TMA中不完全量测估计与观测平台机动模式研究

摘要

目标运动分析（TMA）技术已经成为当今国际上十分活跃的热门研究领域之一。目标跟踪系统的性能与目标动态特性、传感器探测性能、背景噪声源、状态估计器等诸多因素有关。在诸如环境检测、空中预警、海上搜救以及航海定位跟踪等为背景的目标跟踪系统中，由于有限的传感器（声纳、激光等）探测能力和外部气象条件等干扰因素的影响，探测概率往往小于1，即存在着不完全量测现象。本文研究了TMA中的两个重要问题：一是TMA在不完全量测情形下的估计问题，另一个是被动目标定位跟踪系统观测平台的最优机动模式问题。 论文前半部分，就不完全量测下的TMA估计性能及其性质，进行了一些探索性的研究工作。 （一）随机探测/丢失序列的引入，使得Cramer-Rao下界（CRLB）和修正Riccati差分方程（MRDE）具有了随机性，因此，在统计意义下，CRLB的性质与传统相比有了新的变化。本文深入讨论了非线性系统和线性系统中CRLB的数学模型、统计性质以及计算方法，给出了探测/丢失序列期望意义下CRLB收敛的条件，并利用线性矩阵不等式（LMI）给出了CRLB稳态值界的计算方法。 （二）针对具有不完全量测的系统CRLB与数据丢失位置（LMD）之间呈现出的某种关联现象，本文在Lyapunov稳定意义下，从理论上给出了确定性系统修正CRLB、MRDE与丢失数据位置满足单调函数关系这一新结论；在给定探测率下，设计了一组计算量较小的修正CRLB上下界新的计算方法。 （三）给出了统计意义下不完全量测系统随机估计误差系统收敛的充要条件以及统计稳态误差协方差的计算方法。为便于工程应用，设计了满足给定方差上下界约束要求的滤波器指标求解方法。 另一方面，在TMA重要分支--被动目标定位与跟踪系统中，观测平台的机动是系统可估必要但不充分条件；特殊的可观测性使得观测平台的机动显得尤为重要。 论文的后半部分对被动目标定位系统的不可观测性和观测平台的机动模式问题进行了探索，同时对相关滤波算法进行了研究。 （四）对BOT系统不可观测的已有结论给出了新的矢量投影证明方法。 鉴于被动目标跟踪存在特殊的可观测性问题，分别对二维和三维被动跟踪系统的不可观测性问题进行了研究。利用矢量法推导了观测平台和目标不同几何态势下系统不可观测的条件，得到了系统不可观测性不随探测率改变的结论。 （五）考虑被动目标定位系统，基于给定Fisher信息阵（FIM）行列式最大指标，设计了观测平台当前时刻的一种新的最优机动航向。证明了最优机动轨线有且仅有2支，并给出了最优机动策略和最优机动轨线方程，几何直观描述了机动控制序列的可执行性；它的特点是对任意时刻均为最优，而不仅仅在观测时间的末端。在最大化方位变化率指标下，用解析法给出了观测平台最优机动轨线方程。分析比较了2种指标下最优轨迹的不同特性，给出了适合工程应用中的观测平台机动策略。另外，对被动目标跟踪系统，给出了一种简洁实用的观测平台次优机动策略。 （六）设计了基于初距划分的被动跟踪EKF滤波群数学模型；随后，将不完全量测估计理论研究结果应用到一类机动目标运动分析中，并推广到探测率互异的双信道情形。以分别来自不同信道的目标方位和俯仰角量测信息组成的三维目标跟踪系统为例，从理论上构建了非线性估计CRLB模型，并设计了近似求解算法。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题背景及研究意义

1.1.1课题背景

1.1.2研究意义

1.2不完全量测下估计

1.2.1估计方法回顾

1.2.2估计性能评价准则——CRLB

1.2.3不完全量测下估计的研究现状

1.3目标被动跟踪问题

1.3.1 TMA滤波方法

1.3.2 BOT研究现状

1.4有待探索的问题

1.5论文的创新点与研究结构

1.5.1论文的创新点

1.5.2论文的研究内容

2不完全量测下估计性能评价准则

2.1不完全量测下CRLB

2.1.1一般CRLB递推式

2.1.2不完全量测下CRLB的递推式

2.2不完全量测下线性估计性能评价准则的统计特性

2.2.1统计意义下的CRLB

2.2.2信息缩减因子法CRLB的性质

2.2.3 CRLB统计收敛性质

2.3几种估计性能指标的比较

2.4数值计算

2.5本章小结

3 CRLB和MRDE与数据丢失位置的关系

3.1 CRLB与数据丢失位置的关系

3.2 CRLB的一组上下界

3.3 MRDE与数据丢失位置的关系

3.4数值算例

3.5本章小结

4不完全量测下约束方差滤波问题

4.1稳态估计误差协方差

4.2误差方差约束下的滤波

4.3萎殳值算例

4.4本章小结

5被动TMA不可观测性与观测平台机动模式

5.1被动跟踪系统的不可观测性问题

5.1.1二维目标定位跟踪的不可观测性

5.1.2三维目标定位跟踪的不可观测性

5.2观测平台的最优机动模式

5.2.1目标定位系统观测平台最优机动轨迹

5.2.2目标跟踪系统观测平台次优机动轨迹

5.3工程应用相关问题

5.4数值计算

5.5本章小结

6不完全量测下BOT系统估计问题

6.1基于初距划分BOT的EKF滤波器群

6.1.1目标与观测平台相对值预估

6.1.2距离参数化EKF滤波算法

6.2一类机动目标足艮踪中的CRLB

6.2.1系统模型描述

6.2.2 CRLB递推式

6.2.3数值仿真

6.3双通道不完全量测下的CRLB数学模型

6.4本章小结

7总结与展望

致 谢

参考文献

附 录