慣性儀表測試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

王常虹，董燕琴，陳效真，任順清

（1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間控制與慣性技術(shù)研究中心，哈爾濱150080；2．火箭軍裝備研究院，北京100085；3．北京航天控制儀器研究所，北京100039）

慣性儀表測試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

王常虹1，董燕琴2，陳效真3，任順清1

（1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間控制與慣性技術(shù)研究中心，哈爾濱150080；2．火箭軍裝備研究院，北京100085；3．北京航天控制儀器研究所，北京100039）

首先對慣性儀表測試技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析，指出了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。其次，討論了幾種典型的試驗方法及存在的問題。最后，針對現(xiàn)狀給出了慣性儀表測試技術(shù)的發(fā)展建議。

慣性儀表；測試；試驗

Abstract：The state of art of the inertial instrument test technology is briefly reviewed and the development trend of the field is pointed out．Based on the discussion of several typical testmethods and existing problems，some suggestions for the future research of the field are given according to the present situation．

Key w ords：inertial instrument;measurement;test

0 引言

“科學(xué)始于測量”，測量是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，是人們從客觀事物中提取所需信息，借以認(rèn)識客觀事物，并掌握其客觀規(guī)律的一種科學(xué)方法。測試是測量和試驗的綜合，是獲取信息的重要手段。在人類社會進入高度信息化的今天，“測試信息就是戰(zhàn)略信息”。

慣性儀表測試貫穿于儀表設(shè)計、制造和使用的全過程，一般可分為研究性測試、鑒定性測試和應(yīng)用性測試。目的是揭示儀表誤差的產(chǎn)生機理，準(zhǔn)確、客觀、全面地評價儀表的性能，對儀表的設(shè)計、制造和使用提供指導(dǎo)和依據(jù)，具有很強的基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性。

慣性儀表測試以能精確地描述儀表性能的模型方程為基礎(chǔ)，測試過程應(yīng)能夠精確地測量模型方程的系數(shù)。通過測試所獲得的模型方程應(yīng)能夠準(zhǔn)確反映儀表在給定試驗條件下的特性，并對儀表的未來工作狀態(tài)給出準(zhǔn)確的預(yù)測。測量的準(zhǔn)確性、試驗的真實性、數(shù)據(jù)記錄的完整性和可追溯性是衡量測試技術(shù)的重要指標(biāo)。

近年來我國慣性儀表的研制進步顯著，但與美國、俄羅斯、歐洲的一些國家相比，在儀表的精度、合格品率、可靠性和實際使用等方面仍存在一定的差距。究其原因，除了基礎(chǔ)原材料、元器件和零部件生產(chǎn)、加工與制造上的差距之外，對儀表誤差形成機理認(rèn)識不充分、產(chǎn)品性能指標(biāo)表征體系不完善、與之配套的測試方法和測試設(shè)備的發(fā)展相對滯后等因素一直是制約我國慣性儀表性能提升的 “瓶頸”性因素之一。因此，大力開展慣性儀表的測試技術(shù)研究，對推動慣性技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的理論與實際意義。

本文對慣性儀表測試技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析，指出了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，對幾種典型的試驗方法及存在的問題進行了討論，提出了未來發(fā)展建議。

1 發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

慣性儀表測試通常是指在實驗室條件下，將慣性裝置測試設(shè)備產(chǎn)生的各種激勵作為儀表的輸入，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取儀表的輸出，通過數(shù)據(jù)處理來確定儀表的性能參數(shù)或從數(shù)據(jù)分離出儀表的誤差模型系數(shù)。所以，慣性測試技術(shù)一般包括慣性儀表的誤差機理分析與建模、慣性裝置測試設(shè)備的研制與測試環(huán)境的控制、試驗方法的設(shè)計、數(shù)據(jù)采集與處理、誤差模型系數(shù)辨識方法、評價與補償?shù)葞追矫娴膬?nèi)容。

美、俄等發(fā)達國家一直高度重視慣性儀表測試技術(shù)的研究。對慣性儀表在±1g靜態(tài)條件下、高過載動態(tài)條件下和溫度、氣壓、重力場、地磁場等多物理場作用下的測試具有完善的標(biāo)準(zhǔn)和體系規(guī)范。以大量準(zhǔn)確、詳實的測試數(shù)據(jù)為支撐，對慣性儀表的誤差形成機理、建模、標(biāo)定、補償、精度驗證及評估等方面研究系統(tǒng)深入，技術(shù)水平居世界領(lǐng)先地位，為慣性儀表的研制及使用提供了充分的保障。

