一种自确认大气数据系统测量不确定度的在线估计方法与流程

本发明属于测量不确定度估计技术领域，涉及一种自确认大气数据系统测量不确定度的在线估计方法。

背景技术：

测量不确定度是对测量结果的不肯定程度，也是对测量值质量的定量表述，每一次传感测试结果有不确定度的说明才更为完整。自确认大气数据传感系统中，除给出气压高度、马赫数等大气参数的测量值外，还应在线输出上述大气参数测量值的不确定度，动态指示大气参数测量结果的准确度范围。目前，关于仪器仪表的测量不确定度估计方法，最为常见的是国际组织公布的《测量不确定度表示指南》，该方法是基于概率论知识，并且都在无故障状态下的不确定度计算，但当仪器仪表发生故障时，该如何给出容错处理后的测量值不确定度暂未涉及。根据自确认大气数据传感系统的功能内涵，每一次获得大气参数测量值时都需在线输出其测量不确定度，当大气系统发生故障后，可进行容错重构处理，此时数据确认纠正后的测量值不确定度势必会增大，以反映数据重构后测量值准确度的下降。

近年来，一些新方法和新理论的出现给测量不确定度的估计方法研究增添了解决途径，在理论上突破了以传统概率论统计理论为基础的仪器设备静态不确定度估计方法，如贝叶斯推理、Monte Carlo方法及灰色理论等。在国外，牛津大学提出利用贝叶斯理论进行测量结果的不确定度评估，并利用实例对该方法的可行性进行说明；麻省理工大学提出利用Monte Carlo方法对虚拟仪器的测量不确定度进行评定，并与传统的基于概率论统计方法进行对比分析；在国内，王中宇团队等提出利用灰色理论进行动态不确定度的评定，并推导获取不确定度传播系数。应用新理论新方法进行不确定度估计的研究还有很多，在一定程度上可弥补传统统计理论的不足，但尚不能完全解决本发明中的自确认大气传感系统大气参数测量值不确定度的在线估计问题。自确认大气数据传感系统中测量不确定度在线评定，一方面需对每一次大气参数测量值的输出都要给出其测量结果的不确定度，评定方法的实时性要高；另一方面大气系统故障发生后，其输出的不确定度应有所增大以反映当前输出测量值是通过容错重构得到的。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种自确认大气数据系统测量不确定度的在线估计方法，以实现自确认大气数据传感系统在正常工作和故障下，不确定度都能在线反映系统容错处理后的输出测量值质量变化的目的，解决智能传感系统中不确定度的在线评价及定量估计问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明的目的在于提供一种自确认大气数据系统测量不确定度的在线估计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据自确认大气数据传感系统的结构组成，获取自确认大气数据传感系统中压力测量单元通道的数目N；根据自确认大气数据压力测量单元通道的工作状态及故障类型，获取每一路压力测量单元通道的工作状态及故障类型；

步骤二、针对每一路压力测量单元通道，利用模糊理论构建模糊变量来表述每一路压力测量单元通道压力测量值的不确定度；

步骤三、根据步骤二获取的每一路压力测量单元通道输出的压力测量值不确定度，压力测量值不确定度由模糊变量表征，利用模糊变量的逻辑运算法则，对所有压力测量单元通道输出的模糊变量进行合成运算，获取用模糊变量表述的自确认大气数据传感系统大气参数测量输出值及其测量不确定度。

进一步，所述压力测量单元通道的工作状态为正常状态或故障状态；故障状态的故障类型为瞬时性故障或永久性故障。

进一步，所述模糊变量包括内部隶属函数和外部隶属函数；内部隶属函数表征压力测量单元通道压力测量结果受非随机因素的影响，外部隶属函数表征压力测量单元通道压力测量结果受随机因素的影响。

进一步，述模糊变量的构造过程如下：

当某一路压力测量单元通道压力测量状态为正常时，非随机因素对压力测量不确定度的影响可用B类不确定度方法估计，压力测量单元通道的测量输出值落在已定的内部置信区间内，由内部置信区间构造的隶属函数称为内部隶属函数；

