（信号与信息处理专业论文）机载无源定位技术与跟踪算法研究.pdf

机载无源定位技术与跟踪算法研究 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣 摘要 在现代高科技战争中，随着电子对抗和防御技术的不断发展，传统的机载有源雷达 电磁隐蔽性、抗侦察、抗干扰能力差等弱点曰益呈现，正面临着日益严重的威胁，以往 单一有源定位体制的机载雷达已不能满足现代作战需要，作为对有源定位系统的补充和 完善，机载单站无源定位系统正成为多模探测的一个重要组成部分，备受国内外各军事 强国的关注。同时它还具有设备简单、作用距离远、隐蔽性能好、适用范围广和生存能 力强等优点，对于提高机载武器系统在电子战环境下的生存能力和作战能力具有重要作 用，对现代信息战有着极其重要的军事意义。本课题围绕着机载无源定位技术及其被动 跟踪算法展开研究。从定位原理、系统模型、可观测条件、单次定位误差分析、跟踪滤 波算法等方面进行详细研究和讨论，提出了相应的解决方法，并进行了仿真测试，使算 法的有效性得到了验证。 定位体制、可观测条件和单次定位误差分析是实现无源定位的前提条件，本文首先 介绍了基于质点运动学原理的定位理论，在此基础上，结合机载无源定位系统的自身特 点，分别使用多普勒频率变化率定位法，相位差变化率和多普勒频率变化率相结合的复 合定位方法对系统进行建模，详细分析了两种定位方法的定位原理，然后对它们进行了 可观测分析，分别讨论了其各自的适用条件。最后对两种定位方法方法做了单次定位误 差分析，得出可一些有意义的结论。为后面研究适合机载无源定位系统的被动跟踪算法 打下了基础。 机载无源定位本质上是一个复杂的非线性滤波问题，即利用夹杂噪声的观测数据来 获得目标状态的估计。在分析了利用空频域信息无源定位方法的特点以及直接应用传统 确定性采样被动跟踪算法性能不佳的原因的基础上，针对系统的可观测性弱、初始状态 估计误差大而导致滤波算法稳定性差、收敛速度慢和收敛精度不高等问题，首先提出了 基于观测域滤波的确定性采样卡尔曼被动跟踪算法，有效的提高了算法的稳定性和定位 精度；然后提出了迭代确定性采样卡尔曼被动跟踪算法，明显的提高了算法的收敛速度 和定位精度；最后提出了强跟踪确定性采样卡尔曼被动跟踪算法。提高了算法对观测误 差的适应能力。 近年来逐渐兴起的基于蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ，m c ) 积分方法的粒子滤波算法为 机载无源定位这一非线性滤波问题提供了一种新的解决途径，它摆脱了将状态量视为高 斯分布的约束，采用蒙特卡罗随机采样样本来近似状态的后验分布。这部分内容主要研 哈尔滨工程大学博士学位论文 i i i i i i 茜i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 置i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 究基于蒙特卡罗随机采样的被动跟踪算法，针对传统的p f 算法直接根据状态转移概率 抽取的样本与真实后验分布偏差较大的问题，从优选重要性密度函数的角度提出了一种 基于3 阶球形和径向数值积分粒子滤波的被动跟踪算法，对比求积分卡尔曼粒子滤波算 法，新算法在保证稳定性和定位精度的条件下有效的提高了算法的实时性。从重采样角 度提出了聚合重采样的粒子滤波算法，有效的减轻了粒子退化和贫化现象，在观测噪声 为高斯噪声时其性能与高斯粒子滤波算法和正则化粒子滤波算法相近，当噪声分布为非 高斯分：市时其性能优于高斯采样和正则化重采样，适用条件更加宽泛。 由于拟蒙特卡罗( q u a s im o n t ec a r l o ，q m c ) 积分技术可以避免采样粒子在状态空 间积聚而形成“团簇”和“间隙”的现象，因此它可以获得比m c 积分更高的近似精度。 最后主要对基于拟蒙特卡罗粒子滤波的被动跟踪算法展开了研究。针对拟蒙特卡罗高斯 粒子滤波算法计算量大的问题，结合机载无源定位自身特点，分别提出拟蒙特卡罗自适 应高斯粒子滤波算法和拟蒙特卡罗聚合重采样粒子滤波算法，仿真结果表明：两种新算 法均在保证滤波精度的同时，有效的减少了q m c 采样粒子数，提高了算法的运行效率。 另外拟蒙特卡罗聚合重采样粒子滤波算法以聚合粒子为中心，以预测均值为边界的空间 内进行拟蒙特卡罗重采样，在有效减少q m c 采样规模的同时引导粒子向高似然区移动， 优化粒子在状态空间中的分布特性，进而提高了滤波精度，在高斯噪声条件下其滤波性 能与拟蒙特卡罗高斯粒子滤波算法相近，当噪声分布为非高斯分布时，其性能优于拟蒙 特卡罗高斯粒子滤波算法。适用性更为广泛。 