田 麗,張 偉,張爽娜,董啟甲
(1. 航天恒星科技有限公司·北京·100086;2. 天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司·天津·300301)
目前,我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已完成全球組網(wǎng),無(wú)人系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航應(yīng)用需求越來(lái)越大,但是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)易受遮擋、干擾,單一導(dǎo)航定位授時(shí)(Positioning Navigation and Timing,PNT)的導(dǎo)航手段難以滿足復(fù)雜無(wú)人場(chǎng)景導(dǎo)航連續(xù)性、抗干擾等方面的需求。PNT體系需對(duì)空間、空中、地面、水面、地下、水下形成全覆蓋,以滿足深空航天器、近地航天器、飛機(jī)、車輛、艦船、地下作業(yè)、水下潛航器等多種用戶PNT需求,具有更強(qiáng)可用性、魯棒性和導(dǎo)航能力。因此,PNT系統(tǒng)效能是一個(gè)綜合指標(biāo),反映了系統(tǒng)效能和性能的全面綜合能力。
隨著傳感器性能、移動(dòng)計(jì)算能力、人工智能水平、系統(tǒng)集成度等方面的迅速提升,無(wú)人系統(tǒng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。無(wú)人系統(tǒng)由眾多裝備組成,每種裝備所需PNT服務(wù)手段也不同,且各PNT服務(wù)手段間存在多種關(guān)聯(lián)關(guān)系,是一個(gè)復(fù)雜大系統(tǒng)。梁桂林等在分析我國(guó)遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)的運(yùn)行管理模式及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了采用效能評(píng)估方法對(duì)遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)的體系效能進(jìn)行建模,驗(yàn)證了模型的有效性。范亞軍等針對(duì)北斗復(fù)雜場(chǎng)景,提出了自適應(yīng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合算法。目前尚無(wú)文獻(xiàn)在可用PNT服務(wù)手段范圍內(nèi),針對(duì)定位精度、定姿精度、授時(shí)能力、計(jì)算量、抗干擾、體積質(zhì)量等不同層次不同維度的需求對(duì)PNT導(dǎo)航手段的組合及權(quán)重的影響,建立優(yōu)選策略,指導(dǎo)算法設(shè)計(jì)師進(jìn)行算法優(yōu)化,輔助指揮員優(yōu)化對(duì)戰(zhàn)指揮策略,提供更有價(jià)值的導(dǎo)航解決方案。
本文對(duì)無(wú)人系統(tǒng)可用導(dǎo)航手段進(jìn)行了深入研究,采用可用度(Availability)、可信性(Dependability)和能力(Capability),即ADC效能評(píng)估思想體系和評(píng)估流程,從系統(tǒng)工程思想出發(fā),基于確定的系統(tǒng)目標(biāo)和準(zhǔn)則,構(gòu)建無(wú)人系統(tǒng)PNT導(dǎo)航手段優(yōu)選策略體系,并通過(guò)層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)模糊層次的分析,對(duì)體系指標(biāo)進(jìn)行量化,最后將該方法應(yīng)用于典型無(wú)人機(jī)裝備。
(1)
式中,為系統(tǒng)效能總值;為系統(tǒng)可用性,即表示任務(wù)開始時(shí)各種狀態(tài)(概率)的向量;為系統(tǒng)可信性,即衡量系統(tǒng)在工作過(guò)程中能否持續(xù)工作的可靠性概率;為系統(tǒng)固有能力,即系統(tǒng)在特定條件下滿足任務(wù)需求的能力。ADC效能評(píng)估思想和評(píng)估流程,其主要特點(diǎn)在于從系統(tǒng)工程思想出發(fā),在確定系統(tǒng)目標(biāo)和準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,分析構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)層次PNT服務(wù)手段的功能和相互關(guān)系,以及系統(tǒng)同環(huán)境的相互影響,提取影響PNT服務(wù)手段效能的關(guān)鍵指標(biāo)。
目前,無(wú)人機(jī)主要采用慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航和氣壓高度計(jì)等PNT服務(wù)手段進(jìn)行導(dǎo)航定位?;贏DC效能評(píng)估思想,針對(duì)各個(gè)導(dǎo)航手段多維度能力,建立評(píng)估體系,如圖1所示。
