基于参数与信道优化的民用航空目标监视方法研究

摘要

民用航空规模的快速增长，导致监视信号干扰的大量引入、通信链路阻塞和目标多样性的增加，使得民用空域目标监视变得更加困难，民用航空多种目标监视问题亟待解决。本文基于广播式自动相关监视（ADS-B）方法，以协同目标和非协同目标监视问题为出发点，对协同目标监视定位与跟踪、非协同目标监视和复杂空域中混合目标监视方法开展了研究。
　　针对监视数据完备性缺失和数据异常问题，提出了一种多参数优化的自适应组合滤波算法。该算法以当前统计模型的 Kalman滤波为基础，结合异常值辨识、插值滤波、机动频率和加速度方差调整方法，通过优化新信息的方差、噪声方差的机动频率、速度估计偏差，实现滤波增益、机动频率与加速度方差的动态调整。仿真结果表明，所提算法能自动识别异常值、平滑目标航迹，相比当前统计模型算法，定位精度更高，实现了目标跟踪与航迹预测。
　　针对现有空空监视体制中空中防撞系统（TCAS）和 ADS-B不能实现非协同目标监视问题，提出了基于随机BPSK信号调制、TOA定位模型的ADS-B信道雷达监视体制。在自动相关监视体制基础上，设计了一种单发四收的雷达组成模型，优化设计ADS-B信号的发射脉冲长度并引入随机BPSK调制方式，得到一种相异于现有民用航空监视技术的 ADS-B信道雷达信号体制。研究了 ADS-B信道雷达基于TOA监视定位模型，理论计算了ADS-B信道雷达的作用距离，所设计的信道雷达对民航客机的监视距离可达8.3海里，满足空空监视的需求。在初始状态未知的条件下，开展了基于粒子滤波的ADS-B信道雷达对空空监视目标快速跟踪问题的研究。通过仿真分析，该算法比EKF收敛速度更快、定位精度更高。
　　基于上述两个研究成果，针对复杂环境中协同目标和非协同目标监视问题，通过优化现有协同监视系统信道参数，增加对非协同目标监视功能基础上，设计一种信道共用的混合监视系统，提出了基于信道占据分时控制的混合目标监视方法。根据混合监视系统的三子系统监视原理，将混合目标监视问题转换为各子系统对信道占据分时复用的控制问题，推导出信道占据与发射占空比数学模型，建立最小控制时隙和目标危险系数表，实现混合目标的监视。仿真分析表明，发射占空比1％典型值条件下，基于信道占据分时控制方法能够实现协同和非协同目标的监视。
　　用ADS-B模拟器对本文提出的自适应组合滤波算法进行的外场实验，证明了自适应组合滤波能够提升目标的航迹监视性能。通过设计内场实验，对本文提出的基于信道占据的分时控制算法进行了验证，对发射信道占空比进行分析，实验结果表明本文提出的控制方法对混合目标监视是有效的。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 民用航空目标监视体制国内外研究现状

1.3 本文主要工作及创新点

1.4 本文结构安排

第二章 目标监视技术与基本理论

2.1 雷达体制

2.2 新技术监视

2.3 本章小结

第三章 基于自适应组合滤波的协同目标监视

3.1 协同目标监视问题描述

3.2 当前统计模型的卡尔曼滤波基础

3.3 自适应组合滤波的协同目标监视方法研究

3.4 模拟仿真与性能分析

3.5 本章小结

第四章 基于ADS-B信道雷达体制的非协同目标监视

4.1 非协同目标监视问题描述

4.2 ADS-B信道雷达体制研究

4.3 ADS-B信道雷达非协同目标监视研究

4.4 ADS-B信道雷达非协同目标监视的航迹跟踪

4.5 本章小结

第五章 基于信道占据分时控制的混合目标监视

5.1 混合目标监视问题描述

5.2 基于信道占据分时控制的混合目标监视方法

5.3 模拟仿真与性能分析

5.4 本章小结

第六章 实测数据的实验验证

6.1 实验方案

6.2 实验实施及数据分析

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文工作总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果