)被測的量進(jìn)行獨(dú)立重復(fù)測量n次，測量結(jié)果記為：X0，X1，X2，… ，Xn。

3） 求樣本值 δ1， δ2，δ3， … ， δn

δi＝ Xi－ X0

并假定 δi～N （ μs， δ2） 。

4）求系統(tǒng)誤差的估值

2.2.2 偶然誤差的估計(jì)

偶然誤差估計(jì)的目的是確定某一測量設(shè)備測量值的偶然誤差δ方法。

1） 用上述的步驟（1）～（3）求取樣本值 δ1，δ2，δ3… δn。

2）用下式求取偶然誤差的估值

2.3 誤差的傳遞與合成

假定被測量值為y，對(duì)它不能直接測量，因?yàn)樗瞧渌黰個(gè)分量y1，y2，…，ym的函數(shù)，即y＝f（y1，y2，…，ym）

我們可以對(duì)y1，y2，…，ym分別進(jìn)行測量，記測量誤差分別為 δ1，δ2，δ3， … ， δm；系統(tǒng)誤差分別為 μ1，μ2，μ3， … ，μm； 偶然誤差分別為 σ1，σ2，σ3，… ，σm。 問題是如何由 y1，y2，… ，ym的測量誤差、系統(tǒng)誤差、偶然誤差來求函數(shù)y的測量誤差、系統(tǒng)誤差、偶然誤差，即誤差的合成問題。解決這類問題通常采用誤差傳遞法。

2.3.1 主要的誤差傳遞公式為：1）絕對(duì)誤差的傳遞公式為：

2）偶然誤差的傳遞公式為：

2.3.2 誤差的合成

誤差的合成包括間接測量系統(tǒng)誤差的合成和間接測量偶然誤差的合成。

1）間接測量系統(tǒng)誤差的合成目的是求函數(shù)y＝f（y1，y2，…，ym）的間接測量系統(tǒng)誤差。其方法為：

（a）先求出y1，y2，…，ym的直接測量系統(tǒng)誤差的估值δ，δ，δ，…，δ，

（b） 用下式求函數(shù) y＝f（y1，y2， … ，ym） 的間接測量系統(tǒng)誤差的估值：

2）間接測量偶然誤差的合成目的是求函數(shù)y＝f（y1，y2，… ，ym）的間接測量偶然誤差 σy。 其方法為：

（a） 先求出y1，y2， … ，ym的直接測量偶然σ ，σ ，σ ，… ，σ ；

（b）利用偶然誤差傳遞公式（1）計(jì)算間接測量偶然誤差的估值σy。

3 數(shù)據(jù)傳輸特性

艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與其它方面的數(shù)據(jù)傳輸有很大的不同之處，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

1）實(shí)時(shí)性要求高。由于戰(zhàn)場的態(tài)勢信息瞬息萬變，而且獲取信息的手段和資源非常有限，這就要求艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要高，才能滿足作戰(zhàn)的需求，特別是對(duì)于高數(shù)據(jù)率的雷達(dá)跟蹤信息。

2）數(shù)據(jù)精度要求高。作為全艦的武器系統(tǒng)平臺(tái)，各分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸必須要有較高的精度要求，才能滿足系統(tǒng)的作戰(zhàn)需要，特別是武器系統(tǒng)的需要。

3）數(shù)據(jù)接口類型多樣。由于數(shù)據(jù)傳輸和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的限制，艦艇上的數(shù)據(jù)接口種類繁多，主要有數(shù)字接口和模擬接口，數(shù)字接口主要包括滿足RS－232和RS－422標(biāo)準(zhǔn)的同步或異步串口、1553B接口、以太網(wǎng)接口：模擬接口主要包括視頻、同步機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器三種模擬接口。為了使這么多不同接口類型的傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互，必然為作戰(zhàn)系統(tǒng)提出了較高的要求。

4）數(shù)據(jù)的局部容量和處理能力要求高。作為艦艇的作戰(zhàn)性能體現(xiàn)的作戰(zhàn)系統(tǒng)平臺(tái)，要求在非常有限的空間內(nèi)，安裝部署大量的探測設(shè)備和武器系統(tǒng)，而且對(duì)于不同部位信息處理的能力要求也有很大的區(qū)別，例如指控系統(tǒng)，幾乎全艦所有的信息都會(huì)在此處進(jìn)行匯總處理，同時(shí)還有可能產(chǎn)生大量的并發(fā)數(shù)據(jù)，所以對(duì)指控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力的要求就較其它系統(tǒng)要高得多。

5）信息傳輸環(huán)境復(fù)雜。艦艇空間的限制，使得大量的電器產(chǎn)品集中在比較小的區(qū)域內(nèi)，電磁環(huán)境異常的復(fù)雜，對(duì)信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)、處理的器件的電磁特性都有很大的影響，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生信息中斷或者甚至是錯(cuò)誤信息。