圖1 ADC的篩選方法評(píng)估指標(biāo)體系示意圖Fig.1 ADC screening method to evaluate the index system
基于上述分析過(guò)程,結(jié)合ADC評(píng)估方法,PNT服務(wù)手段多層指標(biāo)篩選方法模型可表示為
=(2)
式中,表示無(wú)人系統(tǒng)PNT服務(wù)手段的綜合效能;表示無(wú)人系統(tǒng)PNT服務(wù)手段的可用度;表示無(wú)人系統(tǒng)PNT服務(wù)手段的可信度;=ω
f
+ω
f
+…+ω
f
表示無(wú)人系統(tǒng)PNT服務(wù)手段的能力;f
表示PNT服務(wù)手段定位能力;f
表示PNT服務(wù)手段授時(shí)能力;f
表示PNT服務(wù)手段定姿能力;f
表示PNT服務(wù)手段覆蓋范圍能力;f
表示PNT服務(wù)手段計(jì)算量能力;f
表示PNT服務(wù)手段抗干擾能力;f
表示PNT服務(wù)手段機(jī)動(dòng)性能力;f
表示PNT服務(wù)手段時(shí)間要求能力;f
表示PNT服務(wù)手段體積質(zhì)量要求能力;ω
,ω
,ω
,…,ω
分別為對(duì)應(yīng)的能力權(quán)重系數(shù)。(1)確定可用度通常情況下,一個(gè)系統(tǒng)或處于工作狀態(tài),或處于故障狀態(tài)(系統(tǒng)維護(hù)狀態(tài)),本文考慮無(wú)人機(jī)系統(tǒng)只有工作狀態(tài)和故障狀態(tài)兩種情況,可用度向量只有2個(gè)分量a
和a
,即:=(a
,a
)。a
和a
分別表示在典型場(chǎng)景下無(wú)人機(jī)PNT服務(wù)手段任意時(shí)刻處于可工作狀態(tài)和故障狀態(tài)的概率,有(3)
式中,T
指無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的平均無(wú)故障工作時(shí)間;T
指無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的平均故障修理時(shí)間。(2) 確定可信度可信度矩陣用來(lái)表征系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的特性,并以開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)系統(tǒng)的準(zhǔn)備狀態(tài)為建立該矩陣的前提。
若系統(tǒng)有n
個(gè)有效狀態(tài),則可信度矩陣為一個(gè)n
階方陣,即(4)
根據(jù)前面已經(jīng)確定的可用度矩陣,典型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)PNT服務(wù)手段處于兩種狀態(tài),則可信度矩陣由4個(gè)元素構(gòu)成(5)
式中,d
為PNT服務(wù)手段開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于可工作狀態(tài)、完成任務(wù)時(shí)處于可工作狀態(tài)的概率;d
為開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于可工作狀態(tài)、完成任務(wù)時(shí)處于故障狀態(tài)的概率;d
為開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于故障狀態(tài)、完成任務(wù)時(shí)處于可工作狀態(tài)的概率;d
為開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于故障狀態(tài)、完成任務(wù)時(shí)處于故障狀態(tài)的概率。本文主要按照一般可修復(fù)系統(tǒng),平均無(wú)故障時(shí)間和平均修復(fù)時(shí)間服從指數(shù)分布的基本規(guī)律確定中元素的計(jì)算方法。(3)確定單個(gè)導(dǎo)航手段能力單個(gè)導(dǎo)航手段能力是確定系統(tǒng)性能的依據(jù),又是系統(tǒng)性能的集中體現(xiàn)。AHP是由Thomas L.Saaty在20世紀(jì)70年代正式提出,用來(lái)解決復(fù)雜的多重標(biāo)準(zhǔn)決策問(wèn)題。它將較為復(fù)雜、模糊的問(wèn)題分解成若干個(gè)層次,然后利用較少的、可以被量化的信息對(duì)需要決策的問(wèn)題進(jìn)行處理,得到一個(gè)被量化的目標(biāo)結(jié)果,從而為復(fù)雜的問(wèn)題提供較為簡(jiǎn)單的決策結(jié)果。AHP較好地體現(xiàn)了定量與定性分析相結(jié)合的思想,具有簡(jiǎn)便、靈活以及實(shí)用等特點(diǎn)。
