摘要性能评估方法能够解决试验法无法评估定性指标,以及试验难以开展时无法评估性能的问题,已成为支撑各类军民装备现代化的重要技术手段.然而,性能评估方法的指标体系,无量纲化方法及权重方法均存在不足,难以满足精确性的要求.对于指标具有模糊性和不可公度性,且包含多个指标,指标间具有多层次关系的系统而言,例如,惯性组合导航系统,性能评估方法精确性尤为重要.本文梳理了惯性组合导航系统性能评估方法研究进展.首先,介绍了惯性组合导航系统性能评估方法概述,包括性能评估方法概念分析,惯性组合导航系统特殊性讨论及惯性组合导航系统与性能评估方法关系分析.其次,分析了惯性组合导航系统指标体系,无量纲化方法,组合权重方法及评估方法等内容.最后,阐述惯性组合导航系统性能评估方法存在的问题及未来研究方向.
关键词惯性组合导航系统,性能评估,指标体系,无量纲化方法,组合权重,评估方法
惯性组合导航系统是以惯性导航系统(InertialNavigationSystem,INS)[1]为主,其它导航系统为辅的一类导航系统,能够充分利用多种信息源,是一种导航精度更高,可靠性更好的多功能系统[2],已广泛应用于船舶,潜器,各种飞行器及陆上车辆[3-5].惯性组合导航系统能够为其它系统提供各种导航信息,已成为必不可少的核心系统,支撑各类军民装备现代化.INS输出参数的全面性,各参数误差传播的差异性,惯性组合导航系统的多样性,军民装备需求的多样性及应用环境的复杂性,使得惯性组合导航系统性能评估变得更加复杂.如何才能精确地评估不同系统的性能,是一个值得深入研究的课题.
通常,采用试验法评估惯性组合导航系统性能,然而,试验法存在费时和费力[6-7],当试验难以开展时无法评估[8-9]及无法评估定性指标[10]等问题.性能评估方法作为决策领域的方法,在方案排序或优选方面得到了广泛的应用[11-12],能够弥补试验法存在的不足.惯性组合导航系统性能评估作为性能评估领域的一类新问题,对性能评估方法提出了新要求.在指标体系,无量纲化方法,权重方法及评估方法等方面,都需要深入研究.
性能评估方法追求精确性主要有两个原因:1)受追求客观性和唯一性思想影响;2)受”科学性”思想影响,认为精确是必然的[13].只有性能评估方法每个步骤都精确,才能保证结果精确性.已有的研究成果表明,不存在绝对精确的无量纲化方法和权重方法[14].但是,追求性能评估方法某些步骤的精确性,是可行的和合理的.
惯性组合导航系统具有多属性特点,研究过程中可以借鉴多属性决策领域的研究经验及研究成果.本文以惯性组合导航系统为研究对象,阐述惯性组合导航系统性能评估方法研究进展.论文结构安排如下:首先,介绍惯性组合导航系统性能评估方法概述;其次,从指标体系,无量纲化方法,组合权重方法和评估方法四方面展开,阐述惯性组合导航系统性能评估方法的四部分内容研究进展;最后,对惯性组合导航系统性能评估方法的未来研究方向进行了展望和总结.
1惯性组合导航系统性能评估方法概述
1.1性能评估方法概念分析
相比较于其它多属性问题,由于惯性组合导航系统自身的特点,导致性能评估概念和含义有所不同,有必要深入分析惯性组合导航系统性能评估方法的定义.本节内容从信息融合领域的性能评估方法,决策领域的性能评估方法及惯性组合导航系统性能评估方法三个方面展开,阐述性能评估方法概念.
1.1.1信息融合领域的性能评估方法分析
在信息融合领域,性能评估方法定义为:参照一定的标准,对评估对象的性能优劣进行评判比较的一种认知过程[15],主要有解析分析法,蒙特卡洛实验法,半实物仿真法及试验验证法,总结四种方法优缺点,如表1所示.
虽然上述方法也称为”性能评估方法”,但其本质上属于系统性能的验证方法,主要用于验证定量指标,对于定性指标无能为力.考虑到军民装备需求的多样性及应用环境的复杂性,上述四种方法难以满足惯性组合导航系统性能评估要求.
1.1.2决策领域的性能评估方法分析
除了信息融合领域的性能评估方法外,在决策领域中也有性能评估方法.调研文献可以发现,除了性能评估方法以外,还有两个概念与其很接近,分别为综合评价和多准则决策,三者常容易混淆.现阶段,尚无分析三者异同点的研究成果,因此,深入分析三类方法的异同点.
