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基于贝叶斯估计的多站纯方位无源定位与优化.pdf

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硕士论文 基于贝叶斯估计的多站纯方位无源定位及优化used for ref.erence in collocating passiVe sensors to improve location precision.Key word beaIing011ly,paSsiVe detection,bayesian estimation,control strategy,鲥d,optimiza石on目录 硕士论文目 录摘 要IAbstract。II目 录IVl缌}论l1.1研究背景和意义..11.2无源雷达的发展.21.3无源定位的过程.31.4本文主要工作.42三角定位..62.1引言.62.2多站纯方位三角定位法.62.2.1二站纯方位三角定位法62.2.2三站纯方位三角定位法72.2.3多站纯方位三角定位法142.3多站纯方位最小二乘估计法142.3.1线性最小二乘定位法.142.3.2加权线性最小二乘定位法.152.3.3非线性最小二乘定位法.192.4本章小结213基于概率的定位..223.1引言223.2基于概率的定位原理223.3基于贝叶斯最大后验概率的定位原理233.3.1贝叶斯公式的密度函数形式.243.3.2基于贝叶斯后验概率的定位模型.253.4本章小结264多站纯方位贝叶斯定位。274.1引言274.2两站纯方位贝叶斯定位274.2.1贝叶斯点估计.274.2.2贝叶斯区域估计.28lV硕士论文 基于贝叶斯估计的多站纯方位无源定位及优化4.2.3贝叶斯法的定位性能.304.3三站纯方位贝叶斯定位334.3.1贝叶斯点估计.344.3.2贝叶斯区域估计.374.3.3贝叶斯法与内心法性能比较.374.4多站纯方位贝叶斯定位414.4.1贝叶斯点估计.414.4.2贝叶斯区域估计.424.4.3不同展开点的性能分析.434.5本章小结455多站纯方位定位优化的控制策略.465.1引言465.2定位优化的策略465.2.1定位流程.465.2.2定位精度评估指标.475.2.3初步定位.495.2.4责任区的划分.515.2.5方案数据库的建立.525.3定位精度分析525.4本章小结566总结.57致 谢58参考文献。59V硕士论文 基于贝叶斯估计的多站纯方位无源定位及优化1绪论1.1研究背景和意义近年来,随着科技的发展与进步,军用系统的电子侦察能力大幅度提高,相继出现了专门用在电子对抗【l列】上的飞机、舰艇、卫星,还有用来摧毁雷达设备的反辐射导弹。战场电磁空间争夺更加激烈,电子对抗的作用和地位越来越重要,想要获得战场主动权就要夺取电子战的主动权[1 21。电子对抗逐渐变成一种能攻能防的作战手段,存在于战争的每个角落。传统形式的陆、海、空战,发展为“多维立体战”,以“软杀伤”为主要特性的电子对抗,可谓无处不在,无孔不入【I引。电子对抗技术主要是指以专用仪器、电子设备和电子打击武器系统来降低或破坏敌方电子设备的工作效能,同时保护己方电子设备效能的正常发挥。雷达在电子对抗中扮演着重要的角色,一般分为有源雷达【14。1。7】和无源雷达【l纠引。人们一般情况下提到的雷达都是有源雷达,它有方向地向外辐射电磁脉冲信号,通过接收回波,然后再经过信号处理,从而实现对目标的探测、定位和跟踪,它具有全天时、全天候和高精度的特点。与此同时,由于有源雷达向外辐射的电磁波容易被敌方探测设备接收到,造成了容易暴露自身的缺陷【3】,容易陷入敌方的火力攻击和电磁干扰,惹来“杀身之祸”。另外,针对有源雷达而发展起来的隐身、反辐射等技术,似乎给有源定位“蒙上了眼睛”,从而无源雷达的优越性显现出来,引发了学者们对无源探测的研究热潮,发展到今天,无源探测【50 J不论在理论还是工程应用上,技术愈发成熟。