关键证】：单站无源定位；质点运动学；多普勒频率变化率；非线性滤波；粒子滤波 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c c o u n t e r m e a s u r e st e c l u l 0 1 0 9 ya n dt h em i s s i l e d e f e n s et e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a la i r - b o r n er a d a rs y s t e m sh a v ee n c o u n t e r e d m o r ea n dn l o r e s e r i o u st h r e a t si nm o d e m h i g h - t e c hw a r f a r e ，d u et oi t sw e a ke , l e c t r o m a g n e t i ci n v i s i b i l i t y , w e a k a n t i 。r e c o n n a i s s a n c ec a p a b i l i t ya n dp o o ra n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y p r e v i o u ss i n g l er a d a rs e e k e r w i t hb e a r i n g s 。o n l yt r a c k i n gs y s t e mc a nn o tm e e tt h en e i e d s o fm o d e mw a r f 打e ，a sm e c o n s u m m a t i o na n dc o m p l e m e n to fa c t i v ed e t e c t i o ns y s t e m s ，p a s s i v el o c a t i o na n dt r a c k i n g s y s t e mi sb e c o m i n ga ni m p o r t a n tp a r to ft h em u l t i m o d er a d a rs e e k e ra n dh a sb e e np a i dm u c h m o r ea t t e n t i o nb ym a n yc o u n t r i e s t h ep a s s i v eo b s e r v a t i o nm o d e b ys i n g l eo b s e r v e rh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha se x c e l l e n ti n v i s i b i l i t y , s i m p l i c i t yi nt h ef a c i l i t y , l a r g ee f f e c t i v er a d i u sa n d w i d ea p p l i c a b i l i t y t h es u b j e c ti sf o c u s e do na i r b o r n ep a s s i v el o c a t i o nt e c h n i a u e sa n di t s p a s s i v et r a c k i n ga l g o r i t h m i te l a b o r a t e so nt h ep r i n c i p l eo fg p s ，s y s t e mm o d e l ，o b s e r v a b l e c o n d i t i o n ，a n a l y s i so nt h es i n g l el o c a t i n ge r r o ra n dt r a c k i n ga l g o r i t h m ；i ta l s op u t sf o r w a r d s o m es o l u t i o n sa n da p p l i e ss i m u l a t i o nt e s t i n g ，w h i c hs h o w st h ev a l i d i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo f t h em e t h o d p o s i t i o n i n gm e t h o d ，o b s e r v a b l ec o n d i t i o na n dt h el o c a t i o ne r r o ra r et h ep r e c o n d i t i o n so f p a s s i v el o c a t i o n ，t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e sl o c a t i o nt h e o r yb a s e do np a r t i c l ek i n e m a t i c s f i r s t l y , a n do nt h a tb a s i sw es e p a r a t e l yu s et h ep o s i t i o n i n gm e t