评估是对所研究对象或系统的某个属性给予度量,并在此基础上进行判断[16].性能评估即为对系统性能进行综合评估.评价是按照预定的目标确定研究对象的属性,并把这种属性变为客观定量的计值或主观效用的行为[17].综合评价是对被评价对象进行客观,公正,合理的全面评价,实际问题大多都为多属性综合评价问题.决策,有狭义和广义两种理解.狭义的含义为决策就是做出一种选择或决定;广义的含义为决策即是方案确定过程[18].多属性决策即为离散多准则决策,主要解决多个属性的有限决策方案排序或优选问题,主要特点为有限个方案.现阶段,已有学者分析了三类方法中某两类方法的异同点,总结分析结果如表2所示.
由表2中分析结果可知,三类定义是相接近的,对于某些特殊的问题,三类定义是通用的.例如,惯性组合导航系统具有多属性特点,性能评估的目的是为了择优.因此,可以从三类方法中选择合适的方法,作为惯性组合导航系统的评估方法.
1.1.3惯性组合导航系统性能评估方法分析
惯性组合导航系统性能评估方法定义是研究工作开展的前提.惯性组合导航系统性能评估属于决策领域的新问题,同样也属于组合导航领域的新问题.现有的研究成果在性能评估方法定义的基础上,提出组合导航系统性能评估方法定义[21-22].具体内容为:在相同情况下,将被评估组合导航系统输出数据,与标准系统数据进行比对,综合评判组合导航系统的工作稳定性和数据精确性.评估过程包含两个要求:1)标准系统和评估对象输入数据是相同的;2)预先采集载体运动轨迹作为标准轨迹[21].
上述定义仅考虑了组合导航系统的工作稳定性和数据精确性,调研文献发现,惯性组合导航系统综合性能可以总结为精度性能,可靠性,稳定性及由环境适应性等构成的使用性等.此定义无法满足惯性组合导航系统性能评估要求,因此,有必要提出惯性组合导航系统性能评估方法定义.惯性组合导航系统指标分为定量指标和定性指标,其中,精度性能,可靠性及稳定性为定量指标,使用性属于定性指标.
惯性组合导航系统性能评估方法定义为对待评估系统属性进行全面度量,度量方法是客观的,合理的,并在此基础上进行判断.待评估系统是指惯性组合导航系统,也可以是组合导航系统,甚至是导航系统.性能评估目标是全面评估系统综合性能,为决策者择优提供参考意见;评估结果可以是排序形式,也可以是定量数据形式.新定义实现途径为:对于定量指标而言,将待评估系统的输出数据,与实验室条件或试验测试条件下所获得最好结果相比较,综合评估系统的精度性能,可靠性及稳定性等;对于定性指标而言,邀请若干位组合导航领域专家,由各位专家意见,获得待评估系统指标值,选择指标值中最好的值作为参考值,综合评估系统使用性等.
由新定义可知,性能评估方法主要思想为将待评估系统与参考系统相比较,评估惯性组合导航系统性能.对于无法开展试验的情况,可以模拟试验生成参考数据来解决.性能评估方法能够利用专家经验评估定性指标,能够横向对比不同系统的性能评估结果,解决传统性能评估方法排序结果无法纵向对比不同方法结果的问题,因此,惯性组合导航系统性能评估方法能够解决试验法存在的不足.
1.2惯性组合导航系统特殊性讨论
惯性组合导航系统性能评估属于交叉学科问题,需要分析惯性组合导航系统的特殊性.
(1)惯性组合导航系统主要由三部分核心要素组成:INS,其它导航系统及滤波算法.INS输出的导航信息包括位置,速度及姿态等,INS主要误差为陀螺漂移,加速度计零偏,初始位置误差及初始速度误差等,导航信息与误差不属于同一层级指标,因此,上述指标具有多属性,多指标及多层次等特点,都为定量指标.对于惯性组合导航系统而言,使用性,操作性及环境适应性等指标也需要被考虑,这些指标属于定性指标,因此,惯性组合导航系统具有多指标,指标具有多属性和多层次等特点,同时包含定量指标和定性指标.
