舰载作战系统信息传输误差分析方法

吴定刚 谢红胜 李 蕾 马 曦

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

舰载作战系统信息传输误差分析方法

吴定刚 谢红胜 李 蕾 马 曦

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

误差的存在严重影响着工程作业的质量，对误差的处理技术已逐渐得到各个行业的高度重视。在给出误差的基本概念、误差的传递与合成公式的基础上，结合舰艇作战系统数据传输的特性，介绍一种信息传输误差的分析方法，并通过分析舰载导航航向信息传输的特点，构建对应信息传输的数学模型。最后通过一组实际测量数据验证说明航向信息模型和该分析方法在工程信息传输过程中的有效性。

误差传递与合成；航向；模型

1 引言

舰载作战系统信息传输的数据精度在很大程度上影响甚至直接决定着舰载武器的作战效能［1，2］。 因此，针对不同的通道配置和数据结构优化精度指标，通过建立误差在数据合成过程中的传递模型，并对作战系统内系统间传输的数据进行误差分析，同时对数据进行补偿，有利于提高数据精度，进一步保证作战系统运行效能，提高作战系统打击能力，具有十分重要的意义，也可以为作战系统设计人员和试验调试人员提供设计指导和实验数据的判断标准。

对舰载作战系统信息数据传输误差分析与处理的深入研究，不仅能提高试验单位和检验部门的工作效率，而且还能促使设备研制单位进一步提高设备性能和研制水平，具有重大的理论研究意义和经济效益。

本文在介绍数据误差处理的基本知识，给出误差的基本概念、误差的传递与合成公式的基础上，介绍了全舰作战系统数据传输的特性，并通过分析舰载导航航向信息传输的特点，构建相应信息传输的数学模型；最后通过一组实际测量数据对该模型进行验证说明。

2 误差基本理论

2.1 误差的基本概念

测量值与真实值之间的差值称为 “误差”（又称“绝对误差”）。误差按其表现形式不同，分为过失误差、系统误差和偶然误差三类。其中，过失误差也叫“粗差”，是一种显然与事实不符的误差，在测量过程中就被予以剔除，本文中不进行讨论；系统误差是指真实值与测量值之间的数学期望，表征测量值的准确性，系统误差也叫“准确度”；偶然误差是指误差随机部分的标准差，表征了重复测量时测量值间的一致程度，也称为“精密度”［3-5］。

2.2 误差的估计

2.2.1 系统误差的估计

系统误差估计［6，7］的目的是确定某一测量设备测量值的系统误差μδ。其方法为：

1）应用更高精度的测量设备对被测的量进行重复测量，将其所测结果的算术平均值作为被测量的真值X0。要求重复测量相互独立，且重复次数较多为好。

2）在同一条件下，用给定的测量设备，按规定的操作方法对被测的量进行独立重复测量n次，测量结果记为：X0，X1，X2，… ，Xn。

3） 求样本值 δ1， δ2，δ3， … ， δn

δi＝ Xi－ X0

并假定 δi～N （ μs， δ2） 。

4）求系统误差的估值

2.2.2 偶然误差的估计

偶然误差估计的目的是确定某一测量设备测量值的偶然误差δ方法。

1） 用上述的步骤（1）～（3）求取样本值 δ1，δ2，δ3… δn。

2）用下式求取偶然误差的估值

2.3 误差的传递与合成

假定被测量值为y，对它不能直接测量，因为它是其它m个分量y1，y2，…，ym的函数，即y＝f（y1，y2，…，ym）

我们可以对y1，y2，…，ym分别进行测量，记测量误差分别为 δ1，δ2，δ3， … ， δm；系统误差分别为 μ1，μ2，μ3， … ，μm； 偶然误差分别为 σ1，σ2，σ3，… ，σm。 问题是如何由 y1，y2，… ，ym的测量误差、系统误差、偶然误差来求函数y的测量误差、系统误差、偶然误差，即误差的合成问题。解决这类问题通常采用误差传递法。

2.3.1 主要的误差传递公式为：1）绝对误差的传递公式为：

2）偶然误差的传递公式为：

2.3.2 误差的合成

误差的合成包括间接测量系统误差的合成和间接测量偶然误差的合成。

1）间接测量系统误差的合成目的是求函数y＝f（y1，y2，…，ym）的间接测量系统误差。其方法为：

（a）先求出y1，y2，…，ym的直接测量系统误差的估值δ，δ，δ，…，δ，

（b） 用下式求函数 y＝f（y1，y2， … ，ym） 的间接测量系统误差的估值：

2）间接测量偶然误差的合成目的是求函数y＝f（y1，y2，… ，ym）的间接测量偶然误差 σy。 其方法为：

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

（b）利用偶然误差传递公式（1）计算间接测量偶然误差的估值σy。

3 数据传输特性

舰载作战系统的数据传输与其它方面的数据传输有很大的不同之处，其特点主要表现在：

1）实时性要求高。由于战场的态势信息瞬息万变，而且获取信息的手段和资源非常有限，这就要求舰载作战系统的数据传输的实时性要高，才能满足作战的需求，特别是对于高数据率的雷达跟踪信息。