h o db a s e do nt h e d o p p l e r c h a n g i n gr a t ea n dt h ec o m p l e xp o s i t i o n i n gm e t h o db a s e do nt h ep h a s ea n dt h ed o p p l e r f r e q u e n c yt om o d e ls y s t e mc o m b i n i n gw i t ht h ef e a t u r e so fa i r b o m ep a s s i v el o c a t i o ns y s t e m p a r t i c u l a r l ya n a l y z et h ep o s i t i o n i n gp r i n c i p l e so ft w ok i n d so fp o s i t i o n i n gm e t h o d sa n da l s o w e r e s p e c t i v e l yd i s c u s st h e i ro w ns u i tc o n d i t i o n s f i n a l l y , w ea d o p ts i n g l ea n a l y s i so nl o c a t i n g e r r o rt ot h e s et w ok i n d so fp o s i t i o n i n gm e t h o d sa n ds o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n s a r eo b t a i n e d w h i c hp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o r s t u d y i n go nt h ep r o p e rp a s s i v et r a c k i n ga l g o r i t h mo f a i r - b o r n ep a s s i v el o c a t i o ns y s t e m a i r - b o r n ep a s s i v el o c a t i o ni se s s e n t i a l l yac o m p l e xi s s u ea b o u tn o n l i n e a rf i l t e r i n g ，w h i c h m a k e su s eo ft h ed a t ao fm i x e dw i t hn o i s e st og a u g et h et a r g e ts t a t e i nt h et h i r dc h a p t e rw e a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l eo b s e r v e rp a s s i v el o c a t i o nw i t ht h ei n f o r m a t i o no f s p a t i a l - f r e q u e n c yd o m a i na n dt h er e a s o nf o rp o o rp e r f o r m a n c eo fd i r e c t l yu s i n gt r a d i t i o n a l p a s s i v et r a c k i n ga l g o r i t h m ，a c c o r d i n gt ot h ep o o ro b s e r v a b i l i t yo ft h es y s t e m ，o v e r s i z e e s t i m a t e de r r o ri ni n i t i a ls t a t ea n d p o o rc o n v e r g e n c ea c c u r a c y , 、i , v ep u tf o r w a r dm e a s u r es p a c e s i g m ap o i n tk a l m a nf i l t e rt oi m p r o v es t a b i l i t ya n dp o s i t i o n i n ga c c u r a c yo fa l g o r i t h m ；t h e n 哈尔滨工程大学博士学位论又 i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 毒i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i w ec o r n i ：u pw i t hi t e r a t e ds i g m ap o i n tk a l m a nf i l t e rb yw h i c hw ee n h a