专家系统在组合导航辅助决策中的应用研究

时间：2024-05-20

程林

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安710000）

0 引言

在现代化高技术战争条件下，战斗机面临日益严峻的挑战，对导航方面的要求也越来越高，既能在恶劣的环境下全天候工作，支持各种任务要求，又可以在任何情况下连续地提供最高精度的导航定位信息。

通常情况下，航空机载平台装备有惯导（INS）、卫导（GNSS）、塔康（TACAN）、微波着陆（MLS）、联合战术信息分发系统（JTIDS）等多种导航设备。每一种导航设备都具有各自的工作原理、定位精度及优缺点，它们的导航信息都是对平台部分状态的观测量，如果不加区分地对所有导航信息进行融合处理，所获得的结果势必不是最优的，甚至比不组合的结果还差。

针对上述问题，结合各导航源传感器的特点，本文研究了一种基于专家系统的组合导航处理方法，探索利用基于规则的专家系统实现组合导航系统中的导航源辅助决策功能，以期实现最佳的导航源组合效果，为专家系统在多导航源组合导航中的应用奠定基础。

1 专家系统概述

专家系统是人工智能的一个最为活跃的研究和应用领域，产生于20世纪60年代中期，经过半个世纪的科学研究，理论和技术日臻成熟，其应用得到了飞速的发展。至今，在各个领域已经研制出大量的实用专家系统，其中不少系统在性能上已经达到甚至超过了同领域人类专家的水平，已经产生或正在产生巨大的经济效益和社会影响。

专家系统实际上是一种具有大量专门知识与经验的智能计算机系统，通常主要指计算机软件系统。它把专门领域中人类专家的知识和思考解决问题的方法、经验和诀窍组织整理且存储在计算机中，不但能模拟领域专家的思维过程，而且能让计算机宛如人类专家那样智能地解决实际问题。概括地说，专家系统是一个应用于某一特定领域，拥有专家级知识，能模拟专家思维，能达到专家级水平的系统。

专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造和组织形式，不同应用领域和不同类型的专家系统，具体结构和功能也不尽相同。当今最流行的专家系统类型是基于规则的系统，基于规则的系统不是采用静态的断言来表达知识，而是以多个规则的方式说明在不同的情况下有什么样的结果。基于规则的系统中，知识库包含以规则形式编码的解决问题的领域知识。一个典型专家系统的组成要素如图1所示：

图1 专家系统的基本结构

专家系统由下列几部分组成：

■用户界面——用户和专家系统之间的通信机制。

■解释机——解释系统推理给用户。

■综合数据库——被规则所使用的事实的全局数据库。

■推理机——通过决定那些规则满足事实或目标，并授予规则优先级，然后执行最高优先级规则来进行推理。

■议程——由推理机创建的一个规则优先级表，这些规则匹配工作内存中的事实或目标。

■知识获取——通过知识工程师建立规则。

2 导航专家系统的设计

一般来说，基于规则的专家系统最重要的构成要素为：知识库、推理机和综合数据库。

（1）知识库：包含所有规则

本文中的知识库采用框架作为知识表示方法，是基于产生式规则的启发式搜索，所以知识库中包含以规则形式存储的大量导航领域的专业知识。

框架是用来表示概念或对象的一成不变知识的数据结构。框架是一种结构化的知识表示方法，通常由指定事物各个方面的槽组成，每个槽拥有若干个侧面，而每个侧面又可拥有若干个值。这种方法对于导航源传感器的表示非常适用，可以用框架的各个槽来表示传感各个状态，例如导航源传感器的框架如下：

表1 导航源框架

对应的导航源传感器模板如下：

本系统采用产生式规则对知识进行表示，产生式是一组特定规则，用来将一组符号转换成另一组符号。也就是说，提供一个输入字符串，即前件，产生式规则能够产生一个新的字符串，即结果，产生式规则建立的基本格式为：