为了更隐蔽的进行无源探测,先发制人,美、俄等军事强国也特别重视这项技术,早早地投入大量人力物力,这些都推动了无源探测的迅速发展。无源探测【8’1 oJ依托于无源雷达,可分为两类一类是依托于目标辐射源自身的,辐射源包括雷达、应答机、通信、有源干扰机、导航仪等;另一类依赖于外辐射源工作的无源雷达,辐射源包括雷达、广播电视、卫星信号和移动通信信号等,其中,根据外辐射源的从属关系,又可将它分为合作式和非合作式无源雷达。基于无源雷达不对外辐射电磁信号的特点,造成了对方侦察设备很难发现和干扰的困难,更加难以对其实施有效的打击。除此之外,无源雷达利用接收到的信号,不仅可以对辐射源进行定位,还能够分析辐射源的信号参数,从而判断是哪种目标,帮助友方部队锁定目标并对其实施精确打击。除了无源雷达的这些优点,它同时还在商用、民用等方面崭露头角,扮演着重要的角色。但无源探测技术有三个难题1只能对有辐射雷达、导航、通信的目标载体进行侦察2被动性很大,当目标保持无线电静默即关机时,无源定位将不起作用3无源定位的精度一般较差。无源定位的高隐蔽性、作用距离远等特性,对于提高系统在错综复杂环境下的作战1l绪论 硕士论文能力和生存能力具有重要作用。而近现代发生的几次高科技战争也多次证明,无源定位技术在电子战系统中占据着越来越重要的地位。1.2无源雷达的发展早期的雷达体制都是双基地雷达【23粕J,其发射站和接收站在不同的位置。合作式无源雷达方面,德国在一战中首先将Klein Heidelbe娼应用与战争,这套设备从英国空防雷达ChainHome那里获得直射信号,从目标获得反射信号,然后根据两信号的时间差和反射信号的到达角实现目标定位。1922年,美国海军研究实验室NIu的泰勒博士和助手杨采用一种和双基地连续波雷达特别相像的设备成功实现了对河中行驶航船的探测。随着后来三十年代天线收发开关和大功率脉冲磁控管的出现,无源雷达的研究转向了单基地雷达。二十世纪五六十年代后,双多基地雷达再次受到了关注和研究,如美国的“圣殿”Sallctuary防空双基地雷达系统、双基地报警和指示BAC系统、多基地测量系统MMS,俄罗斯的BaHier雷达等。非合作式无源雷达方面,1982年,伦敦大学的Gri伍th发表了有关于基于电视的双基地雷达系统方面的文献,他成功地利用电视信号对运动目标进行定位,这在人类历史上尚属首次。1994年左右,英国的HowlaIldl2 7J然利用电视信号,不过他开发了另一套系统。由于电视信号中TDOA信息具有模糊性,他直接通过测量DOA和多普勒频移来进行定位,这种方法虽然测量精度不高,但还是有一定的效果。后来到1999年,他又发表了对基于电视的非合作式双基雷达深入研宄的成果,该系统将Crystal Palace电视台作为发射机,然后将接收机工作在VHF舢HF电视频段。2002年,德国的马诺尔公司测试了一种试验型的多基无源雷达一一手机雷达【30’32J。该雷达使用移动通讯信号,可实现对运动目标的探测跟踪,同时还能探测在树丛中运动的车辆或有源设备。2007年,新加坡南洋理工大学的Lu等人展示了一种基于多信道GSM雷达【28,29]的试验结果。该系统采用四个振子天线,四个GSM信道,获得了比较准确的距离和方向信息。合作式和非合作式雷达都是基于外辐射信号的无源雷达。随着科学技术的发展和实战的需求,无源雷达朝着高精度、高速度和小型化的方向快速发展。这些技术的顺利展开依赖于参数测量和数据处理能力的提高,而实现目标快速定位还需要先进的数字式接收机和不同平台无源雷达的组网技术。在未来一段时间内,要着重发展数字式接收机技术和多平台的组网技术;尝试扩展外辐射源的种类,使定位更加可靠当外界无电磁辐射时,将无源雷达和有源雷达联合使用,以提高雷达利用率。我国从1980年才真正开始研究无源定位技术。刚开始主要是用不同方位测量得到的定位三角形来定位,后来才开始使用时差定位和多普勒频差定位技术,还出现了利用相位变化率的技术。目前,国内很多企业开始利用基于广播、电视信号的非合作式雷达来进行定位,并取得了不错的效果。由于我国无源定位技术起步较晚,现阶段与国外一,硕士论文 基于贝叶斯估计的多站纯方位无源定位及优化些先进的技术还存在较大差距,但相信通过科技工作者的努力,不久的将来我国的定位技术一定能实现赶超。