基于TRIZ分析的海軍直升機導(dǎo)航方法研究

黃新松，于曉輝，汪智超

(海軍裝備部駐南昌地區(qū)航空軍事代表室，江西 南昌 330000)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對海軍直升機導(dǎo)航精度要求越來越高，而提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度的方法不外乎兩種：一是提高單一導(dǎo)航系統(tǒng)的精度；二是綜合多種導(dǎo)航系統(tǒng)形成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以克服單一導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點，取長補短，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性。海軍直升機常用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)包括衛(wèi)星/慣性組合系統(tǒng)、多普勒/慣性組合系統(tǒng)、衛(wèi)星/多普勒/慣性組合系統(tǒng)等。這些組合導(dǎo)航系統(tǒng)基本上都是以慣性導(dǎo)航為基礎(chǔ)，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾能力強、短期精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，通過引進外部信號源來抑制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)隨時間增長積累的誤差。特別是衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，充分利用了衛(wèi)星和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點，能夠?qū)崟r地提供三維位置、速度信息和時間信息，取得了巨大的成功，目前已經(jīng)廣泛用于直升機領(lǐng)域。

雖然衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)取得了巨大的成功，但是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)中GPS技術(shù)的控制權(quán)掌握在美國手中，并且美國限制別國將GPS用于軍事目的，在戰(zhàn)時可以對GPS信號進行加密或偽造。因此對非美國盟友國家來說，直升機依賴GPS進行導(dǎo)航存在著巨大的風(fēng)險，我國應(yīng)逐漸減少對GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的依賴。我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)信號覆蓋區(qū)域有限，戰(zhàn)爭時可能受到外界干擾和欺騙，因此還需要進一步完善。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有自主性，不受時間、地點、天氣等外界條件限制，為直升機隱蔽飛行創(chuàng)造了條件。但是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要缺點是在無衛(wèi)星導(dǎo)航校正其精度的情況下，誤差隨時間積累。為解決該問題，本文利用TRIZ理論對其進行分析論證，以求找到一種最佳的解決方案。

1 TRIZ理論簡介

TRIZ是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒在1946年發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)立的。經(jīng)過多年對數(shù)以萬計的專利文獻加以搜集、研究、整理、歸納、提煉，建立起一整套體系化的、實用的解決發(fā)明問題的理論方法體系[1-3]，主要包含TRIZ技術(shù)矛盾的解決原理、TRIZ物理矛盾的解決原理和基于IFR的解決原理。

TRIZ解決流程：首先將一個待解決的實際問題轉(zhuǎn)化為問題模型，然后針對不同的問題模型，應(yīng)用不同的TRIZ解決工具，得到解決方案模型，最終將解決問題的方案模型應(yīng)用到具體的問題當(dāng)中。

2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型

海軍直升機慣性導(dǎo)航是一種自主式的導(dǎo)航方法，系統(tǒng)主要由加速度計及陀螺部分、計算機解算部分和顯示器顯示部分組成[4]。簡化的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 簡化的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理圖

兩個加速度計分別用來測量北向加速度aN和東向加速度aE，經(jīng)計算機系統(tǒng)解算，即經(jīng)一次積分所得的值加上初始速度值得到海軍直升機的瞬時航行速度VN、VE，再經(jīng)過一次積分加上初始位置得到導(dǎo)航位置YN、YE。其公式分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差隨時間積累是由陀螺漂移和加速度計零偏引起的，陀螺所測量的直升機角速率誤差會直接影響到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)誤差。陀螺漂移可以表示為：

εi=εbi+εri+εwii=x,y,z

(3)

式中，i=x,y,z表示沿陀螺輸出軸上的三個分量。εbi為隨機常值漂移，εri為相關(guān)漂移，εwi為不相關(guān)漂移。隨機常值漂移由啟動時的電氣參數(shù)和環(huán)境條件決定，該種漂移可以用隨機常值表示。相關(guān)漂移是指陀螺周圍的環(huán)境和一些電器參數(shù)發(fā)生不確定性的變化，導(dǎo)致上一時刻和下一時刻的漂移值有某種依賴關(guān)系，這種依賴關(guān)系取決于二者時間點的接近程度，時間點越近，該依賴關(guān)系越密切。不相關(guān)漂移是指除了上述兩種漂移之外的雜亂無章的漂移。加速度計誤差與陀螺誤差相似，也可分為三種成分，但在實際應(yīng)用中只考慮偏置誤差。

陀螺和加速度計的隨機誤差是一個十分復(fù)雜的過程，無法通過校正來確定，為此本文引入TRIZ理論，以求解決上述問題。

3 矛盾解決方法

3.1 利用TRIZ理論解決慣導(dǎo)誤差積累問題

為了提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度，使用技術(shù)矛盾分析方法(干擾力矩小，精度高)，得到需要提高的慣性元件精度。但是提高慣性元件的精度卻又需要付出極為昂貴的代價，不利于更徹底地解決矛盾，得到最理想的解決方案。