IF条件1 AND 条件2……AND 条件n

THEN结论

在规则中IF和THEN之间的部分为条件部分,THEN后面的部分是结论部分。产生式规则具有与为类思想方式接近的特点，能有效简洁地表达领域知识。

导航专家系统的知识库就是将导航领域专家的领域知识和经验，作为知识库的基本主体，经过分析和抽象，建立合理完善的导航知识库，为组合导航处理提供决策依据。

本文在组合导航处理系统中考虑的决策因素主要包括：数据可用状态、工作模式、台站信息、识别字、接收的卫星颗数、对应的卫星编号、异常标志、仰角、测距等，以GNSS为例，其主要决策因素如图2所示：

（2）推理机：对运行进行整体控制

推理机是基于规则的专家系统的控制中心，决定哪些规则的前件满足条件，从而激活相应规则的后件去执行对应的操作，推理过程实际上是一个搜索和匹配的过程。推理机根据输入的导航源数据对知识库进行搜索，控制满足一定条件时相应的动作会被激活，直至推理完成，得到最优的导航决策信息。

本文研究中的推理机选用正向链推理，采用Rete模式匹配算法，从输入的导航源信息出发，使用规则进行启发式搜索，若规则前提匹配，则该规则选中，规则结论加入综合数据库，若问题未完全解出，继续推理，若完成，则退出。该算法极大地提高了推理的效率，为组合导航处理提供快速的决策反应。

（3）综合数据库：包含推理所需的数据

综合数据库用来存储推理过程中得到的各种中间状态、事实、数据、初始状态及目标等。它相当于工作存储器，用来存放用户回答的事实、已知的事实和由推理得到的事实，而且随着问题的不同，数据库的内容也可以是动态变化的。在推理过程中，推理机根据规则的执行情况对事实表进行相应操作，如删除事实、添加事实和修改事实等。

3 组合导航系统

组合导航处理系统的总体架构如图3所示，包含导航传感器、导航专家系统和信息融合三个模块。相比较于通常的组合导航架构而言，本文研究的方法增加了导航专家系统，即对导航传感器是否参与信息融合进行辅助决策。

图3 组合导航处理系统总体架构

本文的组合导航处理系统中，导航专家系统可以通过知识库中存储的大量的导航领域专家知识，模拟领域专家自动推理和判断，对导航源的实时状态进行筛选，选取实时状态最佳的导航源组合，具体包括以下步骤：

（1）导航源传感器包括飞机装备的主要导航源传感器，能够提供完整的导航信息输出。导航源传感器生成导航源信息及导航源状态，通过局域网进行实时广播，包括 GNSS、INS、MLS、JTIDS、TACAN 等导航源传感器；

（2）导航专家系统中包含大量以产生式规则表示的导航专家知识，包括各种导航源的可用状态、工作模式、台站信息、识别字、接收的卫星颗数、对应的卫星编号、异常标志、仰角、测距等。导航专家系统通过网络实时接收导航源信息及导航源状态，以GNSS为例，参照图2，其对应的推理决策过程如下：

首先将导航源传感器信息作为初始事实载入综合数据库，执行规则，以GNSS的可用状态为条件对知识库中的规则进行匹配，当规则匹配成功后，判断可用状态的槽值，若为不可用，则数据不可用，GNSS无法定位，退出；若为可用，则执行规则，将该规则的结论生成事实，加入综合数据库；

然后继续进行匹配，当下一条规则匹配成功后，判断异常标志的槽值，若为有异常，则数据异常，GNSS无法定位，退出；若为无异常，则执行规则，将该规则的结论生成事实，加入综合数据库；

再次进行匹配，当下一条规则匹配成功后，判断收星个数的槽值，若收星个数＜3，则GNSS无法定位，退出；若收星个数＝3，则该规则被激活，利用INS辅助进行定位，将定位结果生成事实，加入综合数据库，GNSS推理决策结束；若收星个数＞3，则该规则被激活，利用模糊追星法选择几何分布较好的卫星进行定位，将定位结果生成事实，加入综合数据库，GNSS推理决策结束；接下来继续对其它导航源进行决策。

当所有导航源传感器完成决策后，输出决策信息，并将这些导航源决策信息发送到信息融合模块。

（3）信息融合单元通过网络接收导航源传感器发送的导航源信息，然后等待并接收导航专家系统推理得到的导航源决策信息，根据导航源决策信息选择导航源传感器，对导航源信息进行解算和滤波融合处理，得到最优的导航定位信息，并通过输出接口进行输出。