我國從20世紀(jì)60年代末至今，以哈爾濱工業(yè)大學(xué)、航空303所、中船6354所、北京航天控制儀器研究所為代表的慣性裝置測試設(shè)備研制單位，經(jīng)過幾代人的艱苦努力，打破了國外的技術(shù)封鎖，實現(xiàn)了包括分度頭、位置轉(zhuǎn)臺、速率轉(zhuǎn)臺、線振動臺、角振動臺、離心機和火箭橇等高精度慣性裝置測試設(shè)備的國產(chǎn)化，逐步縮短了與世界領(lǐng)先水平的差距，為慣性技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻。但與美、俄等軍事強國相比，我國在慣性儀表測試技術(shù)領(lǐng)域還存在較大差距，并且精度越高差距越明顯。在中、低精度和大批量產(chǎn)品測試層面，差距主要表現(xiàn)在在線測試效率和智能化、自動化、集成化程度上；在高精度產(chǎn)品層面，則表現(xiàn)為對整個測試體系認(rèn)識上的差距，對慣性儀表性能參數(shù) “測不了、測不全、測不準(zhǔn)和信不過”的問題始終存在。對慣性裝置系統(tǒng)，則是系統(tǒng)高過載動態(tài)條件下和溫度、氣壓、重力場、地磁場等多復(fù)雜物理場作用下的仿真測試和數(shù)據(jù)處理。為此，需要在慣性儀表誤差激勵與響應(yīng)機理、測量誤差與不確定度評估理論、測試與試驗大數(shù)據(jù)智能推演技術(shù)、單表測試與系統(tǒng)級測試的關(guān)聯(lián)度評價技術(shù)、全壽命周期性能精度指標(biāo)體系的科學(xué)表征技術(shù)、測試方法及專用設(shè)備設(shè)施體系構(gòu)建與評估技術(shù)等方面，開展持續(xù)、深入的研究。

當(dāng)前新材料、新器件、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展十分迅猛，多學(xué)科相互借鑒和滲透將極大地推動測試技術(shù)水平的提升，從而使未來高精度慣性儀表測試技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)以下幾方面的技術(shù)特征：

（1）數(shù)理推演，精準(zhǔn)量化

高精度慣性儀表包含光、機、電、液、氣、磁等多種高精密元器件，在實際系統(tǒng)中工作時除了要承受過載、振動、沖擊等作用，還將受到溫度、壓力、電場、磁場、輻照和重力場等多種物理場耦合環(huán)境因素的影響，其誤差形成機理十分復(fù)雜。

從機理研究入手，以數(shù)理推演為支撐，建立完整的高精度慣性儀表數(shù)學(xué)模型；通過分析儀表的應(yīng)用任務(wù)剖面，建立與實際使用相匹配的溫度、壓力、電磁場、重力場、過載、振動、沖擊等外部激勵基準(zhǔn)；通過大量的科學(xué)試驗，科學(xué)激勵真實響應(yīng)，采用智能輔助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對模型參數(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)量化；最終達到科學(xué)揭示物理結(jié)構(gòu)體真實特性和實用效能，使測試狀態(tài)與需求實用相一致，測試結(jié)果與理論模型相一致，測試數(shù)據(jù)邏輯可信、可追溯的目的。

（2）虛實結(jié)合，全程覆蓋

慣性儀表傳統(tǒng)的研制程序是從設(shè)計到制造再到實物試驗和驗證評估的過程，整個過程以實物驗證為主，特別是系統(tǒng)級的試驗與評價一般通過最后的大型地面試驗或者飛行試驗進行，這未能涵蓋慣性裝置全壽命過程周期數(shù)據(jù)，不能真實反應(yīng)產(chǎn)品工程應(yīng)用的適應(yīng)性。同時等到大型地面試驗或者飛行試驗進行，往往會造成試驗與評價的周期長、風(fēng)險大，并且受經(jīng)費的限制，很難對產(chǎn)品的性能進行全面的驗證，一旦出現(xiàn)問題就必須回到最初的設(shè)計中進行技術(shù)狀態(tài)歸零，損失巨大。

