發布時間：2021-06-21所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要性能評估方法能夠解決試驗法無法評估定性指標,以及試驗難以開展時無法評估性能的問題,已成為支撐各類軍民裝備現代化的重要技術手段.然而,性能評估方法的指標體系,無量綱化方法及權重方法均存在不足,難以滿足精確性的要求.對于指標具有模糊性和不可公度性
摘要性能評估方法能夠解決試驗法無法評估定性指標,以及試驗難以開展時無法評估性能的問題,已成為支撐各類軍民裝備現代化的重要技術手段.然而,性能評估方法的指標體系,無量綱化方法及權重方法均存在不足,難以滿足精確性的要求.對于指標具有模糊性和不可公度性,且包含多個指標,指標間具有多層次關系的系統而言,例如,慣性組合導航系統,性能評估方法精確性尤為重要.本文梳理了慣性組合導航系統性能評估方法研究進展.首先,介紹了慣性組合導航系統性能評估方法概述,包括性能評估方法概念分析,慣性組合導航系統特殊性討論及慣性組合導航系統與性能評估方法關系分析.其次,分析了慣性組合導航系統指標體系,無量綱化方法,組合權重方法及評估方法等內容.最后,闡述慣性組合導航系統性能評估方法存在的問題及未來研究方向.
關鍵詞慣性組合導航系統,性能評估,指標體系,無量綱化方法,組合權重,評估方法
慣性組合導航系統是以慣性導航系統(InertialNavigationSystem,INS)[1]為主,其它導航系統為輔的一類導航系統,能夠充分利用多種信息源,是一種導航精度更高,可靠性更好的多功能系統[2],已廣泛應用于船舶,潛器,各種飛行器及陸上車輛[3-5].慣性組合導航系統能夠為其它系統提供各種導航信息,已成為必不可少的核心系統,支撐各類軍民裝備現代化.INS輸出參數的全面性,各參數誤差傳播的差異性,慣性組合導航系統的多樣性,軍民裝備需求的多樣性及應用環境的復雜性,使得慣性組合導航系統性能評估變得更加復雜.如何才能精確地評估不同系統的性能,是一個值得深入研究的課題.
通常,采用試驗法評估慣性組合導航系統性能,然而,試驗法存在費時和費力[6-7],當試驗難以開展時無法評估[8-9]及無法評估定性指標[10]等問題.性能評估方法作為決策領域的方法,在方案排序或優選方面得到了廣泛的應用[11-12],能夠彌補試驗法存在的不足.慣性組合導航系統性能評估作為性能評估領域的一類新問題,對性能評估方法提出了新要求.在指標體系,無量綱化方法,權重方法及評估方法等方面,都需要深入研究.
性能評估方法追求精確性主要有兩個原因:1)受追求客觀性和唯一性思想影響;2)受”科學性”思想影響,認為精確是必然的[13].只有性能評估方法每個步驟都精確,才能保證結果精確性.已有的研究成果表明,不存在絕對精確的無量綱化方法和權重方法[14].但是,追求性能評估方法某些步驟的精確性,是可行的和合理的.
慣性組合導航系統具有多屬性特點,研究過程中可以借鑒多屬性決策領域的研究經驗及研究成果.本文以慣性組合導航系統為研究對象,闡述慣性組合導航系統性能評估方法研究進展.論文結構安排如下:首先,介紹慣性組合導航系統性能評估方法概述;其次,從指標體系,無量綱化方法,組合權重方法和評估方法四方面展開,闡述慣性組合導航系統性能評估方法的四部分內容研究進展;最后,對慣性組合導航系統性能評估方法的未來研究方向進行了展望和總結.
1慣性組合導航系統性能評估方法概述
1.1性能評估方法概念分析
相比較于其它多屬性問題,由于慣性組合導航系統自身的特點,導致性能評估概念和含義有所不同,有必要深入分析慣性組合導航系統性能評估方法的定義.本節內容從信息融合領域的性能評估方法,決策領域的性能評估方法及慣性組合導航系統性能評估方法三個方面展開,闡述性能評估方法概念.
1.1.1信息融合領域的性能評估方法分析
在信息融合領域,性能評估方法定義為:參照一定的標準,對評估對象的性能優劣進行評判比較的一種認知過程[15],主要有解析分析法,蒙特卡洛實驗法,半實物仿真法及試驗驗證法,總結四種方法優缺點,如表1所示.
雖然上述方法也稱為”性能評估方法”,但其本質上屬于系統性能的驗證方法,主要用于驗證定量指標,對于定性指標無能為力.考慮到軍民裝備需求的多樣性及應用環境的復雜性,上述四種方法難以滿足慣性組合導航系統性能評估要求.