(2)在导航系统中,位置单位为米或者海里,速度单位为米每秒,因此,导航指标具有不可公度性,无法直接开展性能评估,需要消除指标不可公度性.以陀螺漂移指标为例,当陀螺漂移精度由0.01°/h提高到0.001°/h时,INS精度会提高一个量级.当陀螺漂移精度由0.02°/h提高到0.01°/h时,INS精度提升幅度与从0.03°/h提高到0.02°/h是一致的.因此,惯性组合导航系统指标既具有跨等级提升精度的特点,也具有等比例提升精度的特点.绘制惯性组合导航系统指标不可公度性示意图,如图1所示.需要说明的是,将陀螺漂移指标值转化为无量纲值后,没有单位,可以理解为单位为”1”,因此纵轴无单位标识.在图1指标不可公度性中,利用极值法表示陀螺漂移精度等比例变化特点,利用非线性无量纲化方法表示陀螺漂移精度跨等级提升精度特点.
(3)惯性组合导航系统指标具有模糊性.模糊性的含义为:客观事物的差异在中介过渡中所呈现的”亦此亦彼”性,表现为排中律的缺陷,造成事物的边界不清晰(尽管结果已知)[23].假设INS要求陀螺漂移精度优于0.001°/h,即0.001°/h是容许的,而0.0011°/h是不容许的.但是,两者对导航精度影响并不是很大,本质上并无区别.从容许到不容许的过程中,实际上有一中介过渡阶段.若要考虑这一中介情况,那么陀螺漂移精度边界变得不清晰,因此,陀螺漂移指标具有模糊性.
(4)惯性组合导航系统指标具有粗糙性.粗糙性是指由于当前阶段掌握的信息不足,造成概念刻画的不明确,这种不明确性会随着时间推移和信息增加而消失[24].需要注意的是,其与模糊性之间的区别.模糊性是无法给出清晰准确的界限而产生的不确定性,不会随着时间推移而消失.在INS中,陀螺性能受温度影响,当外界温度超出陀螺工作温度时,会影响陀螺性能,进而对系统输出导航参数产生影响,现阶段还无法明确温度对惯性组合导航系统性能的影响程度.随着科学技术不断发展和人类对惯性组合导航系统的认识不断加深,将来会研究出温度对系统性能影响,以及其它现阶段还无法准确描述的指标关系.
1.3惯性组合导航系统与性能评估方法关系分析
性能评估方法主要由指标体系,无量纲化方法,权重方法及评估方法等内容组成[16],四部分内容间关系如图2所示,分别对应图2中-„.性能评估方法四部分内容与惯性组合导航系统间关系如下:
(1)惯性组合导航系统具有多属性和多指标的特点,且指标间具有层次关系,指标体系不是由各部分指标体系简单组合而成,需要研究惯性组合导航系统指标体系.
(2)导航指标具有不可公度性,需要无量纲化.极值法特点为指标值与无量纲值间呈等比例关系,非线性无量纲化方法特点为指标值变化速率不为定值,现阶段尚无适用于导航指标特殊性的无量纲化方法.
(3)通常,利用组合权重法解决单一权重存在的不足,然而,传统组合权重方法的组合系数根据实际问题设定,求解精度低,解决方法为建立组合权重优化模型.在组合权重优化模型中,常常会具有非线性,包含等式约束等特点,如何准确求解组合系数是一个难点问题.
(4)评估方法主要思想为借助于数学方法,将指标值与权重值合成为一个整体评估值,评估方法的选择取决于指标体系和指标的特点.需要深入剖析惯性组合导航系统指标体系和指标的特点,指导选择合适的评估方法.
第一部分关系,第二部分关系和第四部分关系可以概括为:由于惯性组合导航系统本身的特殊性,导致指标体系和无量纲化方法都难以适用,同时,由于惯性组合导航系统指标和指标体系的特殊性,对评估方法提出新的要求;第三部分关系可以概括为:性能评估精确性对权重方法提出新的要求.
2惯性组合导航系统指标体系研究进展
指标体系是开展惯性组合导航系统性能评估方法研究的基础.依据惯性组合导航系统指标特点建立指标体系,再由指标及指标体系的特点选择合适的评估方法.通常,指标体系需要遵循目的性,完备性,可操作性,独立性,显著性及动态性等六个原则[25].
惯性组合导航系统是在多个子导航系统的基础上,利用滤波技术组合各系统的导航信息[26-28].从指标体系角度看,涉及到了单一导航系统,滤波算法及组合导航系统等方面的指标体系,因此,从这三个方面展开,阐述惯性组合导航系统指标体系研究进展.
