多站无源定位技术研究

摘要

电磁频谱资源是当今世界各个国家在战场上争夺的最关键作战资源之一。对电磁波各频段的利用和拒止大致可以包括通信、探测感知以及电子对抗这三个方面。对电磁波的无源探测是探测感知的一个重要方面，是电子对抗措施的前提，也可作为其它有源探测的一种辅助手段，具有重要的实用意义和价值。无源定位是无源探测的最终环节和输出结果之一。无源定位具有更远的探测距离以及安全隐蔽等优势，可以进行态势感知和干扰引导等，无源定位结果可以作为雷达等有源探测系统和攻击武器的引导。但是现代雷达和通信等辐射源低截获和低探测性能的发展对无源探测和无源定位带来了巨大挑战。因此需要在现有无源定位技术基础之上研究提出针对具有低截获和低探测特性辐射源的特定无源定位方法。本文主要的研究工作内容归纳如下：
　　对于信噪比较低的信号，各观测站得到的到达角测量信息较少且测量误差较大，无源定位效果不理想。因此，本文在第一部分提出了一种基于正则约束总体最小二乘无源测角定位算法。首先将非线性测角定位方程转化为线性方程，根据线性方程系数的一阶泰勒近似得到测角噪声与方程系数噪声之间的线性映射，再基于正则约束总体最小二乘算法得到定位目标函数，对其求偏导并忽略噪声高阶项得到定位结果的近似闭式解，通过对正则约束总体最小二乘算法的偏差和均方差进行分析确定正则化参数。通过理论分析和仿真实验验证了该算法在到达角测量数目较少和测量误差较大时与相关算法对比定位精度有所提高。
　　对信噪比较低信号测量到达时间差，采用互相关方法可能获得更高的精度，到达时间差的互相关测量需要将不同观测站截获到的辐射源信号都转发到同一位置，如主观测站。另外观测站安放在运动平台等原因造成的观测站位置误差会影响无源定位精度性能。针对这两个问题，本文在第二部分提出了基于约束总体最小二乘的转发式时差定位算法。首先将转发式时差的非线性定位方程转化为不需要中间变量的直接线性方程，再基于约束总体最小二乘算法依次转化为约束优化问题和无约束优化问题，最后推导给出定位近似闭式解。仿真实验表明在观测站位置误差较大时该算法与相关算法对比定位精度性能较优。
　　对于中心化时差，每个时差都涉及到主观测站与辐射源间的相对距离，定位性能受主站与辐射源间相对位置的限制较大。利用去中心化时差无源定位均匀利用各站与辐射源间相对位置，在相同的观测站位置布局下，利用去中心化时差对辐射源进行定位，可获得随辐射源位置变化更平缓甚至更优的定位精度性能。因此，本文在第三部分提出了利用去中心化时差的无源定位方法，直接消去中间变量构造线性方程组，基于约束总体最小二乘法将其转化为无需考虑中间变量与辐射源位置间非线性约束条件的无约束优化问题，采用BFGS方法进行求解，并分析了所提方法的无偏性和误差方差。仿真实验表明所提方法当观测站不存在位置误差时均方根误差一直优于相关方法，当观测站存在的位置误差较小的条件下，信噪比较低或辐射源的位置离各观测站较远时具有更优的精度性能。
　　针对原始利用时差频差的直接定位方法存在数据传输量和计算量大的瓶颈，本文在第四部分提出了两种降低直接定位方法数据传输量和计算量的并行实现的去中心化直接定位方法。第一种方法采用去中心化配对方案，只将各观测站截获到的信号在站间一次传输，将数据传输和计算分散到各观测站间并行计算互模糊函数，构造仅满足满秩条件的互模糊矩阵。第二种方法根据推导的任意互模糊函数间关系公式，采用归约方式去中心化的在各观测站并行计算余下互模糊函数，补全互模糊矩阵。性能分析表明两种方法都可降低直接定位法的数据传输量，降低计算复杂度并提高计算效率。仿真实验表明本文两种方法精度性能优于两步定位方法，信噪比较低时两种方法均可达到较优的精度，信噪比较高时第二种方法与原始直接定位方法的精度相当。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状分析

1.3本文主要研究内容与安排

第二章 辐射源信号特征对无源定位的影响

2.1引言

2.2辐射源信号特征对无源定位作用区域的影响

2.3到达角测量原理及性能影响因素分析

2.4到达时间差测量原理及性能影响因素分析

2.5到达频率差测量原理及性能影响因素分析

2.6本章小结

第三章 基于正则约束总体最小二乘无源测角定位3.1引言

3.2定位算法

3.3正则化参数的确定

3.4定位性能分析

3.5仿真实验

3.6本章小结

第四章 存在观测站位置误差的转发式时差无源定位方法

4.1引言

4.2利用转发式时差的直接线性定位模型

4.3基于约束总体最小二乘的定位方法

4.4定位近似闭式解的推导

4.5仿真实验

4.6本章小结

第五章 利用去中心化时差的无源定位方法

5.1引言

5.2两种时差向量及其定位性能比较

5.3构造伪线性方程组的中心化时差无源定位方法

5.4利用去中心化时差的无源定位方法

5.5性能分析

5.6仿真实验

5.7本章小结

第六章 去中心化时差频差直接定位方法

6.1引言

6.2直接定位模型

6.3去中心化直接定位方法

6.4定位性能分析

6.5仿真实验

6.6本章小结

第七章 结束语

7.1研究总结

7.2工作展望

参考文献

致谢

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