1.1.2決策領域的性能評估方法分析
除了信息融合領域的性能評估方法外,在決策領域中也有性能評估方法.調研文獻可以發現,除了性能評估方法以外,還有兩個概念與其很接近,分別為綜合評價和多準則決策,三者常容易混淆.現階段,尚無分析三者異同點的研究成果,因此,深入分析三類方法的異同點.
評估是對所研究對象或系統的某個屬性給予度量,并在此基礎上進行判斷[16].性能評估即為對系統性能進行綜合評估.評價是按照預定的目標確定研究對象的屬性,并把這種屬性變為客觀定量的計值或主觀效用的行為[17].綜合評價是對被評價對象進行客觀,公正,合理的全面評價,實際問題大多都為多屬性綜合評價問題.決策,有狹義和廣義兩種理解.狹義的含義為決策就是做出一種選擇或決定;廣義的含義為決策即是方案確定過程[18].多屬性決策即為離散多準則決策,主要解決多個屬性的有限決策方案排序或優選問題,主要特點為有限個方案.現階段,已有學者分析了三類方法中某兩類方法的異同點,總結分析結果如表2所示.
由表2中分析結果可知,三類定義是相接近的,對于某些特殊的問題,三類定義是通用的.例如,慣性組合導航系統具有多屬性特點,性能評估的目的是為了擇優.因此,可以從三類方法中選擇合適的方法,作為慣性組合導航系統的評估方法.
1.1.3慣性組合導航系統性能評估方法分析
慣性組合導航系統性能評估方法定義是研究工作開展的前提.慣性組合導航系統性能評估屬于決策領域的新問題,同樣也屬于組合導航領域的新問題.現有的研究成果在性能評估方法定義的基礎上,提出組合導航系統性能評估方法定義[21-22].具體內容為:在相同情況下,將被評估組合導航系統輸出數據,與標準系統數據進行比對,綜合評判組合導航系統的工作穩定性和數據精確性.評估過程包含兩個要求:1)標準系統和評估對象輸入數據是相同的;2)預先采集載體運動軌跡作為標準軌跡[21].
上述定義僅考慮了組合導航系統的工作穩定性和數據精確性,調研文獻發現,慣性組合導航系統綜合性能可以總結為精度性能,可靠性,穩定性及由環境適應性等構成的使用性等.此定義無法滿足慣性組合導航系統性能評估要求,因此,有必要提出慣性組合導航系統性能評估方法定義.慣性組合導航系統指標分為定量指標和定性指標,其中,精度性能,可靠性及穩定性為定量指標,使用性屬于定性指標.
慣性組合導航系統性能評估方法定義為對待評估系統屬性進行全面度量,度量方法是客觀的,合理的,并在此基礎上進行判斷.待評估系統是指慣性組合導航系統,也可以是組合導航系統,甚至是導航系統.性能評估目標是全面評估系統綜合性能,為決策者擇優提供參考意見;評估結果可以是排序形式,也可以是定量數據形式.新定義實現途徑為:對于定量指標而言,將待評估系統的輸出數據,與實驗室條件或試驗測試條件下所獲得最好結果相比較,綜合評估系統的精度性能,可靠性及穩定性等;對于定性指標而言,邀請若干位組合導航領域專家,由各位專家意見,獲得待評估系統指標值,選擇指標值中最好的值作為參考值,綜合評估系統使用性等.
由新定義可知,性能評估方法主要思想為將待評估系統與參考系統相比較,評估慣性組合導航系統性能.對于無法開展試驗的情況,可以模擬試驗生成參考數據來解決.性能評估方法能夠利用專家經驗評估定性指標,能夠橫向對比不同系統的性能評估結果,解決傳統性能評估方法排序結果無法縱向對比不同方法結果的問題,因此,慣性組合導航系統性能評估方法能夠解決試驗法存在的不足.
1.2慣性組合導航系統特殊性討論
慣性組合導航系統性能評估屬于交叉學科問題,需要分析慣性組合導航系統的特殊性.
(1)慣性組合導航系統主要由三部分核心要素組成:INS,其它導航系統及濾波算法.INS輸出的導航信息包括位置,速度及姿態等,INS主要誤差為陀螺漂移,加速度計零偏,初始位置誤差及初始速度誤差等,導航信息與誤差不屬于同一層級指標,因此,上述指標具有多屬性,多指標及多層次等特點,都為定量指標.對于慣性組合導航系統而言,使用性,操作性及環境適應性等指標也需要被考慮,這些指標屬于定性指標,因此,慣性組合導航系統具有多指標,指標具有多屬性和多層次等特點,同時包含定量指標和定性指標.