随机因素对压力测量不确定度的影响是利用相同实验环境下对压力测量单元通道压力测量值的重复性测量来获取，在该随机因素影响下，压力测量单元的测量输出值会落在外部置信区间和内，由外部区间和构造的隶属函数称为外部隶属函数；

当该压力测量单元通道压力测量状态为故障时，附加一个新的加性不确定度分量b_add，利用加性不确定度分量b_add表示当前的压力输出值是一个估计值，是在该压力测量单元发生故障时通过容错处理得到的；

加性不确定度分量b_add对测量值不确定度的影响属于非随机因素，会改变内部隶属函数的形状和内部置信区间的大小，变化后的内部置信区间为如式(2)所示；

进一步，内部隶属函数的取值为压力测量单元的生产厂家提供的校准数据确定。

进一步，外部隶属函数的取值用概率分布函数来表示重复性测量结果的分布，是自确认大气数据传感系统中N路压力测量单元通道的压力输出值的均值，std_y是自确认大气数据传感系统中N路压力测量单元通道的压力输出值的标准差，std_y计算公式如式(1)所示：

式中：N是压力测量单元通道数量，y_i是第i路压力测量单元通道的输出值。

进一步，加性不确定度分量b_add的取值与对应压力测量单元通道压力测量的故障类型有关；

当故障类型为瞬时性故障时，加性不确定度分量b_add取值为内部置信区间的0.4倍～0.6倍；

当故障类型为永久性故障，加性不确定度分量b_add取值为内部置信区间的1.0倍～1.5倍。

进一步，自确认大气数据传感系统大气参数包括气压高度和马赫数。

进一步，大气参数气压高度和马赫数的计算公式如(3)和(4)所示：

H＝f(P₁，P₂，…，P_N) (3)

M＝g(P₁，P₂，…，P_N) (4)

式中：H为气压高度，f为标准HB 6127中计算模型，M为马赫数，g为标准HB 6127中计算模型，P₁，P₂，…，P_N分别为N路压力测量单元通道的压力测量值；

根据式(3)和式(4)，气压高度和马赫数的模糊变量表述形式如式(5)和(6)所示；

式中：FV_H为气压高度的模糊变量，FV_M为马赫数的模糊变量，分别为N路压力测量单元通道的模糊变量，模糊变量之间的逻辑运算是每两个模糊变量间依次进行。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明一种自确认大气数据系统测量不确定度的在线估计方法，利用基本的逻辑运算快速计算出气压高度和马赫数等大气参数测量值的不确定度，计算负担小，实时性高。

本发明一种自确认大气数据系统测量不确定度的在线估计方法，全面考虑了不确定度估计中的随机因素和非随机因素，给出的不确定度估计结果更为客观。

利用本发明中的模糊变量提供了测量值更多的置信水平和置信区间，给出的不确定性信息更为丰富，利用后级飞行控制系统进行客观决策和使用。

附图说明

图1为本发明一种自确认大气数据系统测量不确定度的在线估计方法示意图；

图2为利用模糊变量表征的压力测量值不确定度示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种自确认大气数据系统测量不确定度的在线估计方法作详细说明。

如图1所示，本发明一种自确认大气数据系统测量不确定度的在线估计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据自确认大气数据传感系统的结构组成，获取自确认大气数据传感系统中压力测量单元通道的数目N；根据自确认大气数据压力测量单元通道的工作状态及故障类型，获取每一路压力测量单元通道的工作状态(正常或故障)及故障类型(瞬时性故障或永久性故障)；

步骤二、针对每一路压力测量单元通道，利用模糊理论构建模糊变量来表述每一路压力测量单元通道压力测量值的不确定度；

如图2所示，所述模糊变量由内部隶属函数和外部隶属函数构成，其中内部隶属函数表征压力测量单元通道压力测量结果受非随机因素的影响，外部隶属函数表征压力测量单元通道压力测量结果受随机因素的影响；

