薛長利,張名毅,丁 勤,蔣炎華,劉 江
(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)
物理量測量的目的是確定被測量的值,其基本手段是將被測量與一個(gè)作為測量單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較得出比值進(jìn)而獲得測量值[1]。
在報(bào)告物理量測量結(jié)果時(shí),一般需要給出表征測量結(jié)果質(zhì)量的值,以便于評定其精確度和可靠性。一個(gè)完整的測量結(jié)果應(yīng)包含測量值和表征測量值質(zhì)量的說明。
長期以來,人們一直使用誤差和誤差分析作為評價(jià)測量結(jié)果質(zhì)量的方法,但大多數(shù)測量結(jié)果的誤差都具有相對性。因?yàn)橐话銣y量結(jié)果的誤差(真值與測量結(jié)果之差)是隨機(jī)的,所以用誤差來定量表示測量結(jié)果的質(zhì)量存在許多爭議。在量值傳遞、檢定、測量系統(tǒng)校準(zhǔn)以及日常的精密測試活動(dòng)中,如果沒有測量結(jié)果評定方法標(biāo)準(zhǔn),測量結(jié)果不但不能相互比較,也不能保證量值傳遞的有效性?,F(xiàn)代科研、生產(chǎn)的發(fā)展亟需一種統(tǒng)一、簡明以及廣泛適用的評定測量質(zhì)量的方法。測量不確定度理論應(yīng)運(yùn)而生。
20世紀(jì)70年代,隨著數(shù)理統(tǒng)計(jì)與誤差理論的發(fā)展,人們開始探索使用測量不確定度的概念來評定測量結(jié)果。
不確定度的概念和建議是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)專家艾森哈特(Eisenhart)在研究“儀器校準(zhǔn)系統(tǒng)的精密度和準(zhǔn)確度估計(jì)”時(shí)提出的。20世紀(jì)70年代,美國國家標(biāo)準(zhǔn)局在研究和推廣測量保證方案時(shí)闡述了不確定度的概念,并逐漸開始在測量領(lǐng)域中應(yīng)用。國際電離輻射咨詢委員會(huì)(CCEMRI)就如何表達(dá)不確定度問題于1977年7月向國際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)提出了統(tǒng)一國際測量不確定度表示的提案。1980年國際計(jì)量局(BIPM)召集成立了不確定度表述工作組,在之前征集的各國計(jì)量院和國際組織意見的基礎(chǔ)上起草了建議書,推薦測量不確定度的表述原則,形成了不確定度表示的初步方法。1986年,由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國際電工委員會(huì)(IEC)、國際計(jì)量委員會(huì)、國際法制計(jì)量組織(OIML)等7個(gè)國際組織支持組成了國際不確定度工作組,負(fù)責(zé)制定用于計(jì)量、標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量、認(rèn)證、科研、生產(chǎn)中的不確定度指南。經(jīng)過多年的研究、討論,征求各國及各國際專業(yè)組織意見,反復(fù)修改,國際不確定度工作組于1993年制定了《測量不確定度表示指南(Guide to the expression of Uncertainty in Measurement)》(簡稱 GUM)[2]。GUM 是國際組織的重要權(quán)威文獻(xiàn),自1993年出版以來,得到了廣泛的發(fā)行和應(yīng)用,成為現(xiàn)代測量不確定度方法與應(yīng)用的依據(jù)[3]。當(dāng)前,GUM 在全世界的執(zhí)行已推動(dòng)不確定度理論達(dá)到了最新水平。
在我國,不確定度理論也被逐步推廣應(yīng)用,并形成了指導(dǎo)測量不確定度評定的方法、規(guī)范。1999年,國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒布了JJF 1059—1999《測量不確定度評定與表示》[4],以代替JJG 1027—1991《測量誤差及數(shù)據(jù)處理》[5]中的“測量誤差”部分。其中規(guī)定了測量中評定與表示不確定度的通用規(guī)則,適用于各種準(zhǔn)確度等級的測量領(lǐng)域,其主要內(nèi)容包括:
1)建立國家計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)及其國際比對;
2)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù);
3)測量方法、檢定規(guī)程、檢定系統(tǒng)、校準(zhǔn)規(guī)范等;
4)科學(xué)研究及工程領(lǐng)域的測量;
5)計(jì)量認(rèn)證、計(jì)量確認(rèn)、質(zhì)量認(rèn)證以及實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可;
6)測量儀器的校準(zhǔn)和檢定;