(2)在導航系統中,位置單位為米或者海里,速度單位為米每秒,因此,導航指標具有不可公度性,無法直接開展性能評估,需要消除指標不可公度性.以陀螺漂移指標為例,當陀螺漂移精度由0.01°/h提高到0.001°/h時,INS精度會提高一個量級.當陀螺漂移精度由0.02°/h提高到0.01°/h時,INS精度提升幅度與從0.03°/h提高到0.02°/h是一致的.因此,慣性組合導航系統指標既具有跨等級提升精度的特點,也具有等比例提升精度的特點.繪制慣性組合導航系統指標不可公度性示意圖,如圖1所示.需要說明的是,將陀螺漂移指標值轉化為無量綱值后,沒有單位,可以理解為單位為”1”,因此縱軸無單位標識.在圖1指標不可公度性中,利用極值法表示陀螺漂移精度等比例變化特點,利用非線性無量綱化方法表示陀螺漂移精度跨等級提升精度特點.
(3)慣性組合導航系統指標具有模糊性.模糊性的含義為:客觀事物的差異在中介過渡中所呈現的”亦此亦彼”性,表現為排中律的缺陷,造成事物的邊界不清晰(盡管結果已知)[23].假設INS要求陀螺漂移精度優于0.001°/h,即0.001°/h是容許的,而0.0011°/h是不容許的.但是,兩者對導航精度影響并不是很大,本質上并無區別.從容許到不容許的過程中,實際上有一中介過渡階段.若要考慮這一中介情況,那么陀螺漂移精度邊界變得不清晰,因此,陀螺漂移指標具有模糊性.
(4)慣性組合導航系統指標具有粗糙性.粗糙性是指由于當前階段掌握的信息不足,造成概念刻畫的不明確,這種不明確性會隨著時間推移和信息增加而消失[24].需要注意的是,其與模糊性之間的區別.模糊性是無法給出清晰準確的界限而產生的不確定性,不會隨著時間推移而消失.在INS中,陀螺性能受溫度影響,當外界溫度超出陀螺工作溫度時,會影響陀螺性能,進而對系統輸出導航參數產生影響,現階段還無法明確溫度對慣性組合導航系統性能的影響程度.隨著科學技術不斷發展和人類對慣性組合導航系統的認識不斷加深,將來會研究出溫度對系統性能影響,以及其它現階段還無法準確描述的指標關系.
1.3慣性組合導航系統與性能評估方法關系分析
性能評估方法主要由指標體系,無量綱化方法,權重方法及評估方法等內容組成[16],四部分內容間關系如圖2所示,分別對應圖2中-„.性能評估方法四部分內容與慣性組合導航系統間關系如下:
(1)慣性組合導航系統具有多屬性和多指標的特點,且指標間具有層次關系,指標體系不是由各部分指標體系簡單組合而成,需要研究慣性組合導航系統指標體系.
(2)導航指標具有不可公度性,需要無量綱化.極值法特點為指標值與無量綱值間呈等比例關系,非線性無量綱化方法特點為指標值變化速率不為定值,現階段尚無適用于導航指標特殊性的無量綱化方法.
(3)通常,利用組合權重法解決單一權重存在的不足,然而,傳統組合權重方法的組合系數根據實際問題設定,求解精度低,解決方法為建立組合權重優化模型.在組合權重優化模型中,常常會具有非線性,包含等式約束等特點,如何準確求解組合系數是一個難點問題.
(4)評估方法主要思想為借助于數學方法,將指標值與權重值合成為一個整體評估值,評估方法的選擇取決于指標體系和指標的特點.需要深入剖析慣性組合導航系統指標體系和指標的特點,指導選擇合適的評估方法.
第一部分關系,第二部分關系和第四部分關系可以概括為:由于慣性組合導航系統本身的特殊性,導致指標體系和無量綱化方法都難以適用,同時,由于慣性組合導航系統指標和指標體系的特殊性,對評估方法提出新的要求;第三部分關系可以概括為:性能評估精確性對權重方法提出新的要求.
2慣性組合導航系統指標體系研究進展
指標體系是開展慣性組合導航系統性能評估方法研究的基礎.依據慣性組合導航系統指標特點建立指標體系,再由指標及指標體系的特點選擇合適的評估方法.通常,指標體系需要遵循目的性,完備性,可操作性,獨立性,顯著性及動態性等六個原則[25].
慣性組合導航系統是在多個子導航系統的基礎上,利用濾波技術組合各系統的導航信息[26-28].從指標體系角度看,涉及到了單一導航系統,濾波算法及組合導航系統等方面的指標體系,因此,從這三個方面展開,闡述慣性組合導航系統指標體系研究進展.
2.1單一導航系統指標體系分析
INS和全球導航衛星系統(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)作為應用最為廣泛兩類導航系統,得到學者們廣泛關注[29].因此,以INS和GNSS為研究對象,闡述單一導航系統指標體系研究進展.