下面以某一路压力测量单元通道为例，说明模糊变量的构造过程：

当某一路压力测量单元通道压力测量状态为正常时，非随机因素对压力测量不确定度的影响可用B类不确定度方法估计，压力测量单元通道的测量输出值落在已定的内部置信区间内，由内部置信区间构造的隶属函数称为内部隶属函数；

内部隶属函数用于描述非随机因素对压力测量单元通道压力测量值的影响，其中内部隶属函数的取值为压力测量单元的生产厂家提供的校准数据确定；

随机因素对压力测量不确定度的影响是利用相同实验环境下对压力测量单元通道压力测量值的重复性测量来获取，在该随机因素影响下，压力测量单元的测量输出值会落在外部置信区间和内，由外部区间和构造的隶属函数称为外部隶属函数；

外部隶属函数用于描述随机因素对该压力测量单元通道压力测量值的影响，其中外部隶属函数的取值用概率分布函数来表示重复性测量结果的分布，是自确认大气数据传感系统中N路压力测量单元通道的压力输出值的均值，std_y是自确认大气数据传感系统中N路压力测量单元通道的压力输出值的标准差，std_y计算公式如式(1)所示：

式中：N是压力测量单元通道数量，y_i是第i路压力测量单元通道的输出值；

当该压力测量单元通道压力测量状态为故障时，附加一个新的加性不确定度分量b_add，利用加性不确定度分量b_add表示当前的压力输出值是一个估计值，是在该压力测量单元发生故障时通过容错处理得到的；

加性不确定度分量b_add对测量值不确定度的影响属于非随机因素，会改变内部隶属函数的形状和内部置信区间的大小，变化后的内部置信区间为如式(2)所示；

加性不确定度分量b_add的取值与对应压力测量单元通道压力测量的故障类型有关；

当故障类型为瞬时性故障(如显著突变或冲击故障等类型)时，瞬时性故障会随着时间的推移而消失，加性不确定度分量b_add取值应较小，优选取值为内部置信区间的0.4倍～0.6倍；

当故障类型为永久性故障(如偏置、恒增益、开路或短路等类型)时，永久性故障随时间的推移而持续存在，加性不确定度分量b_add取值应较大，优选取值为内部置信区间的1.0倍～1.5倍；

步骤三、根据步骤二获取的每一路压力测量单元通道输出的压力测量值不确定度(不确定度由模糊变量表征)，利用模糊变量的逻辑运算法则，对所有压力测量单元通道输出的模糊变量进行合成运算，获取用模糊变量表述的自确认大气数据传感系统大气参数测量输出值及其测量不确定度；

下面以自确认大气数据传感系统的大气参数气压高度和马赫数为例，说明用模糊变量表述的自确认大气数据传感系统大气参数气压高度和马赫数的测量输出值及其测量不确定度；

大气参数气压高度和马赫数的计算公式如(3)和(4)所示：

H＝f(P₁，P₂，…，P_N) (3)

M＝g(P₁，P₂，…，P_N) (4)

式中：H为气压高度，f为已知模型(详见标准HB 6127)，M为马赫数，g为已知模型(详见标准HB 6127)，P₁，P₂，…，P_N分别为N路压力测量单元通道的压力测量值；

根据式(3)和式(4)，气压高度和马赫数的模糊变量表述形式如式(5)和(6)所示；

式中：FV_H为气压高度的模糊变量，FV_M为马赫数的模糊变量，分别为N路压力测量单元通道的模糊变量，模糊变量之间的逻辑运算是每两个模糊变量间依次进行。

上述方法利用基本的逻辑运算快速计算出气压高度和马赫数等大气参数测量值的不确定度，计算负担小，实时性高，该方法充分全面考虑了不确定度估计中的随机因素和非随机因素，给出的不确定度估计结果更为客观。

同时，利用本发明中的模糊变量提供了测量值更多的置信水平和置信区间，给出的不确定性信息更为丰富，利用后级飞行控制系统进行客观决策和使用。