7)生產(chǎn)過程的質(zhì)量保證及產(chǎn)品的檢驗(yàn)和測試;
8)貿(mào)易結(jié)算、醫(yī)療衛(wèi)生、安全防護(hù)、環(huán)境監(jiān)測及資源測量。
GJB 3756—1999《測量不確定度的表示及評定》[6]規(guī)定了軍工測量領(lǐng)域的通用方法和準(zhǔn)則,包括不確定度的概念、評定合成方法及報(bào)告要求等內(nèi)容,并提供了不確定度評定的示例,為在我國軍工行業(yè)應(yīng)用不確定度理論奠定了方法基礎(chǔ)。隨著測量不確定度的應(yīng)用推廣,國內(nèi)先后制定了多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(參考文獻(xiàn)[7]等),涉及航空航天、機(jī)械、電子元器件、石油、礦業(yè)、能源、核技術(shù)等,為在我國推廣應(yīng)用不確定度評定方法打下了基礎(chǔ)。
我國航天工程已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域開展了測量不確定度理論的應(yīng)用。在航天計(jì)量領(lǐng)域主要的相關(guān)機(jī)構(gòu)有北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所、北京東方計(jì)量測試研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所、北京無線電計(jì)量測試研究所等,業(yè)務(wù)涉及幾何、熱學(xué)、力學(xué)、無線電計(jì)量測試、真空計(jì)量、原子頻標(biāo)等的儀器計(jì)量校準(zhǔn),以及理化分析等多個(gè)方面。
測量不確定度在計(jì)量校準(zhǔn)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括2個(gè)方面,即計(jì)量測試設(shè)備本身的測量不確定度評定和檢定報(bào)告中測量結(jié)果的不確定度評定。計(jì)量測試設(shè)備在建標(biāo)時(shí)均需要論證和測試系統(tǒng)的不確定度,并建立嚴(yán)謹(jǐn)可操作的檢定規(guī)程,保證檢定結(jié)果(量值傳遞)的準(zhǔn)確,降低不確定度水平。測試機(jī)構(gòu)在出具檢定報(bào)告的同時(shí)提供不確定度信息,既作為測量結(jié)果溯源的依據(jù),也作為送檢人進(jìn)行后續(xù)測量分析的不確定度來源。
相對而言,不確定度評定在國內(nèi)計(jì)量測試行業(yè)的應(yīng)用比在工程領(lǐng)域的應(yīng)用要廣泛和深入。例如,在真空計(jì)量領(lǐng)域,儀器儀表的計(jì)量中廣泛采用了不確定度評定方法。測量規(guī)程對測量方法、數(shù)學(xué)模型等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定,并確定測量不確定度的評定方法。對于使用的計(jì)量、校準(zhǔn)裝置,其合成不確定度作為主要指標(biāo)之一,設(shè)計(jì)者都進(jìn)行系統(tǒng)的分析和評定,以表明裝置的測試能力水平[8-10]。同時(shí),在對測量、校準(zhǔn)方法的研究上,測試計(jì)量單位都進(jìn)行了深入的研究,通過對測量方法的原理分析、試驗(yàn)研究、分類評定以及合成,提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,降低測量不確定度[11-12]。最后,在提供的檢定報(bào)告中,測量結(jié)果包含2個(gè)基本量,即被測量的最佳估計(jì)值及測量結(jié)果不確定度。
測量不確定度理論在航天單機(jī)、整星(船)等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、定型、生產(chǎn)、測試、驗(yàn)收中均有廣泛的應(yīng)用。以衛(wèi)星、飛船、運(yùn)載火箭等為代表的航天器的研制領(lǐng)域,涉及大量試驗(yàn)、測試工作,如整星(船)的力學(xué)試驗(yàn)、電磁兼容性(EMC)試驗(yàn)、總裝檢測、電(磁)性能測試等。在各類測試試驗(yàn)中,均需要對測量結(jié)果進(jìn)行分析、判讀。目前測量不確定度理論的應(yīng)用主要集中在試驗(yàn)檢測設(shè)備的性能評估及不確定度評定方法的理論研究方面。下面分別進(jìn)行介紹。