模糊分析法是一種把定性的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量的指標(biāo),從而對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象做出一個(gè)總的評(píng)價(jià)的方法,它是基于模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度理論。模糊評(píng)價(jià)法的顯著優(yōu)點(diǎn)在于:以最優(yōu)的評(píng)價(jià)因素為基準(zhǔn),其評(píng)價(jià)值為1,其余欠優(yōu)的評(píng)價(jià)因素的評(píng)價(jià)值則依據(jù)欠優(yōu)的程度得到;可以根據(jù)各種評(píng)價(jià)因素的總體特征確定隸屬度函數(shù),確定該函數(shù)的方法有F統(tǒng)計(jì)法等,當(dāng)然也可以請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的專家直接進(jìn)行評(píng)價(jià)。模糊評(píng)價(jià)法是一種定性與定量相結(jié)合的方法,它可以通過(guò)擴(kuò)大信息量,使評(píng)價(jià)數(shù)度得以提高,評(píng)價(jià)結(jié)論可信。如果要解決新的領(lǐng)域產(chǎn)生的新的問(wèn)題,使用該方法是最合適不過(guò)的了。
從指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)看,基于多維多層的PNT優(yōu)選策略效能評(píng)估指標(biāo)體系共3層。在進(jìn)行評(píng)估計(jì)算時(shí),從底層開始逐層進(jìn)行評(píng)估計(jì)算,根據(jù)模糊綜合評(píng)判的計(jì)算步驟,把一級(jí)指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層的評(píng)判作為第一級(jí)評(píng)判,把二級(jí)指標(biāo)層對(duì)一級(jí)指標(biāo)層的評(píng)判作為第二級(jí)評(píng)判。
基于典型無(wú)人化場(chǎng)景下PNT服務(wù)手段效能評(píng)估指標(biāo)體系,由圖1可得
={ω
,ω
,ω
,ω
,ω
}f
,f
,f
,f
,f
,f
}f
,f
,f
,f
,f
,f
}f
,f
,f
,f
,f
,f
}f
,f
,f
,f
,f
,f
}(6)
(7)
其中,為模糊關(guān)系矩陣(可以表示定位、授時(shí)、定姿、計(jì)算量、抗干擾性或者信號(hào)連續(xù)性等問(wèn)題);矩陣元素r
表示不同PNT導(dǎo)航手段r
(i
=1代表慣性導(dǎo)航、i
=2代表衛(wèi)星導(dǎo)航、i
=3代表無(wú)線電導(dǎo)航、i
=4代表氣壓高度計(jì))對(duì)于定位、授時(shí)、定姿、計(jì)算量、抗干擾性、信號(hào)連續(xù)性等問(wèn)題,兩兩對(duì)比其重要程度得到的模糊數(shù)值,如慣性導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航比較可得r
,慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航比較可得r
,以此類推得到矩陣。(2)確定評(píng)價(jià)語(yǔ)等級(jí)集合={v
,v
,v
,v
,v
}={優(yōu)秀,良好,中等,較差,極差} ={ 0.95,0.85,0.7,0.5,0.2}。其中,“優(yōu)秀”∈[0.9,1.0],“良好”∈[0.8,0.9],“中等”∈[0.6,0.8],“較差”∈[0.4,0.6],“極差”∈[0,0.4]。根據(jù)指標(biāo)相對(duì)重要性,由專家進(jìn)行兩兩評(píng)判,形成判斷矩陣,并對(duì)判斷矩陣進(jìn)行求解,可以得到各指標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重。
為了描述元素r
兩兩比較的重要程度,需建立一種從0.1~0.9的模糊判斷尺度,如表1所示。表1 從0.1~0.9的判斷尺度Tab.1 A judgment scale from 0.1 to 0.9
(3)基于AHP 法確定評(píng)判權(quán)重向量通過(guò)AHP方法獲取矩陣,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。確定中的各因素的權(quán)重矩陣={ω
,ω
,…,ω
},且是上的模糊子集,滿足(8)
根據(jù)模糊綜合評(píng)判理論,對(duì)模糊評(píng)估矩陣進(jìn)行合成運(yùn)算。
=(9)
式中,為模糊關(guān)系矩陣;為權(quán)重矩陣;為模糊評(píng)判矩陣,由模糊合成運(yùn)算得到,可以采用多種算子。這里下標(biāo)i
=1,2,3,4分別表示慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、氣壓高度計(jì)等四種PNT導(dǎo)航手段。本文采用的加權(quán)平均法,即普通矩陣相乘。能力綜合值c
