（通信与信息系统专业论文）多站雷达系统的多目标数据关联和航迹起始.pdf

摘要 本文研究了仅提供一维测量( 距离和) 的多传感器探测系统( t r “) 在杂波背 景下对多机动目标进行数据关联和航迹起始的问题。 状态估计：在原有滤波算法的基础上，提出了一种对量测方程预处理的快速 卡尔曼跟踪算法。该卡尔曼跟踪算法通过对量测方程预处理得到目标位置与“距 离和”测量成线性关系的观测方程；状态变量只选目标的空间坐标，而速度矢量 仅作为确定性输入量加入状态方程，约减了滤波的维数，减少了运算量；速度矢 量通过引入速度“伪测量值”滤波得到。并同原有的跟踪滤波算法仿真比较表明， 该方法计算量小，收敛速度快，精度高。 数据关联：由于系统为近距离系统，所以同时在空域内出现的高速目标个数 很少，并且比较稀疏。本文从理论角度来研究目标相距很近，并且同时存在虚警 的条件下，在s d 分配算法的基础上，提出了一种基于一维测量数据的多基地雷 达多目标数据关联的方法。由于每个传感器仅能给出目标的一维距离和量测信息， 该方法首先利用4 维组合的冗余信息对各传感器的量测值进行组合筛选，然后由4 维分配算法进行多目标的数据关联，仿真结果表明该方法可以有效提高多目标的 正确关联概率。 航迹起始：航迹起始是目标跟踪中的首要问题，同时又是目标跟踪领域的 个难题。与一般的探测系统相比，由于系统缺少目标位置信息，那么将会给航迹 起始带来非常严重的问题：同一周期多个1 维量测的爆炸组合显著增加了计算 的复杂度，使得实时航迹起始处理变得十分困难；量测信息的“虚假”组合会 产生大量的航迹假设；量测方程的非线性使得传统的基于似然等概率的航迹起 始算法无法直接引用。本文提出了快速的航迹起始方法，它只需组合航迹起始第 一、二个周期测量数据集，通过空问约束和空间聚类来剪枝，降低了计算量，实 现各目标航迹的快速起始。一系列的仿真结果表明，本文的方法能够快速准确的 起始航迹，非常适用于本文系统探测和跟踪近距离高速运动目标。 系统规划和设计：从系统的可扩展性和模块性的设计角度来规划软硬件结构， 给出了系统的规划方案、数据流程和控制流程。 虫国星 生垃丕鑫生觋土垃塞擅篮 a b s t r a c t i n i ! = 等n a 芝三竺f ：= 。曩孑= ：= 竺等慧1 篙墨 e x a c tr a d i a lr a n g es u m s t a t ee s t i m a t i o n ：af a s tk a l m a nf i l t e r i n ga l g o r i t h mb a s eo n r a n g es u m m e a s u r e m e n t w i t hm u l t i s e n s o rs y s t e mi sp r e s e n t e df o rp r e c i s e l yt r a c k i n ga t a r g e ta n dm e a s u r i n gi t s v e l o c i t yb yp r e p r o c e s s i n go fm e a s u r e m e n td a t a t h i sm e t h o dt r a n s f o r m si t s m e a s u r e e q u a t i o nt ol i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt a r g e tc o o r d i n a t ea n dr a n g es u m m e a s u r e m e n t s t a t ev e c t o ro n l yi n c l u d et a r g e tc o o r d i n a t e ，a n dv e l o c i t yv e c t o ri sc e r t a i n t yi n p u tf a c t o r i ns t a t ee q u a t i o n a p s e u o d e v e l o c i t ym e a s u r e m e n t i sp r e s e n t e df o rp r e c i s e l ym e a s u r i n g i t sv e l o c i t y _ c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h eg o o dp e r f o r m a n c eo f t h ef a s tk a l m a n f i l t e rc o m p a r e dw i t ht h er e p o r t e da l g o r i t h m d a t aa s s o c i a t i o n ：b e c a u s et h e s y s t e mi s i ns h o r tr a n g e ，t h eh i g h - s p e e dt a r g e t s a p p e a r i n g i sf e wi nn u m b e ra tat i m ea n dm o r es p a r s ei nt h ea i r s p a c e w ej u s t t h e o r e t i c a l l ys t u d yt h o s et a r g e t sw h i c h a r ev e r yn e a ru n d e rm a s sf a l s ea l a r mc o n d i t i o n s ， a n di m p l e m e n ta l la l g o r i t h mo nb a s i so ft h es - da l g o r i t h m ，w h i c ht a k eo n ed i m e n s i o n m e a s u r e m e n t si nm u l t i s e n s o rm u l t i t a r g e td a t aa s s o c i a t i o np r o b l e mt h i sm e t h o du t i l