2）数据精度要求高。作为全舰的武器系统平台，各分系统间的数据传输必须要有较高的精度要求，才能满足系统的作战需要，特别是武器系统的需要。

3）数据接口类型多样。由于数据传输和技术发展现状的限制，舰艇上的数据接口种类繁多，主要有数字接口和模拟接口，数字接口主要包括满足RS－232和RS－422标准的同步或异步串口、1553B接口、以太网接口：模拟接口主要包括视频、同步机和旋转变压器三种模拟接口。为了使这么多不同接口类型的传输数据实现数据信息的交互，必然为作战系统提出了较高的要求。

4）数据的局部容量和处理能力要求高。作为舰艇的作战性能体现的作战系统平台，要求在非常有限的空间内，安装部署大量的探测设备和武器系统，而且对于不同部位信息处理的能力要求也有很大的区别，例如指控系统，几乎全舰所有的信息都会在此处进行汇总处理，同时还有可能产生大量的并发数据，所以对指控系统的数据处理能力的要求就较其它系统要高得多。

5）信息传输环境复杂。舰艇空间的限制，使得大量的电器产品集中在比较小的区域内，电磁环境异常的复杂，对信息传输的介质、处理的器件的电磁特性都有很大的影响，严重的会产生信息中断或者甚至是错误信息。

此外，有些信息是不能直接测量，必须通过间接处理才能获得，甚至传输间接测量值的数据接口类型也都不一致，那么这就要求设备具有较高的数据合成处理能力，保证误差在允许的范围内，才能满足作战需求，更好地完成作战使命。

4 航向合成模型及数据处理

舰载设备的数据传输因为其特殊性，很多数据的测量只能通过间接测量的方式获得，而且每一个分量的误差变化都会对最终测量量有比较大的影响。因此，可以通过数据误差的传递与合成处理来分析最终测量量的精度，控制传输过程中的误差变化，从而满足作战需求。例如：航向是由东向速度和北向速度合成而来［8，9］，对航向的测量必须通过对东向速度和北向速度的测量而间接获得，东向速度和北向速度的误差变化对航向的测量有重大的影响。在对航向测量数据的处理中，可以建立误差处理模型，见图1。

假设东向速度为V1；北向速度为V2；则航向函数（V2不为0时）

1）利用精度更高的设备对V1和V2进行多次测量，求出两者的算术平均值作为真值V10和V20：

2）利用V1和V2的测量值和真值求出每一次测量的绝对误差 δv1i，δv2i：

3） 求出 V1和 V2的系统误差估值，为：

下面利用上述对V1和V2的测量情况来对航向进行一次间接测量，并对航向的误差进行估算。

5）绝对误差δH估算：

7）在测量过程中V1和V2是不相关的，其两两相关系数为零，故对H测量设备的偶然误差为：

在试验中，将计程仪设定的数值作为真值，东向速度 ＝5.0 m／s，北向速度 ＝3 m／s，在导航显示台上对V1和V2进行多次读数，记录如下（单位：m ／s）。

表1 V1和V2测量数据记录表

按照上述公式（2）和（3）求得对应的值。

那么，以第一组东向速度、北向速度的测量数据和航向的真值来计算航向测量的误差情况。

由上计算可知，在东向速度和北向速度的测量误差范围内，利用对东向速度和北向速度的测量对航向进行间接测量的测量误差不大，可以满足使用的精度要求。

在实际的应用中，也可以根据最终对航向精度的要求逆向推导出对东向速度和北向速度的精度要求，从而可以更好地指导设备的研制，提高设备的使用性能。

5 结束语

随着现代信息科学的发展，舰载作战系统各设备对信息传输的精度要求越来越高，特别是对于必须间接测量的值的精度控制更为重要。因此，要时刻关注测量误差在传递合成过程的变化情况，以提高对最终合成值的精度控制，从而更好地满足舰船的信息处理要求，提高装备的性能，增强舰船的作战能力。

［1］李蕾，冯浩.作战系统武器通道精度分配方法.中国舰船研究［J］.2007，2（4）：37－40.

［2］试验数据的统计分析［M］.中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会.国防工业出版社，2001.

［3］戴自立，谢荣铭，虞汉民.现代舰载作战系统（上、下册）［M］.北京：兵器工业出版社，1989.

［4］海军武器系统原理［M］.戴维.R.弗里登编.上海翻译出版公司，1991.

［5］黄书科.从速度、精度和跨度看信息化战争［J］.现代防御技术，2007，35（2）：7－10.

［6］黄满太.系统误差处理理论的方法综述［J］.西部探矿工程，2008，20（9）：177－180.

［7］邹立.动态条件下导航系统航向对准 ［J］.舰船光学，2003，39（3）：30－34.

［8］周江文.系统误差的数学处理 ［J］.测绘工，1999，8（2）：1－4.

［9］董志荣.论作战系统中时间与精度关系［J］.情报指挥控制系统与仿真技术，2000（1）：1－12.

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

吴定刚（1979 － ） ，男，硕士研究生，工程师。研究方向：舰载作战系统。E-mail：hbsandy79@ 163. com

谢红胜（1975 - ） ，男，工程师，博士。研究方向：舰载作战系统