為此，考慮利用IFR創(chuàng)新思維方法對現(xiàn)有的陀螺誤差和加速度計誤差進行補償并加以校正，其過程如下：

步驟1：現(xiàn)有的問題描述

要求慣導(dǎo)系統(tǒng)長時間工作時，定位誤差不累積，且不能采用提高慣性元件的精度的方法。

步驟2：問題解決的IFR描述

IFR：慣導(dǎo)系統(tǒng)長期工作，定位精度高。

步驟3：分析現(xiàn)有的所有可利用資源

子系統(tǒng)：綜顯系統(tǒng)、超短波電臺、短波電臺、應(yīng)答機、無線電高度表、氣壓高度表、數(shù)字地圖、飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)、機電系統(tǒng)等。

超系統(tǒng)：大氣溫度、地形起伏、地形高度、大氣壓力、大氣溫度。

步驟4：得到接近IFR的技術(shù)方案

用地形高度和數(shù)字地圖，且通過Kalman濾波器對慣導(dǎo)系統(tǒng)進行實時的不間斷的修正，從而補償慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的積累誤差，可以滿足慣性導(dǎo)航系統(tǒng)需要長期高精度的導(dǎo)航需求。主要資源由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、氣壓高度表、無線電高度表、數(shù)字地圖、導(dǎo)航算法組成(為說明方便，該資源構(gòu)成的系統(tǒng)稱為S系統(tǒng)[5,6])，其原理圖如圖2。

圖2 S系統(tǒng)原理圖

S系統(tǒng)具體步驟如下：

直升機在航行過程中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)會估算出相應(yīng)的位置，數(shù)字地圖利用該位置提取出相對地形高度；

此時氣壓高度表輸出直升機的氣壓高度值，然后與數(shù)字地圖提取的地形高度相減，得到直升機的預(yù)測離地高度值；

將該預(yù)測的離地高度值與無線電高度表實測的離地高度值作比較，其差值作為Kalman濾波器的量測方程，從而得到INS的誤差值；

再把該誤差值反饋給INS進行誤差補償，這樣就能實現(xiàn)對INS的狀態(tài)(位置、姿態(tài)、速度等)進行實時校正。

構(gòu)建S系統(tǒng)基本符合IFR創(chuàng)新方法思維，其優(yōu)點如下：

① 保持了原慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點；

② 消除了原慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的不足；

③ 沒有使慣性導(dǎo)航系統(tǒng)變得更復(fù)雜；

④ 沒有增加直升機任何體積和重量；

⑤ 利用現(xiàn)有的資源實現(xiàn)有用功能。

3.2 利用時間分離原理解決S系統(tǒng)的實時性、高精度問題

S系統(tǒng)最為關(guān)鍵的技術(shù)是其導(dǎo)航算法技術(shù)。S系統(tǒng)中S算法在正常情況下定位精度很高，但在特殊環(huán)境下(探測盲區(qū))，S算法定位精度不理想，甚至發(fā)散(若存在探測盲區(qū)，則導(dǎo)致S系統(tǒng)初始匹配誤差大，S算法很可能發(fā)散)。為此，定義物理矛盾：無探測盲區(qū)，直升機低高度飛行，精度高；有探測盲區(qū)，直升機高高度飛行(1500m以上)。

步驟1：定義物理矛盾：

參數(shù)：探測盲區(qū)；

要求1：有探測盲區(qū)；

要求2：無探測盲區(qū)。

步驟2：如果想實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的理想狀態(tài)，這個參數(shù)的不同要求應(yīng)該在什么時間得以實現(xiàn)？

時間1：低高度飛行；

時間2：非低高度飛行。

步驟3：以上兩個時間段是否交叉？

否：應(yīng)用時間分離；

是：嘗試其它分離方法。

步驟4：查找TRIZ表確定發(fā)明原理：

查找TRIZ物理矛盾中時間分離原理與發(fā)明原理對照表，從表中查到時間分離共有13個發(fā)明原理：No.9、No.10、No.11、No.15、No.16、No.18、No.19、No.20、No.21、No.26、No.29、No.34、No.37。

No.9預(yù)先反作用原理，此原理不適用；

No.10預(yù)先作用原理，此原理不適用；

No.11事先防范原理，此原理不適用；

No.15動態(tài)性原理，此原理采納；

No.16不足或過度作用原理，此原理不適用；

No.18振動原理，此原理不適用；

No.19周期性動作原理，此原理不適用；

No.20有效持續(xù)作用原理，此原理不適用；

No.21急速作用原理，此原理不適用；

No.26復(fù)制原理，此原理不適用；

No.29氣壓或液壓結(jié)構(gòu)原理，此原理不適用；

No.34拋棄與再生原理，此原理不適用；

No.37熱膨脹原理，此原理不適用。

步驟5：發(fā)明原理應(yīng)用：

從上面的分析可以看出No.15最為有效，No.15改變物體或外部環(huán)境，使作用在任何階段，均能達到最佳性能。

具體實施方案：引入T算法(作為外部環(huán)境)[7-9]。T算法的特點是其定位精度不受探測盲區(qū)影響，但理想情況下，定位精度沒有S算法定位精度高。為此，用T算法做預(yù)匹配，降低初始匹配誤差，以解決S算法在初始匹配誤差大時容易發(fā)散的問題。