1.3无源定位的过程无源探测系统本身不发射电磁波,只能被动地接收目标的辐射过来的电磁波信号。无源定位的过程如图1.1所示。图1.1定位过程流程图定位技术主要针对目标量测而言,一般可以分为方向测量D 014、时差测量m洲和多普勒频差测量刃G啊或者DD。其中,方向测量定位法研究时间最长、最多,也是应用最广泛的定位方法。因为方向测量定位法是电子侦察设备的一个基本功能,尤其是在现代复杂电磁环境下,最能信任的就是方向参数了。它的基本原理是利用两个或多个观测站的测向数据来估计计算辐射源的位置。当不存在测量噪声时,两站或多个观测站的测向线会交于一点,该点就是目标辐射源;但当存在测量噪声时,情况就变得复杂了,需要进行必要的处理。因此,方向测量法一直是无源定位研究的主要内容,在定位原理、算法[48,491、精度分析、最佳配站分析、跟踪滤波和虚假定位消除等方面已经有了很大进展并取得了一定的成果。无源定位中的时差定位【33。36]利用三个或者多个测向站,针对同一信号,根据各测向站测得信号的时间差以及接收到的信号方位角来实现定位。获取时差有两种方法一种是先选择出信号有特征的比如波形的零点或最大值,或者是包络的最大值点,然后将彳i同接收机接收到这个点的时间相减;另一种是比较接收机接收到的信号,计算出它们相对移动多长时间后最为相像。辐射源到两个接收机的时间差为定值,由解析几何的知识可知,目标位于以两测向站为焦点的双曲线上,当有多个测向站时,多个双曲线相交就可以得到目标的位置。在这种定位方法中,时间差的测量精度以及测向站的白定位精度是影响辐射源定位精度的主要因素。时间差测量定位的方法有很多,如最小二乘估计、最大似然估计以及最小加权均方估计等。在脉冲信号、连续波信号和干扰的时间差测量方面已经有了一些成果,但是在定位方法和性能的分析、扩谱信号相关处理、脉冲1绪论 硕士论文信号配对、宽带干扰处理等方面仍有很多工作要做。差分多普勒定位是一种新的定位方法,由于目标辐射源或者接收机的运动,使得接收机接收到的频率与辐射源发出的信号频率之间有个频差,它的大小和辐射源相对接收机的运动方向有关,利用这个频差就可以进行定位。差分多普勒定位精度高,不模糊,它适用于脉冲雷达、连续波雷达,也适用于相干与非相干雷达,是无源定位的一个很好的办法。但它存在一定的使用限制,一般不能单独使用,需要和其他定位方式协调工作,有一定的配置兼容问题。实际应用中,在定位算法和配站问题上有待进一步研究。在获得目标的量测后,还需要通过研究相应的算法来获得目标位置的最优解。定位算法是指在获得目标的量测后,建立合适的关于量测方程的数学模型来对目标进行定位的过程。由于存在各种测量误差和系统误差,它实质上是在时间或空间上进行累积,从而实现统计意义上的目标最优位置估计。因此,一般用统计学中的无偏性、一致性等性能来作为算法性能的衡量指标。在实际应用中,还会权衡到算法的耗时和定位精度的关系,这就涉及到算法定位性能方面的内容。通过比较算法的一致性、无偏性等特性来提高定位精度就属于图1.1中的A;而通过优化传感器的航迹和配置布局则属于图1.1中的B,是从获得更好的目标量测角度提高精度的。1.4本文主要工作由无源定位过程的流程图可以看出,研究无源定位的本质问题就是如何能获得目标的最佳定位精度。本文正是基于此问题,从纯方位的角度展开了一系列的讨论。文章首先对最常用的目标定位方法一一三角定位进行了研究,详细分析了多站包括两站、三站情况下的三角定位算法,并进行了仿真和误差分析,讨论了多站纯方位最小二乘算法在线性和非线性情况下的不同;然后从另外一个角度概率的角度,推导出了基于贝叶斯最大后验概率的多站纯方位定位算法、误差模型,并通过仿真对它的定位性能做出了评价;最后,提出了一种通过指挥控制策略提高多站侦测区域内目标定位精度的方法。各章节的安排如下第一章阐述了无源定位技术的研究背景、发展过程、意义以及研究该问题的方法和方向,说明了该技术的研究具有很高的理论和实用价值。第二章研究了无源定位中的三角定位,包括多站纯方位三角定位法和多站纯方位最小二乘法。