n c et h ec o n v e r g e n c e r a t ea n dp o s i t i o n i n ga c c u r a c yo b v i o u s l y ；a tl a s tw ep u tf o r w a r ds t r o n gt r a c k i n gs i g m ap o i n t k a l m a nf i l t e rw h i c he n h a n c e st h ea d a p t b i l i t yo fa l g o r i t h mt oo b s e r v a t i o ne r r o r i n ：e c e n ty e a r sp a r t i c l ef i l t e rb a s e do nm o n t ec a r l oi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d ， w h i c hpu t sa s i d et h er e s t r i c t i o nt h a tc o n s i d e r i n gq u a n t i t yo fs t a t ea sg a u s sd i s t r i b u t i o n ，i tu s e s p o s t e r i o rd i s t r i b u t i o no fm o n t e c a r l or a n d o ms a m p l e t h ef o u r t hc h a p t e rm a i n l ys t u d i e so n p a s s i v et r a c k i n ga l g o r i t h mb a s e do nm o n t e - c a r l or a n d o ms a m p l e ，a st h ed e v i a t i o nb e t w e e n c o l l e c t i n gs a m p l e sb yt r a d i t i o np fa l g o r i t h mi sm u c hl a r g e r , an o v e lp a r t i c l ef i l t e ra l g o r i t h m w h i c hd e v e l o p so u tt h r e eo r d e rc u b a t u r ek a l m a nf i l t e rt ow o r ko u ti m p o r t a n c ede n s ：i t y f u n c t i o ili sp r o p o s e d ，c o m p a r i n gt oq u a d r a t u r ek a l m a np a r t i c l ef i l t e rt h en e wa l g o r i t h m e n h a n c , si t sr e a lt i m ep e r f o r m a n c eo nt h ec o n d i t i o n st h a tg u a r a n t e e i n gs t a b i l i t ya n d p o s i t i o ld n ga c c u r a c y w ec o m eu pw i t hm e r g i n gr e s a m p l i n gp a r t i c l ef i l t e rf r o mt h es t a n d p o i n to f r e s a n l p l i n gt e c h n o l o g y , w h i c hr e d u c e sd i l u t i o na n dd e g r a d a t i o no fp a r t m ee f f e c t i v e l y w h e no b s e r v i n gn o i s ei sg a u s s i a nn o i s e ，i t sp e r f o r m a n c ei sc l o s et og a u s s i a np a r t i c l ef i l t e r a n dr e g u l a r i z e dp a r t i c l ef i l t e r w h e nn o i s ed i s t r i b u t i o ni s n o n - g a u s s i a nd i s t r i b u t io n ，i t s p e r f o im a n c ei s b e t t e rt h a ng a u s s i a nr e s a m p l i n ga n dr e g u l a r i z e dr e s a m p l i n g ，s ot h e a c c o na n o d a t e dc o n d i t i o n sa r