的計(jì)算方法是將任意一種PNT導(dǎo)航手段的模糊評(píng)判矩陣與其相應(yīng)的評(píng)價(jià)集合相結(jié)合(表示某一種PNT導(dǎo)航手段的評(píng)價(jià)集合)。文中研究的四種PNT導(dǎo)航手段(慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、氣壓高度計(jì))的綜合能力值c
的評(píng)分計(jì)算如下(10)
為驗(yàn)證多維多層立體指標(biāo)PNT優(yōu)選策略和效能評(píng)估模型的有效性,本文以無(wú)人機(jī)系統(tǒng)為評(píng)估案例,應(yīng)用已建立的評(píng)估模型,對(duì)其PNT優(yōu)選策略綜合效能進(jìn)行評(píng)估,并對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行綜合分析。
T
決定。一般情況下整個(gè)系統(tǒng)的平均故障時(shí)間大于1000h,基層級(jí)修復(fù)時(shí)間小于1h,故無(wú)人機(jī)系統(tǒng)PNT服務(wù)手段處于可用和故障兩種狀態(tài),故可信度矩陣如下
r
表示慣性導(dǎo)航,r
表示衛(wèi)星導(dǎo)航,r
表示無(wú)線電導(dǎo)航,r
表示氣壓高度計(jì),則r
表示慣性導(dǎo)航相較于衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)定位、授時(shí)、定姿、計(jì)算量、抗干擾性、信號(hào)連續(xù)性等問(wèn)題的重要程度,其他以此類推。將其按照指標(biāo)結(jié)構(gòu)分別評(píng)判準(zhǔn)則層和指標(biāo)層,再基于AHP 得出判斷矩陣。如表2及表3所示。表2 不同評(píng)判等級(jí)的評(píng)分等級(jí)表Tab.2 Judgment matrix of each navigation method
表3 各個(gè)導(dǎo)航手段判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix of each navigation method
(1)判斷矩陣
以慣性導(dǎo)航手段為例,分析其PNT判斷矩陣及權(quán)重求解,如表4所示。
表4 慣性導(dǎo)航的多維多層立體指標(biāo)判斷矩陣Tab.4 Multi-dimension multi-layer index judgment matrix for inertial navigation
由此,根據(jù)表4數(shù)據(jù)可以得出慣性導(dǎo)航準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的多維多層立體指標(biāo)的判斷矩陣為
衛(wèi)星導(dǎo)航準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的多維多層立體指標(biāo)的判斷矩陣為
無(wú)線電導(dǎo)航準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的多維多層立體指標(biāo)的判斷矩陣為
氣壓高度計(jì)導(dǎo)航準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的多維多層立體指標(biāo)的判斷矩陣為
其他導(dǎo)航手段類似。
由此,根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以得出PNT導(dǎo)航手段準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層PNT優(yōu)選策略的判斷矩陣為
(2)計(jì)算權(quán)重
各個(gè)導(dǎo)航手段的權(quán)重就是根據(jù)中和法求出最大特征值λ
和特征向量,對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化處理,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn),滿足要求的特征向量即為計(jì)算權(quán)重。由慣性導(dǎo)航所得矩陣,根據(jù)中和法求出λ
和特征向量,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。對(duì)于慣性導(dǎo)航矩陣:λ
=6.5862,對(duì)應(yīng)特征向量為=[0.
7391,0.
4651,0.
4034,0.
1256,0.
1262,0.
2073]歸一化處理為
=[0.
3577, 0.
2250,0.
1952,0.
0608, 0.
0611 , 0.
1002]進(jìn)行一致性檢驗(yàn),一致性指標(biāo)C
=0.11724, 經(jīng)修正后C
=0.0862<0.1,一致性良好。同理,對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航矩陣:λ
=6.4522,對(duì)應(yīng)特征向量為=[-0.
7409,-0.
4745,-0.
4004,-0.
1360,-0.
1319,-0.