在三角定位法第二节中,对三角形“质心”的选择展开了讨论,并通过仿真比较了不同“质心”的定位性能;在最小二乘法中,推导出了加权线性最小二乘定位法的递推公式,然后比较了非线性最小二乘情况下线性近似法和牛顿迭代法的定位性能。第三章由概率的定位思想,提出了基于贝叶斯最大后验概率的定位模型,为第四章的研究提供了理论基础。第四章详细研究了多站纯方位贝叶斯定位的定位算法和误差模型。针对二站、三站4硕士论文 基于贝叶斯估计的多站纯方位无源定位及优化和多站纯方位定位方法中,贝叶斯方法与三角定位方法之问的关系,特别是贝叶斯点估计与三角定位法之间的联系与区别,求出了多站纯方位目标定位的贝叶斯区域估计,与现有方法相比有突出的优点,特别适合于定位精度分析与优化布站等应用。第五章提出了一种通过指挥控制的手段来提高多站侦测区域内目标定位精度的优化方法。首先根据侦测责任区域的几何分布和侦测精度进行网格化分割;其次根据多站几何部署情况分别分析各种组合下两站、三站、四站等多站组合的定位精度;最后将二者综合制订一套决策方案,一旦探测到目标,就可以找到目标所在网格,从方案数据库中调用相应的定位方案,从而实现了目标的快速、精确定位。在定位精度评估指标的选择上,提出了“评估圆”的概念,“评估圆”的半径和几何稀释度aⅪP相比,虽然仅相差一个系数,但使用“评估圆”作为评估指标就有了几何意义。第六章是全文的总结,详细回顾了文章所做的工作,包括优点和缺点,以及未来进一步的研究方向。2三角定位 硕士论文2三角定位2.1引言辐射源的方位角或它的方位线1ine of bearing,LOB是定位过程中常用的参数。假设已知传感器的位置,并近似在同一时刻对同一目标进行测量,测得两条或者多条的方位线,若此两条甚至多条方位线存在交点时,则可以采用某一个交点位置或者多个交点的平均位置来确定目标位置最大可能的估计值,这种定位技术称为三角定位。本文只讨论辐射源与测向站位于同一平面内的纯方位‘37‘40】定位问题。例如,辐射源和测向站都位于地面上,或者辐射源的位置已经过坐标转化投射到地面上,在忽略了地球曲率的理想化条件下,该问题简化到二维平面内。2.2多站纯方位三角定位法2.2.1二站纯方位三角定位法二站三角定位法是常用的定位方式,此方法的基本原理是由两个测向站同时对目标进行测向,利用三角公式计算出目标的位置坐标。在如图2.1所示的平面直角坐标系中,设有两个测向站,己知站1位于Sx,,M,站2位于是X,,奶一待定位的目标位于丁‰,y。,目标和两站连线与正北方向形成的夹角分别记为岛。和吼。假设每个测向站都能正常地接收到各个目标辐射源辐射的信号,将所有的工程误差都叠加到测向误差中,设两测向站的方位测量误差均服从正态分布。现有两个测向站关于该目标的方位测量值分别为岛和包,则有9~Ⅳ‰,,砰,其中,盯为第i个测向站的方位测量误差的方差,il,2。硕士论文 基于贝叶斯估计的多站纯方位无源定位及优化y斗x茫锹_“’ \受纩一0 X图2.1二站交叉定位几伺不惫图根据站1和站2的方位测量值q和幺以及站点坐标Sx。,y。和是X,儿,可得到定位方程组为Ix一葺tanqyyl【xx2tan岛y一儿不难求得交叉点坐标■,M为可见,只要sillq一幺≠0,总能给出目标位置的估计值,所以在本文中一律假设目标不位于两测向站的基线及其延长线上。另外,如果测向站不存在测向误差,则式2.2.1确定的交点就是目标的真实位置,否则该交点算出的估计位置■,y.,与目标真实位置‰,%存在误差,从图2.1可以看出,该定位误差与两站的测向误差,以及目标与两站基线的相对位置距离和方位都密切相关。2.2.2三站纯方位三角定位法三站纯方位目标定位,是由部署在不同位置的三个测向站对同一目标进行测向,如果不存在测向误差,三条方位线将交于一点,这就是目标辐射源所在的真实位置。但是,在实际测量中总会伴随着测量噪声和环境噪声,这些噪声产生的随机测量误差是不可避■一Z一二二包一包一业业SS一砭一M一
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