1)力學(xué)試驗(yàn)。航天器及其部組件力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)包括模態(tài)、振動(dòng)、噪聲等試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)一般需要?jiǎng)討B(tài)測量,且影響測量數(shù)據(jù)的因素較多。目前,研究人員主要是通過對已有的力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)不確定度影響因素進(jìn)行分析計(jì)算,評定力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)的總不確定度水平。同時(shí),通過分析影響不確定度的因素,改進(jìn)測量手段及方法,有效提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性[13-16]。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所承擔(dān)著衛(wèi)星、飛船部件級及整星級的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)工作,在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度評定方法上開展了初步研究,但尚未形成實(shí)際應(yīng)用。
2)EMC試驗(yàn)。航天產(chǎn)品都具有高度集成的特性,設(shè)備內(nèi)部及設(shè)備間的電磁兼容性直接影響產(chǎn)品的總體性能,在產(chǎn)品的測試階段需要通過EMC試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品性能的可靠性[17-18]。在EMC試驗(yàn)系統(tǒng)中,系統(tǒng)本身的能力影響試驗(yàn)結(jié)果的有效性。國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),用于指導(dǎo)EMC試驗(yàn)的不確定度分析與評定,其內(nèi)容與國際無線電干擾專門委員會(huì)(CISPR)標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)(見表1)。其中詳細(xì)闡述了EMC試驗(yàn)中不確定度的可能來源以及具體的評定評判方法,建立了該領(lǐng)域完整的不確定度評定規(guī)范。因此,EMC試驗(yàn)具備了不確定度評定的基礎(chǔ)保證。但在實(shí)際應(yīng)用中,由于國家軍用標(biāo)準(zhǔn)尚未在EMC試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確對數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度評定的相關(guān)要求,造成包括航天標(biāo)準(zhǔn)等在內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也多沿用較早的標(biāo)準(zhǔn)[19-21],因而對航天產(chǎn)品的EMC試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不確定度評定分析的工作尚未開展。
表1 EMC試驗(yàn)不確定度評定的國家(推薦/指導(dǎo))標(biāo)準(zhǔn)[22-26]Table 1 National (recommended/guiding)standards for uncertainty evaluation of EMC tests
3)總裝檢測。總裝檢測涉及專業(yè)較為廣泛,如三坐標(biāo)測量、激光跟蹤儀(經(jīng)緯儀)測量等形位精度測量,以及泄漏檢測(檢漏),產(chǎn)品質(zhì)量特性測試等。在目前的標(biāo)準(zhǔn)體系中,中國空間技術(shù)研究院院標(biāo)Q/W 1060—2004《航天器總裝精度測量方法》是指導(dǎo)使用經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)進(jìn)行精度測量的標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了測量航天器設(shè)備安裝精度的方法,并提及了測量結(jié)果不確定度的評定方法,但較為寬泛,針對性較差,缺乏實(shí)際指導(dǎo)意義[27]。在泄漏檢測專業(yè)中,不確定度的應(yīng)用還處于起步階段,尚未在檢漏的各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中體現(xiàn),如QJ 3088—1999《正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)方法》、QJ 3123—2000《氦質(zhì)譜真空檢漏方法》等均沒有對測量結(jié)果進(jìn)行不確定度評定的要求,更沒有具體的評定方法[28-31]。在航天產(chǎn)品的質(zhì)量特性測試專業(yè)中,航天標(biāo)準(zhǔn)QJ 1172A—1997《導(dǎo)彈、火箭質(zhì)量特性測量方法》及QJ 2258—1992《衛(wèi)星質(zhì)量特性測試方法》引入了測量不確定度理論,要求在測量報(bào)告中對測量結(jié)果進(jìn)行不確定度評定,并給出了簡要的方法[32-33],但與精度測量方法相似,缺乏針對性和操作性。不過近幾年來,隨著航天產(chǎn)品研制向精細(xì)化方向的發(fā)展,為提高檢測水平,總裝檢測各專業(yè)的不確定度研究正在逐步開展。盡管尚未形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),但在相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有大量的研究,取得了許多研究結(jié)果,可以為航天產(chǎn)品的總裝檢測提供參考,包括衛(wèi)星(飛船)精度測量系統(tǒng)不確定度水平研究、推進(jìn)系統(tǒng)多種檢漏不確定度評定方法研究等,為后續(xù)更新相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)儲備了技術(shù)基礎(chǔ)[34-39]。