em o r eb r o a d a sq u a s im o n t ec a r l o ( q m c ) i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yc a na v o i dt h ep h e n o m e n o no f ” c l u s t e r s ”a n dt h e ”g a p ”o fs a m p l i n gp a r t i c l e s ，s oi tc a no b t a i nh i g h e ra p p r o x i m a t ep r i e c i s i o n t h a nm ci n t e g r a l t h ef i f t hc h a p t e rm a i n l ys t u d i e so np a s s i v et r a c k i n ga l g o r i t h mb a 。s e do n s e q u e n t i a lm o n t ec a r l op a r t i c l ef i l t e r a c c o r d i n gt oh u g ew o r k l o a do fq u a s i - - m o n t e - c a r l o g a u s , ；i a np a r t i c l ef i l t e ra l g o r i t h m ，c o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i co fa i r - b o r n ep a s s i v e p o s i t ia n i n gi t s e l f , w es e p a r a t e l yp r o p o s eq u a s im o n t ec a r l oa d a p t i v eg a u s s i a np a r t i c l e f i l t e ra n dq u a s im o n t ec a r l om e r g i n gr e s a m p l i n gp a r t i c l ef i l t e r ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t ：t w ok i n d so fn e wa l g o r i t h m se n s u r ef i l t e r i n ga c c u r a c y , a n da tt h es a n q et i m et h e y e f f e c li v e l yr e d u c et h eq m cs a m p l i n gp a r t i c l en u m b e r , a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h e a l g o r ：t h m i na d d i t i o nq u a s im o n t ec a r l om e r g i n gr e s a m p l i n gp a r t i c l ef i l t e i c e n t e r sa r o u n d t h e v l e r g e dp a r t i c l e ，w h i c hp r e d i c t s t h em e a l 3o f b o u n d a r ys p a c e s t o c a r r y 0 1 1 q u a s i m o n t e c a r l om e r g i n gr e s a m p l i n g ，i tc a r le f f e c t i v e l yr e d u c eq m cs a m p l i n gs c a l ew h i l e d i r e c ：i n gt h ep a r t i c l e sm o v i n gt oh i g hl i k e l i h o o da r e a ，i tc a na l s oo p t i m i z es p a c ed i s t r i b u t i o n o fp an i c l e ，a n dt h e ni m p r o v et h ef i l t e r i n gp r e c i s i o n ，u n d e rc o n d i t i o n so ft h eg a u s sn o i s ei t s f i l t e r ：n gp e r f o r m a n c ei s s i m i l a rt oq u a s i m o n t e c a r l og a u s s i a np a r t i c l ef i l t e r ，w h e nt h e n o i s ed i s t r i b u t i o ni sn o tg a u s sd i s t r i b u t i o n ，i t sp e r f o r m a n c ei ss u p e r i o rt oq u a s i - m o n t e c a r l o g a u s s i a np a r t i c l ef i l t e r ，s oi t sa p p l i c a b i l i t yi sm u c hb r o a d e r k e y w 。