2.1单一导航系统指标体系分析
INS和全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)作为应用最为广泛两类导航系统,得到学者们广泛关注[29].因此,以INS和GNSS为研究对象,阐述单一导航系统指标体系研究进展.
(1)INS指标体系
徐博等[30]从导航指标及可靠性,维修性,经济性等通用性指标角度,建立捷联惯性导航系统(StrapdownINS,SINS)多级指标体系.李军伟等[31]为解决SINS测试过程中指标多,存在不确定性等问题,建立精度测试,稳定性测试及可靠性测试等通用指标为主的三级指标体系.
(2)GNSS指标体系
杨军等[32]为了评估卫星导航系统综合性能,建立主要指标为导航定位能力,授时能力,军事作战能力,通信能力及测量测绘和气象保障能力的三级指标体系.安雪滢等[33]建立三级卫星系统效能评估指标体系,主要指标为对地侦察,大气探测,导航定位,环境监测,导航预警和地图测绘等.项磊等[34]为解决卫星面对多任务观测时,无法准确评估任务完成效能的问题,建立卫星评估指标体系,卫星效能指标主要为对地覆盖效能,任务规划效能及星地资源调度效能.
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由上述分析结果可知,从不同角度出发,建立了多种指标体系,并不是所有的指标都可用于惯性组合导航系统.对于INS而言,导航指标和可靠性指标可以使用,维修性指标属于惯性组合导航系统使用性指标范畴,也可以使用;经济性指标无法使用,其原因为在军民装备导航系统中,通常不从经济性角度建立指标体系.对于GNSS而言,导航定位能力是需要重点考虑的指标,通讯能力也需要考虑,属于惯性组合导航系统使用性指标范畴.
2.2滤波算法指标体系分析
由于表征滤波器性能指标都为定量指标,有利于研究滤波器性能评估方法,现阶段已有大量研究成果[35-38].
在深空导航领域,唐鹏[35]提出基于层次分析法(AnalyticHierarchyProcess,AHP)的导航系统滤波性能评估方法.表征滤波性能的指标为精度,可用性,连续性,实时性及稳定性等指标.张薇[36]提出深空探测导航系统滤波性能评估方法,评估指标为精度,可用性,连续性和实时性等.程进伟等[37]设计卡尔曼滤波算法性能评估方法,主要评估指标为算法复杂度,滤波质量及算法稳定性,建立三层指标体系.赵欣等[38]提出基于模糊综合评估(FuzzyComprehensiveEvalua-tion,FCE)的组合导航信息融合评估方法,信息融合指标为精度,实时性,稳定性及可靠性.Wang等[29]将表征融合算法的精度,实时性,稳定性及可用性等指标,扩展为复杂度,精度,有效程度(EffectiveExtent),容错性,收敛性和鲁棒性等指标,建立组合导航系统融合算法新指标体系.
在上述文献中,实时性,稳定性和可靠性指标都可用于惯性组合导航系统,精度指标本质上是表征惯性组合导航系统的精度性能,同样可以使用.
2.3组合导航系统指标体系分析
在文献[38]滤波算法指标基础上,张志强[39]引入稳定性,使用性及可靠性等指标,建立了组合导航系统指标体系,存在无法评估跨极区和极区条件对系统性能影响的问题.陈晶等[40]仅考虑精度性能,建立惯导/重力匹配导航性能指标体系,设计阈值法和遍历法相结合的定量性能评估方法,存在指标不全面,指标体系较为简单等问题.翟峻仪[41]建立组合导航系统性能评估指标体系,其中,二级指标为惯性测量单元指标,INS指标,GNSS指标及GNSS/INS指标,从实验测试的角度,选择合适的评估设备评估组合导航系统性能,仅包含定量指标,无法评估定性指标.
在文献[29]指标的基础上,Cheng等[10]将评估指标扩展为三大类:精度指标,稳定性指标及使用性指标,并将以导航信息为主的指标扩展至器件层指标,建立INS/GNSS组合导航系统四级指标体系,如图3所示.然而,此指标体系无法评估跨极区和极区条件对系统精度性能影响.
由上述分析内容可知,现有的组合导航系统指标体系还不全面,存在无法评估跨极区和极区条件对系统精度性能影响的问题.在各类军民装备中,最终目标是为了在全球范围内安全航行,需要考虑极区独特的环境,例如,跨极区和极区条件对导航性能的影响,高低温对陀螺仪性能的影响,以及极区条件下惯性组合导航系统的系统适应性等.——论文作者：董铭涛1程建华1赵琳1刘萍1