4)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。我國自 20世紀(jì) 80年代開展了運(yùn)載火箭研制及試驗(yàn)的不確定度理論研究,并形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn),主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的不確定度評估,如表2所示。該系列標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)地規(guī)定了進(jìn)行不確定度評定的基本方法,并針對不同的測量量,詳細(xì)分析了不確定度來源,提供了專門的計(jì)算方法,規(guī)定了測量報(bào)告的編寫要求。該系列標(biāo)準(zhǔn)的建立和應(yīng)用為運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量提供了保證。各科研機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)廠家以此為基礎(chǔ),開展了大量有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的不確定度研究[40-41],形成了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量保證的措施。總體來說,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制試驗(yàn)在不確定度理論的應(yīng)用中,走在了我國航天工程應(yīng)用領(lǐng)域的前列。
表2 運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)不確定度評估標(biāo)準(zhǔn)[42-48]Table 2 Standards for uncertainty evaluation of the key parameters of launch vehicle motors
在航天基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,夏新濤等人[49]在航天高速滾動(dòng)軸承的性能研究中,為確保航天器良好運(yùn)行,對軸承摩擦力矩的變化狀態(tài)進(jìn)行了在線監(jiān)視與評估,通過研究軸承摩擦力矩不確定度動(dòng)態(tài)評估的模型,很好地實(shí)現(xiàn)了性能預(yù)報(bào)。潘爽等人[50]針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際測量中存在大量野值的情況,利用M估計(jì)計(jì)算各系統(tǒng)污染分布統(tǒng)計(jì)特性,應(yīng)用不確定度評定分配權(quán)值并進(jìn)行融合,通過實(shí)例分析了模型及算法選擇的優(yōu)越性。龍亮等人[51]針對航天遙感器進(jìn)行輻射精度評估時(shí)沒有統(tǒng)一計(jì)算方法的問題,對工作在不同譜段遙感器的多種輻射定標(biāo)精度計(jì)算方法進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算與研究,提出在比較不同遙感器輻射定標(biāo)精度時(shí)需要明確的約束條件,建立了客觀評價(jià)輻射定標(biāo)精度的方法。
而在航天應(yīng)用領(lǐng)域,瞿穩(wěn)科等人[52]探索了“北斗”衛(wèi)星系統(tǒng)定位的不確定度評定方法,驗(yàn)證了限定記憶卡爾曼濾波估計(jì)在評定不確定度過程中的良好表現(xiàn),比較準(zhǔn)確地描述了“北斗”系統(tǒng)定位精度變化的不確定度,為合理有效利用“北斗”系統(tǒng),提高系統(tǒng)可靠性提供了有效手段。高海亮等人[53]通過對超光譜成像儀在軌輻射定標(biāo)不確定度的分析,改進(jìn)了常規(guī)的反射率基法,實(shí)現(xiàn)了超光譜成像儀的輻射定標(biāo),使其定標(biāo)系數(shù)的不確定度優(yōu)于 7%,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境衛(wèi)星超光譜成像儀的在軌輻射定標(biāo)。趙葆常等人[54]在“嫦娥”探月衛(wèi)星的有效載荷 Sagnac空間調(diào)制型干涉成像光譜儀的定標(biāo)中,通過檢測譜線位置不確定度、光譜分辨率及在軌光譜輻射度的相對不確定度,評定干涉成像光譜儀的定標(biāo)及檢測結(jié)果不確定度為2.5%~9.5%。