根據(jù)時間分離原理，制定解決方案原理圖如圖3。

圖3 解決方案原理圖

具體地說，當(dāng)直升機開始進行輔助導(dǎo)航時，若慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始匹配位置誤差δXINS>ΨXINS，則利用T方法進行一次大范圍搜索，找到一條離真實航跡較為接近的航跡來降低慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置偏差；在此基礎(chǔ)上利用S算法進行進一步匹配，這樣可以得到最佳匹配位置；再將這兩個位置之差作為卡爾曼濾波器的觀測量，得到最優(yōu)估計，從而修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差。其中ΨXINS為一預(yù)設(shè)門限，需根據(jù)實際航行的技術(shù)要求、數(shù)字地圖精度等綜合因素人為設(shè)定。

若初始匹配誤差不大(S算法精度容許范圍內(nèi))，則省略T方法的大范圍搜索，而直接用S算法進行匹配，然后經(jīng)過卡爾曼濾波器進行最優(yōu)估計。

然后，根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的指示位置、數(shù)字地圖、預(yù)先設(shè)定的路徑及測高傳感器的精度來判斷是否到達探測盲區(qū)。若未到達探測盲區(qū)則一直用S算法進行輔助導(dǎo)航來不斷地校正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差；否則，直升機駛出探測盲區(qū)后，繼續(xù)用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最后指示的位置來判斷初始匹配位置誤差δXINS是否大于預(yù)設(shè)門限ΨXINS，然后重復(fù)上述步驟。

T+S+Kalman的組合方式，充分利用了T算法和S算法各自的優(yōu)勢，取長補短，既利用了T系統(tǒng)在初始匹配誤差很大時仍能很好地工作的特點，增加了S算法的可靠性，放寬了S算法在初始誤差很大時將導(dǎo)致誤匹配的限制，又利用了S算法在初始誤差不大時精度很高的特點，得到最佳匹配位置，再經(jīng)過Kalman濾波器得到最優(yōu)的估計位置，輸出給慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來補償其誤差的積累。

選取某一地區(qū)的地形數(shù)據(jù)作為仿真用的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，如圖4所示。地形高度最大值1249.46m，最小值1.24m，平均值718.55m，高程熵值1.00，高程差異熵值0.99，高程標(biāo)準(zhǔn)差為215.38m。

圖4 某視角下的地形基準(zhǔn)圖

從地形基準(zhǔn)圖中，選取1組具有代表性的地形作為仿真用的地形圖，其等值線圖如圖5所示。地形基準(zhǔn)圖網(wǎng)格大小為41×36，分辨率為30m×30m。其地形參數(shù)統(tǒng)計表如表1。

圖5 等值線圖

表1 地形基準(zhǔn)圖參數(shù)統(tǒng)計

為驗證所提出的方案的可行性，在上述基準(zhǔn)圖上做仿真實驗，初始匹配誤差取為6個網(wǎng)格點，共進行了200次的仿真實驗，結(jié)果如圖6所示。

圖6 匹配誤差

仿真結(jié)果為：經(jīng)度誤差最大值為23.5m，緯度誤差最大值為11.6m，定位最大誤差值為26.2m，其定位精度可以保持在1個網(wǎng)格之內(nèi)。從而證明了提出的方案的有效性，即使在大的初始誤差下，仍然能夠達到較高的定位精度。

4 結(jié)論

直升機慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最大的弱點是其系統(tǒng)誤差隨時間積累，時間越長，誤差越大。這種誤差主要是由它的核心測量部件—陀螺的固有漂移造成的。為此，利用IFR創(chuàng)新思維方法對現(xiàn)有的陀螺誤差和加速度計誤差進行補償并加以校正，構(gòu)成S系統(tǒng)，通過Kalman濾波器對慣導(dǎo)系統(tǒng)進行實時地不間斷的修正；利用時間分離原理來解決S系統(tǒng)的實時性、高精度問題。具體方案為：首先判斷慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是否具有大的初始位置誤差，若誤差很大，則利用T算法、S算法和卡爾曼濾波三種算法組合的方法；若初始匹配誤差不大，則直接用S算法進行匹配。仿真實驗表明，提出的方案可以使定位精度保持在1個網(wǎng)格之內(nèi)。