1723]歸一化處理為
=[0.
3603,0.
2308,0.
1948,0.
0661,0.
0642,0.
0838]進(jìn)行一致性檢驗(yàn),一致性指標(biāo)C
=0.
09044, 經(jīng)修正后C
=0.0665<0.1,一致性良好。同理,對(duì)于無(wú)線電導(dǎo)航矩陣:λ
=6.5695,對(duì)應(yīng)特征向量為=[-0.
7171,-0.
5308,-0.
3803,-0.
1311,-0.
1230,-0.
1643]歸一化處理為
=[0.
3504,0.
2594,0.
1858,0.
0641,0.
0601,0.
0802]進(jìn)行一致性檢驗(yàn),一致性指標(biāo)C
=0.
1139, 經(jīng)修正后C
=0.0904<0.1,一致性良好。同理,對(duì)于氣壓高度計(jì)矩陣:λ
=6.5491,對(duì)應(yīng)特征向量為=[-0.
4446,-0.
7603,0.
4221,-0.
1058, -0.
0991,-0.
1587]歸一化處理為
=[0.
2233,0.
3819,0.
2120,0.
0571,0.
0531,0.
0797]進(jìn)行一致性檢驗(yàn),一致性指標(biāo)C
=0.
1098, 經(jīng)修正后C
=0.0871<0.1,一致性良好。導(dǎo)航手段準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層PNT優(yōu)選策略的判斷矩陣:λ
=4.0606,對(duì)應(yīng)特征向量為=[0.
7650,0.
5383,0.
1581,0.
3162]歸一化處理為
=[0.
43040,0.
3028,0.
0889,0.
1779]進(jìn)行一致性檢驗(yàn),一致性指標(biāo)C
=0.0151, 經(jīng)修正后C
=0.0751<0.1,一致性良好。(3)計(jì)算能力向量根據(jù)步驟(2),可得綜合權(quán)重,如表5所示。
表5 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)PNT導(dǎo)航手段的判斷矩陣及權(quán)重求解Tab.5 Judgement matrix and weight solution of PNT navigation method for UAV system
按照表5 中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,基于模糊關(guān)系合成原理,利用加權(quán)平均算子,進(jìn)行合成運(yùn)算
=[0.
4981,0.
3611,0.
2868,0.
0899,0.
0885,0.
1359]利用灰類等級(jí)值法得到該系統(tǒng)的單一綜合評(píng)價(jià)值,計(jì)算可得能力矩陣(4)計(jì)算綜合效能
根據(jù)ADC評(píng)估模型,系統(tǒng)效能的計(jì)算為f
表示慣性導(dǎo)航,f
表示衛(wèi)星導(dǎo)航,f
表示無(wú)線電導(dǎo)航,f
表示氣壓高度計(jì)。從第一層權(quán)重指標(biāo)可以看出,慣性導(dǎo)航相對(duì)于其他導(dǎo)航手段的權(quán)重為0.4304,衛(wèi)星導(dǎo)航相對(duì)于其他導(dǎo)航手段的權(quán)重為0.3028,慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航權(quán)重相對(duì)比較多,與實(shí)際測(cè)試中它們作為主要導(dǎo)航手段相符。第二層權(quán)重指標(biāo)表示單個(gè)導(dǎo)航手段的性能。通過(guò)本文所提的方法計(jì)算可得:四種PNT導(dǎo)航手段多源融合的定位能力的定量評(píng)估值為0.4981,授時(shí)能力為0.3611,定姿能力為0.2868,計(jì)算量能力為0.0899,抗干擾能力為0.0885,體積質(zhì)量為0.0885。指揮員基于理論數(shù)據(jù)的支撐,根據(jù)當(dāng)前PNT導(dǎo)航手段多源綜合能力,能夠更加可靠、實(shí)時(shí)、安全地調(diào)整PNT手段的優(yōu)選決策任務(wù)。雖然本文所提的模型可行,但仍存在一些不足之處,有待進(jìn)一步研究解決:
1)對(duì)于指標(biāo)權(quán)重的選取客觀性不夠;
2)用戶環(huán)境因素更加復(fù)雜多變,導(dǎo)航裝備效能不止兩種狀態(tài);
3)如何更好地解析能力向量,還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。