可見,不確定度理論在航天基礎(chǔ)及航天應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)較為深入,且在航天產(chǎn)品的性能評估方面應(yīng)用較多,說明不確定度理論在這方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢,是評價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量的重要方法之一。
通過對測量不確定度理論及方法在我國航天領(lǐng)域尤其是在航天產(chǎn)品研制、航天應(yīng)用等相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用情況的分析可以發(fā)現(xiàn),測量不確定度理論的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛和深入,與國內(nèi)其他領(lǐng)域(行業(yè))的發(fā)展是同步的。然而整體而言,測量不確定度理論的應(yīng)用在航天各專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展并不均衡,存在著較大的差距,部分領(lǐng)域的研究相對滯后。究其原因,一方面是由于專業(yè)領(lǐng)域不同,實(shí)際工作對測量不確定度理論應(yīng)用的必要性和緊迫性的認(rèn)知不同;另一方面也是由于行業(yè)缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),沒有形成指導(dǎo)或強(qiáng)制性規(guī)定,制約了不確定度評定理論應(yīng)用的發(fā)展。
然而,測量不確定度理論具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。一方面,該理論以數(shù)理統(tǒng)計(jì)等理論為基礎(chǔ),并在誤差理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了發(fā)展,因此可以提高數(shù)據(jù)分析處理的科學(xué)性;另一方面,它提供了規(guī)范的評定方法和程序指導(dǎo),可以有效提高各專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)處理工作的規(guī)范性、一致性?,F(xiàn)在不確定度理論的應(yīng)用出現(xiàn)了多種趨勢,除了傳統(tǒng)的對設(shè)備性能或測量結(jié)果的評定外,在數(shù)值模擬分析、有限元分析等工程方法的準(zhǔn)確性研究方面也較為深入,具有很好的應(yīng)用前景。
目前我國航天事業(yè)正快速發(fā)展,型號任務(wù)呈現(xiàn)井噴式增長,這為航天各專業(yè)的發(fā)展提供了很好的機(jī)遇。不確定度理論的研究與應(yīng)用將有利于我國航天技術(shù)與國際接軌,一方面可實(shí)現(xiàn)各類計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的對標(biāo),促進(jìn)我國航天產(chǎn)業(yè)走向國際市場;同時(shí),也有利于借鑒吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),將航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析、測試試驗(yàn)等提升到國際先進(jìn)水平,顯著提高我國航天整體能力。建議在以下方面開展工作:
1)開展并推動(dòng)不確定度理論在各領(lǐng)域的應(yīng)用研究,打牢理論基礎(chǔ);
2)探索設(shè)計(jì)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等業(yè)務(wù)中應(yīng)用不確定度理論的切入點(diǎn),在關(guān)鍵特性的評價(jià)測試中引入該理論方法,初步形成理論應(yīng)用的局面;
3)新增和更新航天產(chǎn)品研制相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,將不確定度分析的概念、方法和要求融入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),形成系統(tǒng)的指導(dǎo)性文件;
4)根據(jù)產(chǎn)品特性,在航天產(chǎn)品研制的生產(chǎn)過程、質(zhì)量保證以及產(chǎn)品的檢驗(yàn)、測試中,落實(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,在產(chǎn)品指標(biāo)及檢測結(jié)果中充分反映不確定度來源及影響水平等信息,表明其產(chǎn)品控制及檢驗(yàn)質(zhì)量。
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