(1)INS指標體系
徐博等[30]從導航指標及可靠性,維修性,經濟性等通用性指標角度,建立捷聯慣性導航系統(StrapdownINS,SINS)多級指標體系.李軍偉等[31]為解決SINS測試過程中指標多,存在不確定性等問題,建立精度測試,穩定性測試及可靠性測試等通用指標為主的三級指標體系.
(2)GNSS指標體系
楊軍等[32]為了評估衛星導航系統綜合性能,建立主要指標為導航定位能力,授時能力,軍事作戰能力,通信能力及測量測繪和氣象保障能力的三級指標體系.安雪瀅等[33]建立三級衛星系統效能評估指標體系,主要指標為對地偵察,大氣探測,導航定位,環境監測,導航預警和地圖測繪等.項磊等[34]為解決衛星面對多任務觀測時,無法準確評估任務完成效能的問題,建立衛星評估指標體系,衛星效能指標主要為對地覆蓋效能,任務規劃效能及星地資源調度效能.
相關期刊推薦：《自動化學報》本刊于1963年創刊，刊載自動化科學與技術領域的高水平理論性和應用性的科研成果，內容包括：1)自動控制;2)系統理論與系統工程;3)自動化工程技術與應用;4)自動化系統計算機輔助技術;5)機器人;6)人工智能與智能控制;7)模式識別與圖象處理;8)信息處理與信息服務;9)基于網絡的自動化等。學報編輯委員會由世界各地自動化領域的權威學者組成，編輯部設在中國科學院自動化研究所[2]。
由上述分析結果可知,從不同角度出發,建立了多種指標體系,并不是所有的指標都可用于慣性組合導航系統.對于INS而言,導航指標和可靠性指標可以使用,維修性指標屬于慣性組合導航系統使用性指標范疇,也可以使用;經濟性指標無法使用,其原因為在軍民裝備導航系統中,通常不從經濟性角度建立指標體系.對于GNSS而言,導航定位能力是需要重點考慮的指標,通訊能力也需要考慮,屬于慣性組合導航系統使用性指標范疇.
2.2濾波算法指標體系分析
由于表征濾波器性能指標都為定量指標,有利于研究濾波器性能評估方法,現階段已有大量研究成果[35-38].
在深空導航領域,唐鵬[35]提出基于層次分析法(AnalyticHierarchyProcess,AHP)的導航系統濾波性能評估方法.表征濾波性能的指標為精度,可用性,連續性,實時性及穩定性等指標.張薇[36]提出深空探測導航系統濾波性能評估方法,評估指標為精度,可用性,連續性和實時性等.程進偉等[37]設計卡爾曼濾波算法性能評估方法,主要評估指標為算法復雜度,濾波質量及算法穩定性,建立三層指標體系.趙欣等[38]提出基于模糊綜合評估(FuzzyComprehensiveEvalua-tion,FCE)的組合導航信息融合評估方法,信息融合指標為精度,實時性,穩定性及可靠性.Wang等[29]將表征融合算法的精度,實時性,穩定性及可用性等指標,擴展為復雜度,精度,有效程度(EffectiveExtent),容錯性,收斂性和魯棒性等指標,建立組合導航系統融合算法新指標體系.
在上述文獻中,實時性,穩定性和可靠性指標都可用于慣性組合導航系統,精度指標本質上是表征慣性組合導航系統的精度性能,同樣可以使用.
2.3組合導航系統指標體系分析
在文獻[38]濾波算法指標基礎上,張志強[39]引入穩定性,使用性及可靠性等指標,建立了組合導航系統指標體系,存在無法評估跨極區和極區條件對系統性能影響的問題.陳晶等[40]僅考慮精度性能,建立慣導/重力匹配導航性能指標體系,設計閾值法和遍歷法相結合的定量性能評估方法,存在指標不全面,指標體系較為簡單等問題.翟峻儀[41]建立組合導航系統性能評估指標體系,其中,二級指標為慣性測量單元指標,INS指標,GNSS指標及GNSS/INS指標,從實驗測試的角度,選擇合適的評估設備評估組合導航系統性能,僅包含定量指標,無法評估定性指標.
在文獻[29]指標的基礎上,Cheng等[10]將評估指標擴展為三大類:精度指標,穩定性指標及使用性指標,并將以導航信息為主的指標擴展至器件層指標,建立INS/GNSS組合導航系統四級指標體系,如圖3所示.然而,此指標體系無法評估跨極區和極區條件對系統精度性能影響.
由上述分析內容可知,現有的組合導航系統指標體系還不全面,存在無法評估跨極區和極區條件對系統精度性能影響的問題.在各類軍民裝備中,最終目標是為了在全球范圍內安全航行,需要考慮極區獨特的環境,例如,跨極區和極區條件對導航性能的影響,高低溫對陀螺儀性能的影響,以及極區條件下慣性組合導航系統的系統適應性等.——論文作者：董銘濤1程建華1趙琳1劉萍1
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