虛擬試驗驗證以建模仿真、虛擬現(xiàn)實和知識工程方法為基礎(chǔ)，在一個由性能模型、耦合環(huán)境、流程引擎和可視化交互機制構(gòu)成的數(shù)字化試驗平臺中模擬真實產(chǎn)品的物理試驗過程，具有風(fēng)險低、效率高、覆蓋性強等特點。

虛擬試驗可以彌補實物試驗的不足，支持試驗與評價工作提高安全、效率和效能，已成為與實物試驗并舉的一種新的試驗形式。虛擬試驗的成功建立在大量實物試驗積累的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，與實物試驗相輔相成、相得益彰。

在數(shù)字化技術(shù)、信息技術(shù)等高新技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用推動下，慣性儀表研制方式將從傳統(tǒng)的實物試驗—改進實物—再試驗的以實物試驗為主的模式，向試驗建模—仿真與虛擬試驗—改進模型—實物驗證的 “虛實結(jié)合”的迭代過程轉(zhuǎn)變，并覆蓋儀表的全壽命過程。

（3）測試自動化，分析智能化

隨著慣性儀表性能的提升和產(chǎn)能的擴大，對測試設(shè)備的精度和測試效率要求將越來越高，測試過程的自動化、數(shù)據(jù)分析和處理的智能化、測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化需求將越來越強烈。對儀表進行自動化測試，實現(xiàn)慣性儀表在測試設(shè)備上自動裝夾、自動對準(zhǔn)、自動測試與數(shù)據(jù)采集，運用機器學(xué)習(xí)等人工智能手段對測試數(shù)據(jù)進行綜合分析和處理，減少人為干擾，從而提高測試精度，實現(xiàn)對儀表性能的準(zhǔn)確評測，是慣性儀表測試技術(shù)發(fā)展中不斷追求的目標(biāo)。

2 幾種典型的試驗方法

2.1 重力場試驗

地球有4個重要的物理矢量，包括重力加速度、地球自轉(zhuǎn)角速率、電場、地磁場。而地球表面除受重力加速度、地球自轉(zhuǎn)角速率、電場、地磁場影響之外，還受氣壓、溫度、潮汐以及測試周邊電磁、動態(tài)應(yīng)力環(huán)境的隨機干擾。在地球表面進行慣性儀表的測試，要考慮當(dāng)?shù)刂亓铀俣扰c地球自轉(zhuǎn)角速率的影響，有時把它們當(dāng)作高精度的參考基準(zhǔn)使用，有時需當(dāng)作干擾量予以消除。陀螺儀、加速度計或由它們組成的慣性組合，均可在重力場下利用這2個物理量進行試驗。

陀螺儀重力場試驗通常包括±1g試驗、翻滾試驗、多位置試驗和伺服試驗，使用的測試設(shè)備包括分度頭、位置轉(zhuǎn)臺和速率轉(zhuǎn)臺，主要用于傳統(tǒng)的機械式陀螺儀分離與比力有關(guān)的誤差項系數(shù)。前3項試驗是陀螺儀基于力反饋工作狀態(tài)的試驗，受力矩器穩(wěn)定性的限制，國內(nèi)現(xiàn)陀螺儀力反饋試驗的精度有限，仍有較大的提升空間。伺服試驗用于測試陀螺儀的長期性能和綜合漂移，能反映陀螺儀在慣導(dǎo)系統(tǒng)中的工作狀態(tài)。因不受力矩器性能參數(shù)變化的影響，伺服試驗在足夠長的試驗時間內(nèi)可達到非常高的測試精度，可用較長的測試時間換取較高的測試精度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)與北京航天控制儀器研究所合作，在自主研制的高精度測試轉(zhuǎn)臺上對靜壓液浮陀螺開展了伺服試驗研究，達到良好的試驗效果。

針對加速度計重力場多位置翻滾試驗，國內(nèi)多家單位開展了大量的試驗研究。在與傳統(tǒng)的六位置試驗方案進行對比研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)出新的多位置試驗方法，同時開展了重力場試驗設(shè)備誤差的分離方法研究，如正交雙加速度計、四加速度計的多位置試驗方法等，以消除測試設(shè)備轉(zhuǎn)角誤差對多位置試驗精度的影響。