r d s ：s i n 9 1 e 。b s e r v e rp a s s i v e l o c a l i z a t i o n ；p a r t i c l ek i n e m a t i c s t h e 。u ；d o p p l e rf r e q u e n c y r a t e o f - c h a n g e ；n o n l i n e a rf i l t e r i n g ；p a r t i c l ef i l t e r 第1 章绪论 i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i 高i i 置i i i i i i i i i i i i i i 置i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 第1 章绪论 1 1 概述 在近年的几次现代局部战争中，例如中东战争( 贝卡谷地战役) 、北约空袭南联盟 和两次伊拉克战争中，进攻一方一般采取的战略就是要牢牢的控制战场的制信息权，孙 子兵法日：“知己知彼，百战不殆”，因此可以说电子战的胜负将决定战局的成败。随着 导弹等精确制导武器射程的不断增长，对敌方目标的远距离探测，远距离定位跟踪和远 距离摧毁已成为可能，但是在现代信息战条件下，机载有源探测定位系统电磁隐蔽性差， 抗侦察、抗干扰能力弱等问题日渐呈现，面临日益严重的威胁l j ，以往单一有源定位体 制的机载雷达已不能满足现代作战需要，作为对有源定位系统的完善和补充，机载无源 定位系统正成为机载多模探测定位系统的一个重要组成部分备受关注。它具有设备量 少、作用距离远、隐蔽性能好、生存能力强等特点，对现代信息战具有极其重要的军事 意义陋】。 无源定位系统是现代作战理论“隐蔽自己，先敌发现，先敌攻击，先敌摧毁”催生 出来的产物，顾名思义，就是系统本身不发射电磁波信号：，而是通过接收从目标辐射源 直接发射的或者外部辐射源照射目标后反射或散射的信号，通过一系列的信号处理和数 据处理手段完成对目标辐射源的定位和跟踪。对比有源定位系统，无源定位系统具有更 好的隐蔽性和机动性，并且远距离定位能力强，因此受到世界各军事强国的重视，并将 逐渐成为定位跟踪领域的主流。 一般来说无源定位系统以观测站的数量可分为单站和多站定位系统。后者要求各观 测站之间严格同步进而实现数据的集中处理，这样既增加了系统的复杂性，又降低了系 统的机动性和独立性。而单站无源定位系统仅需要观测平台自身的机动或者目标辐射源 的相对运动产生的电磁信号变化，从而完成对目标辐射源的定位和跟踪，并且只需要一 个观测平台，独立性和灵活性都比较强，并且结构简单，：易于实现l j 。在现代高科技战 争中，电磁环境日益复杂，采用快速、稳定、高精度和高检测和识别率的无源定位技术 作为目标探测、定位跟踪和远距离精确打击己成为机载武器系统的一个重要的发展方 向，这对于提高飞机的突防能力、生存能力和隐蔽攻击能力都有重要的现实意义。鉴于 该技术在现代以及未来战争中具有广阔的应用前景和战略意义，因此对其进行深入的研 究具有十分重要的军事意义。本文以机载单站对远距离海面或者陆地慢速目标的无源定 位技术为研究背景，以基于空频域信息的无源定位算法和被动跟踪算法为主要研究方 向。虽然基于到达时间差( t d o a ) 等基于时域信息的定位方法也是比较有前景的方法， 但是由于时域信息与频域信息的等价性，本文不做讨论，另外这里的空频域信息的“空” 主要指入射角或者相位差和它们的变化率，“频”指辐射源频率及其变化率。 哈尔滨工程大学博士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1 2 谓! 题研究背景与发展现状 1 2 1 萤外研究发展现状 “无源”的概念并不是新近才提出来的，实际上它和雷达技术的发展几乎是同步的。 1 9 3 5 年，罗伯特沃森瓦特曾利用英国广播公司发射的短波信号对1 0 k m 以外的作战飞 机进行定位。二战中德国的“克莱思海德堡”系统可以看作是现代预警雷达的第一次尝 试，但由于其计算能力有限，无法得到目标的准确坐标。 在过去的三十年中，各军事强国都为无源定位技术的研究投入了大量的资金、人力 和物力。并已经取得了很多有价值的研究成果，并且部分西方军事研究机：构已经进入试 验或者外场应用测试阶段，由于无源定位技术高度的军事价值以及东西方阵营对立等原 因，具体、详细的科研资料和技术信息很少公开发表，只能通过简氏防务周刊等国外军 事杂志和美国国家专利简述上得到一些关于试验的简报和相关领域的研究简介。