此外，有些信息是不能直接測量，必須通過間接處理才能獲得，甚至傳輸間接測量值的數(shù)據(jù)接口類型也都不一致，那么這就要求設(shè)備具有較高的數(shù)據(jù)合成處理能力，保證誤差在允許的范圍內(nèi)，才能滿足作戰(zhàn)需求，更好地完成作戰(zhàn)使命。

4 航向合成模型及數(shù)據(jù)處理

艦載設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸因?yàn)槠涮厥庑裕芏鄶?shù)據(jù)的測量只能通過間接測量的方式獲得，而且每一個(gè)分量的誤差變化都會(huì)對(duì)最終測量量有比較大的影響。因此，可以通過數(shù)據(jù)誤差的傳遞與合成處理來分析最終測量量的精度，控制傳輸過程中的誤差變化，從而滿足作戰(zhàn)需求。例如：航向是由東向速度和北向速度合成而來［8，9］，對(duì)航向的測量必須通過對(duì)東向速度和北向速度的測量而間接獲得，東向速度和北向速度的誤差變化對(duì)航向的測量有重大的影響。在對(duì)航向測量數(shù)據(jù)的處理中，可以建立誤差處理模型，見圖1。

假設(shè)東向速度為V1；北向速度為V2；則航向函數(shù)（V2不為0時(shí)）

1）利用精度更高的設(shè)備對(duì)V1和V2進(jìn)行多次測量，求出兩者的算術(shù)平均值作為真值V10和V20：

2）利用V1和V2的測量值和真值求出每一次測量的絕對(duì)誤差 δv1i，δv2i：

3） 求出 V1和 V2的系統(tǒng)誤差估值，為：

下面利用上述對(duì)V1和V2的測量情況來對(duì)航向進(jìn)行一次間接測量，并對(duì)航向的誤差進(jìn)行估算。

5）絕對(duì)誤差δH估算：

7）在測量過程中V1和V2是不相關(guān)的，其兩兩相關(guān)系數(shù)為零，故對(duì)H測量設(shè)備的偶然誤差為：

在試驗(yàn)中，將計(jì)程儀設(shè)定的數(shù)值作為真值，東向速度 ＝5.0 m／s，北向速度 ＝3 m／s，在導(dǎo)航顯示臺(tái)上對(duì)V1和V2進(jìn)行多次讀數(shù)，記錄如下（單位：m ／s）。

表1 V1和V2測量數(shù)據(jù)記錄表

按照上述公式（2）和（3）求得對(duì)應(yīng)的值。

那么，以第一組東向速度、北向速度的測量數(shù)據(jù)和航向的真值來計(jì)算航向測量的誤差情況。

由上計(jì)算可知，在東向速度和北向速度的測量誤差范圍內(nèi)，利用對(duì)東向速度和北向速度的測量對(duì)航向進(jìn)行間接測量的測量誤差不大，可以滿足使用的精度要求。

在實(shí)際的應(yīng)用中，也可以根據(jù)最終對(duì)航向精度的要求逆向推導(dǎo)出對(duì)東向速度和北向速度的精度要求，從而可以更好地指導(dǎo)設(shè)備的研制，提高設(shè)備的使用性能。

5 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代信息科學(xué)的發(fā)展，艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)各設(shè)備對(duì)信息傳輸?shù)木纫笤絹碓礁?，特別是對(duì)于必須間接測量的值的精度控制更為重要。因此，要時(shí)刻關(guān)注測量誤差在傳遞合成過程的變化情況，以提高對(duì)最終合成值的精度控制，從而更好地滿足艦船的信息處理要求，提高裝備的性能，增強(qiáng)艦船的作戰(zhàn)能力。

［1］李蕾，馮浩.作戰(zhàn)系統(tǒng)武器通道精度分配方法.中國艦船研究［J］.2007，2（4）：37－40.

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Error Analysis Method on Shipboard Combat System Information Transmission

Wu Ding-gang Xie Hong-sheng Li LeiMa Xi
China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China

Error has significant influences on the quality of engineering assignments， and thus the error processing techniques are attracting high attentions from many industrial sections.This paper firstly reviewed the basic knowledge of error processing，basic concepts related to error，and formulae regarding error transformation and synthesis.Then， considering the data transmission features of a combat system，an analyzing method to deal with error during information transmission was introduced.After analyzing the navigation information transmission on board，a mathematical model was developed for the corresponding information transmission.Finally，a set of measured data shows that the navigation information model and the corresponding analysis method are efficient tools in engineering information transmission.

error transfer and synthesis； model； navigation course

U674.7

A

1673－3185（2010）01－72－04

2009 - 11 - 12

吳定剛（1979 － ） ，男，碩士研究生，工程師。研究方向：艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)。E-mail：hbsandy79@ 163. com

謝紅勝（1975 - ） ，男，工程師，博士。研究方向：艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)