基于量子理論的新型慣性儀表，因其超高精度和超高分辨率的優(yōu)異特性受到各國的重視。對于這類慣性儀表，傳統(tǒng)的重力場下的試驗受到了挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的測試技術(shù)已無法滿足要求，能否根據(jù)天文學(xué)、地球物理學(xué)的研究成果，利用地球潮汐包括固體潮產(chǎn)生的地球自轉(zhuǎn)角速率的周期性變化和引力的周期變化作為激勵，也就是將原來認(rèn)為是干擾的量，現(xiàn)在將其當(dāng)作激勵輸入量來標(biāo)定高精度的慣性儀表，將是一個值得研究的課題。

2.2 高過載試驗

典型的高過載試驗，包括實驗室環(huán)境下的精密離心機試驗和低頻線振動臺試驗，以及模擬慣性儀表使用環(huán)境的車載、機載和火箭橇試驗。這些試驗方法中，帶反轉(zhuǎn)平臺離心機（又稱雙軸離心機）能夠為待測儀表提供大過載的常值或諧波線加速度參考輸入，已經(jīng)成為陀螺加速度計、撓性加速度計精度和性能評測的重要手段。低頻線振動臺能夠為慣性儀表提供低頻大過載正弦線加速度輸入，與精密離心機相比具有寄生角運動小、研制和試驗成本低的特點，但是精度略低。車載和機載試驗是目前較常采用的慣導(dǎo)系統(tǒng)精度考核手段，缺點是誤差激勵不夠，只能達到幾個g?；鸺猎囼炇球炞C慣導(dǎo)系統(tǒng)在復(fù)合環(huán)境下的誤差模型、評定制導(dǎo)系統(tǒng)誤差模型精度以及分離大過載條件下慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差系數(shù)的有效手段。慣導(dǎo)系統(tǒng)火箭橇試驗技術(shù)要求火箭橇軌參數(shù)精度苛刻，費用昂貴，在國內(nèi)還屬于一門新興的試驗技術(shù)。

針對一些成本較高的試驗，如大型的精密離心機試驗，需要進行試驗的優(yōu)化設(shè)計，在測試精度和試驗成本代價之間進行權(quán)衡。隨著慣性器件精度的不斷提升，慣性裝置測試設(shè)備誤差源的影響在誤差模型系數(shù)標(biāo)定誤差中的比重越來越大，如離心機靜態(tài)半徑測量誤差、安裝誤差、失準(zhǔn)角誤差對加速度計高階誤差項辨識精度有較大影響，需要對測試設(shè)備誤差源進行分析。將測試設(shè)備誤差考慮到標(biāo)定誤差模型中，采用在線自動補償?shù)姆椒ê驼`差抑制技術(shù)，減小測試設(shè)備誤差對慣性儀表誤差模型系數(shù)標(biāo)定的影響。在測試設(shè)備誤差分離與補償研究方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)取得了很好的研究成果，并在所研制的精密離心機和線振動臺對石英加速度計和陀螺加速度計的測試中進行了驗證。

2.3 復(fù)合試驗

復(fù)合試驗是指慣性儀表在多種激勵同時作用下的試驗方式。與單項序貫試驗方式相比，復(fù)合試驗更接近于慣性儀表的實際使用環(huán)境，是高精度慣性裝置工程應(yīng)用測試試驗評價的趨勢。它有助于深入研究和評價慣性儀表在實際工作情況下的性能，尤其對光學(xué)和微機械慣性儀表。其誤差特性受溫度、電磁場、振動、過載等環(huán)境因素的影響很大，帶有環(huán)境模擬的復(fù)合試驗更顯現(xiàn)出重要性。目前，國內(nèi)已研制出帶有溫度、磁場監(jiān)控裝置的慣性裝置測試設(shè)備，以及能夠?qū)崿F(xiàn)多軸協(xié)調(diào)線運動和角運動的復(fù)合測試設(shè)備，并開展了線振動與角振動、過載與線振動復(fù)合試驗方法的研究。

復(fù)合試驗設(shè)備由于耦合因素較多，設(shè)備精度和測試誤差的分離是目前存在的主要問題。

3 發(fā)展建議

慣性儀表測試技術(shù)是慣性技術(shù)的重要組成部分，其發(fā)展必須滿足甚至超前于慣性產(chǎn)品的需求。基于當(dāng)前我國慣性儀表研制、生產(chǎn)和使用性能提升的現(xiàn)實需求，需要整體謀劃，超前布局，重點開展以下工作：