但可以 看出，美国等西方军事强国在这一领域占据了明显的优势，其部分研究成果已经进入试 飞试验和工程应用阶段。由l o c k h e e dm a r t i n 公司研制出的“沉默哨兵”( s i l e n ts e n t r y ) 系统，利用商业调频广播的信号来探测隐身目标，因为稳定载波频率信号的包络含有目 标识另【的特性，可以用来测量直接信号或者间接反射信号的到达时间差，该公司：为此专 门创建了一个包含常用电台位置和频率的庞大数据库l 圳。1 9 9 3 年由l o c k h e e dm a r t i n 公 司和! l e n t 公司联合研制的无源测距系统( p r s s ) ，以数字式射频存储器( d r f m ) 为核 心，利用信号的脉冲重复周期变化值和多普勒频率变化率对地面辐射源进行定位，在1 7 到4 8 砂范围内，测距误差不超过1 i 7 f 。1 9 9 9 年由h u g h e s 公司研制的精确定位与识别 系统f 王l a i d ) 。以高级数字接收机为基础，其相对测距误差在1 0 秒内收敛到1 0 ，目前 其改造：型的a l r 6 9 等机载雷达接收机已经在f 1 6 、f 1 8 和x c l 3 0 等多个型号的i 战斗机 上得到了广泛应用1 8 i 。另外，l i t t o n a m e c o m 公司采用长短基线干涉仪测向和无源测距 相结舍的方法研究出的l t - 5 0 0 无源瞄准系统也能在数秒内实现对目标辐射源的快速定 位1 9 1 。 另外欧洲军事强国也纷纷的推出了自己的无源定位系统，例如英国b a e 公司2 0 0 4 年为“f 2 2 ”( 猛禽) 战斗机研制的a n a l r 9 4 数字电子战系统，由3 0 个数组天线单元 组成，能够提供3 6 0 。全方位电磁信号检测和跟踪，作用距离达到了4 6 0 k m 。借助 a n a l r 9 4 系统的告警指示，猛禽战斗机上的相控阵雷达还可以利用2 0 2 。的针状波 束在小范围内交替地对目标进行扫描，不仅提高了雷达搜索效率，而且减少了雷达辐射 的时间，大大提高了战机的隐身能力”“i 。另外2 0 0 5 年e u r o p e a na e r o n a u t i cd e f e n s ea n d 第l 苹绪论 i 每i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i s p a c e ( e a d s ) 公司研制的快速辐射源定位系统( f e l s ) ，以长、短线干涉仪为核心技术 对目标进行定位，对目标的捕捉速度和定位精度大幅的提高。而且f e l s 系统已进行过 多次外场试验，其稳定性和实用性已经得到了验证，成为英国狂风战斗机探测系统的一 个重要升级方案川。 此外，以色列在无源定位领域的研究也颇有造诣，例如1 9 9 9 年在科索沃战争中击 落美军f 1 1 7 隐形轰炸机而名声大噪的捷克e r a 公司开发的“维拉( v e r a e ) ”无源雷 达系统，该系统采用四站长基线时差定位方法可对连续波雷达、脉冲雷达、机载s s r i f f 应答机等目标辐射源进行定位，其工作频率几乎覆盖0 1 1 8 g h z 范围内所有的通信及雷 达信号频率，最大探测距离为4 0 0 k m ，方位角作用范围1 2 0 0 1 2 0 0 ，俯仰角作用范围 0 。3 0 。，接收机动态范围为7 0 d b ，灵敏度为9 8 d b m ，：在1 5 0 k m 范围内的定位误差小 于3 0 0 m ，高程测量误差小于4 0 0 m ，瞬时中频带宽为2 0 m h z 2 5 0 m h z j - 1 2 t 。此外， 比较成熟的系统还有以色列e l t a 公司研制的e l l 8 8 3 8 1 1 1 ( 1 和e l l 8 3 0 0 g t l 1 无源定位系 统，它们分别以到达时间差、三站交叉定位技术和旋转天线测角技术为核心技术对目标 进行定位，圆概率定位误差均在4 k m 以内| “l 。 另外，从一些国外专利文献中也能稍许发现一些无源定位技术研究和发展现状。例 如文献 1 3 1 5 分别提出了只测量入射角对目标进行无源定位的方法、长短基线测入射角 的无源定位方法和在只测量角入射角的基础上增加目标辐射源频率观测量的无源定位 方法；文献 1 6 1 9 分别提出了相位差变化率的无源定位方法、利用两个同步接收机测量 入射信号相位差的无源定位方法、到达时间差和利用长基线干涉仪测量相位差相结合的 无源定位方法和相位差和到达时间差的无源定位方法；文献2 0 2 1 1 分别提出了采用两个 接收机测量多普勒频率的频差进行无源定位的方法和基于旋转多普勒测量的无源定位 方法。 虽然上述的期刊报道和专利介绍没有详细的阐述和说明无源定位的基本理论和关 键技术，但是它可以为我们的研究提供了一些必要的思路，利用这些已有研究方向和思 路对于国内无源定位领域的研究来说也是有很大的借鉴意义的。 1 2 2 国内研究发展现状 国内对利用目标辐射源进行无源定位技术的研究起步较晚，但鉴于该项技术较高的 军事应用价值，目前国内军方和各研究机构也非常重视，在2 0 0 1 年3 月召开的“雷达 被动定位与跟踪技术研讨会”上，总装备部、军队科研院所及相关的大学的研究机构一 致认为单站无源定位技术理论基础坚实、技术可行，在未来战争中具有广泛的应用前景， 哈尔滨工程大学博士学位论文 i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 置i i i i i i i 具有较高的军事意义和研究价值 2 2 - 2 s 。目前对于该项技术的主要研究机构有国防科技大 学、解放军信息工程大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学、电 子科技大学、信息产业部2 9 所和5 1 所和上海航天局等单位i 。经过多年的不懈努力， 已经取得了很多比较可观的研究成果，而且很多都是开创性的。其中国防科技大学是该 项技术国内最早的研究机构，从上世纪8 0 年代起孙仲康和周一宇教授便带领其博士研究 生对单站定位技术展开了研究，取得了很多的研究成果。如1 9 9 8 年孙仲康教授指导的 许耀伟博士推导了利用相位差变化率对目标进行无源定位的测距公式，并初步的分析了 系统的可观测条件 2 9 l 。郭福成博士将传统的定位方法统一在质点运动学定位方法框架 下，对基于质点运动学的单站无源定位原理进行了系统的研究和分析，提出了基于多普 勒频率变化率的单站无源定位方法 。2 0 0 4 年冯道旺博士提出了联合角度和径向加速 度信息对目标进行定位的无源定位方法，并系统的推导了运动辐射源定位的可观测条件 l 引；。2 0 0 7 年万建伟教授指导的占荣辉博士对基于空频域信息的单站被动跟踪算法进行 了系绩的研究【】。2 0 0 8 年郁春来博士对无源定位系统中的参数测量问题进行了系统的 研究并提出了相应的频率及其变化率的估计方法。 刺于定位系统的外场试验方面，信息产业部5 1 所在1 9 9 8 2 0 0 0 年间采用相位差变 化率能无源定位方法，在微波暗室中和直升机上进行了半实物仿真试验p o - 3 2 。取得了 较好薛实验效果，信息产业部2 9 所也于2 0 0 4 2 0 0 6 年间采用机载长基线干涉仪对相位 差变化率无源定位方法进行了多次试验，这次试验也证明了相位差变化率定位方；珐是切 实可行的，具有较高的实用价值i 3 2 l 。2 0 0 3 2 0 0 5 年，兵器工业部2 0 6 所与国防科技大学 联合进行了利用角速度和多普勒频率变化率无源定位方法的仿真和外场实验，对：利用角 速度希j 多普勒频率变化率单站无源定位方法的可行性进行了检验p 引，证明了其实用性和 可行性。虽然这些实验证明了定位方法的可行性，但定位效果并不理想，还有有待进一 步的改进。 1 3 单站无源定位的关键技术概述 在被动接收条件下，由于接收的是非合作信号，我们不能利用计算信号到达时延等 有源雷达的方法直接获得观测站与目标辐射源之间的相对距离，因此如何从现有的测量 信息中通过特定的算法完成测距即时无源定位的关键。因此可以说无源定位的核心就是 定位它【制和滤波算法的结合，即利用现有测量技术尽可能多的获得与目标辐射源相关的 接收信号的参数信息，根据这些信息制定适合的定位体制，建立相应的观测模型，在此 基础上，设计合适的被动定位跟踪滤算法。具体过程如图1 1 所示。 4 第1 章绪论 i i i i i i 宣i i i i i i i i 宣i i i i i i i 宣i i i i 宣i 置i i i i i 鼍i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 高精度的信号参 制定合适的定建立相应的系统设计合适的滤 数测量 一l j , - 位体制模型 波算法 图1 1单站无源定位与跟踪过程图 下面我们将对单站无源定位的关键技术：定位体制、系统的可观测性分析、定位误 差分析、系统模型的建立和滤波算法的设计的发展情况分别予以阐述。 1 3 1 定位体制的选择 定位体制是进行无源定位的前提条件，无源定位的关键就是间接的测距，选择合适 的定位体制就是从无源接收的角度及其变化率、多普勒频率及其变化率和信号到达时间 差等信息中确定合适的观测量间接的推导出观测站与目标辐射源之间的相对距离的过 程。 角度是无源定位中最基本的信息，因此只测角定位技术( b e a r i n g o n l yt r a c k i n g ， b o t ) | 3 孓弼咱然就成为了研究最早、最多、最经典的无源定位技术。它利用单个运动的 观测站在不同时刻测量来自目标的不同方位信息，运用交叉定位原理计算得出目标辐射 源的位置坐标。由于多普勒频率包含了目标和观测站之间的相对运动信息，文献 4 0 。4 1 1 提出了多普勒频率法，即通过测量观测站同目标辐射源之间相对运动产生的多普勒频率 对目标辐射源进行定位。后来，文献 4 2 一_ 4 5 1 将以上两利，方法结合起来提出了角度和多普 勒频率联合定位方法，这样不需要平台做机动就可以实现对运动目标的无源测距。但是 上述这些无源定位方法都存在共同的缺点，即定位速度慢、定位精度不高，不能实现快 速高精度的无源定位，受国外研