（1）深化需求牽引，滿足使用需要

針對慣性儀表高精度、高可靠、實用化的總體需求，深入開展測試技術(shù)基礎(chǔ)研究工作。以理論和機理指導(dǎo)設(shè)備與方法研究，以設(shè)備應(yīng)用、方法規(guī)范促進儀表性能提升，實現(xiàn)便捷、高效、可信、精準(zhǔn)的測試技術(shù)需求，推動慣性技術(shù)提升。

（2）緊跟國際前沿，推進探索創(chuàng)新

密切跟蹤測試技術(shù)國際前沿，針對當(dāng)前慣性儀表高精度、大過載和多物理場復(fù)合環(huán)境下的測試，開展新興計算科學(xué)指導(dǎo)下的慣性裝置全壽命周期大數(shù)據(jù)解析應(yīng)用、專用測試方法與專用測試設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，提升智能化與自動化水平，提升微量參數(shù)統(tǒng)籌積累辨析預(yù)警預(yù)判水平。針對未來量子陀螺等超高精度慣性儀表，重點開展新機理、新方法和新設(shè)備的探索，超前制定測試與試驗規(guī)劃。

（3）完善體系構(gòu)建，實現(xiàn)互聯(lián)共享

采用成體系系統(tǒng)（System of Systems，SoS）設(shè)計思路，逐步完善 “虛實結(jié)合”的綜合化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化測試與試驗標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。整合國內(nèi)相關(guān)人力與物力資源，集成慣性裝置設(shè)計生產(chǎn)和存儲應(yīng)用、全壽命過程數(shù)據(jù)資源，以開放思維、加密控制，全方位統(tǒng)籌判讀、集智協(xié)同攻關(guān)，制定統(tǒng)一的技術(shù)、程序標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)規(guī)范和通用的結(jié)構(gòu)管理，實現(xiàn)同行業(yè)、同型號任務(wù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享，避免重復(fù)勞動而導(dǎo)致的研制成本增加。

（4）加強人才培養(yǎng)，強化基礎(chǔ)支撐

加強創(chuàng)新人才培養(yǎng)和專業(yè)隊伍建設(shè)，加強慣性裝置相關(guān)算法軟件創(chuàng)新研究，使慣性儀表研發(fā)技術(shù)人員與專業(yè)測試與試驗技術(shù)人員有機結(jié)合，使測試設(shè)備與相關(guān)機理算法軟件相容。建立健全激勵機制，夯實測試與試驗保障技術(shù)基礎(chǔ)，適應(yīng)新形勢下的新需求。

4 結(jié)論

我國慣性技術(shù)的發(fā)展在經(jīng)過了引進、仿制、消化吸收，解決有無以后，已進入到提升、創(chuàng)新和引領(lǐng)的新階段。對慣性儀表誤差機理的深入研究成為進一步創(chuàng)新發(fā)展的重要課題，對慣性裝置全壽命周期有效性能測試，大數(shù)據(jù)的解析判讀也成為進一步創(chuàng)新的支撐基礎(chǔ)，這無疑對測試試驗技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。為此，應(yīng)從慣性儀表性能、應(yīng)用領(lǐng)域及使用環(huán)境指標(biāo)表征體系和測試與試驗方法及專用設(shè)備設(shè)施體系兩大體系融合建設(shè)出發(fā)，開展細(xì)致、深入和持續(xù)的研究工作，解決對慣性儀表性能參數(shù) “測不了、測不全、測不準(zhǔn)和信不過”的問題，這對我國慣性技術(shù)的長期發(fā)展具有重要意義。

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Developm en t Trend and Situation of Inertial Instrum ent M easurem en t Technology

WANG Chang?hong1，DONG Yan?qin2，CHEN Xiao?zhen3，REN Shun?qing1
（1．Space Control and Inertial Technology Research Center，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080; 2．The Equipment Academy of the Rocket Force，Beijing 100085; 3．Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

U666．1

A

1674?5558（2017）07?01401

10．3969／j．issn．1674?5558．2017．04．016

王常虹，男，教授，研究方向為慣導(dǎo)測試設(shè)備、導(dǎo)航與控制。

2017?04?25