i z e r e d u n d a n ti n f o m a a t i o nt oe l i m i n a t ec o a r s ef a l s ec o m b i n a t i o n s ，a n dt h e nm a k ead a t a a s s o c i a t i o ni n4 - dd i s t r i b u t ea l g o r i t h m ，s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a ti t c a ni m p r o v e c o r r e c ta s s o c i a t i o n p r o b a b i l i t y t r a c ki n i t i a t i o n ：i ti sp r i m a r ya n dd i f f i c u l tp r o b l e mi nt a r g e tt r a c k i n gc o m p a r e d w i t h g e n e r a lt r a c k i n gs y s t e m ，d u et o t h el a c ko ft a r g e t p o s i t i o ni n f o r m a t i o n ，t r a c e i n i t i a t i o ni no u rf i e l dw i l ls u f f e rs o m et r o u b l ea sf e l l l o w s ： a to n e c y c l e ，l o t so f 1 - dm e a s u r e m e n t sw h i c hc a u s ec o m b i n a t i o ne x p l o s i o n w i l ln o t a b l yi n c r e a s et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , a n dm a k e t h er e a l t i m e p r o c e s sv e r yd i f f i c u l t ， m a s so ff a l s ea l a r mc a l la l s op r o d u c eal a r g en u m b e r o f 打a c k sh y p o t h e s e s ； t h en o n l i n e a r i t yo f t h em e a s u r e m e n te q u a t i o nm a k e st h et r a d i t i o n a lt r a c k i n i t i a la l g o r i t h mb a s e do nl i k e l i h o o dr a t i ou n a b l e t oq u o t ed i r e c t l y t h i st e x t i l 生国垂 坐拄查盘堂鲤监童撞蔓 p r o p o s ea m e t h o df o rf a s tt r a c ki n i t i a t i o nw i t ho n l ym a k i n gf i r s ta n dt w o i n i t i a l c y c l e m e a s u r e m e n tc o l l e c t i o n s t h ef a l s ec o m b i n a t i o n sc a l lb e r e d u c e db ys p a c er e s t r a i n i n ga n dc l u s t e r i n g as e r i e so fs i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wi t sf a s ta n da c c u r a t e ，s u i t a b l ef o rt h i ss y s t e ms u r v e ye s p e c i a lf o r l i g h - s p e e dt a r g e t s s y s t e md e s i g n ：s o f t w a r ep l a n n i n ga n dh a r d w a r es t r u c t u r eo f o n es y s t e mt om e e t t h ee x p a n s i b i l i t yo ft h es y s t e ma n dm o d u l ed e s i g nd e m a n d a r e p r o v i d e d i i i 中国科学技术大学硕士学位论文 绪论 绪论 第一章 【摘要】本章首先简要地介绍了雷达的发展史和双多基地的发展，和现在数据融 合的技术，对本论文涉及到的目标状态估计、目标数据关联、目标航迹起始目前 发展作简要地概述，然后基于一维测量( 距离和) 的双多基地雷达跟踪系统的结 构和特点，给出了本文的研究背景，最后介绍了本文的主要【：作。 1 1 引言 雷达是r a d i o d e t e c t i o na n d r a n g i n g 缩写的音译，其功能是利用目标对电磁波 的反射而发现目标，并测定目标的空间位置。近年来雷达采用了一些新理论、新 技术和新器件，促使雷达技术进入一个新的发展阶段，回顾雷达史上的一些重大 事件： 1 8 8 6 1 8 8 8 年海因里奇赫兹( h e i r t r i c hh e r t z ) 验证了电磁波的产生、接受 和散射。 1 9 0 3 1 9 0 4 年克里斯琴赫尔斯迈耶( c h r i s t i a nh u l s m e y e r ) 研制了原始的 船用防撞雷达。 1 9 0 6 德弗瑞斯特( d ef o r e s tl e e ) 发明真空三极管，是世界上第一种可放大 讯号的主动电子组件。 1 9 2 2 年m g 马可尼( m g m a r c o n i ) 在接受无线电工程师学会( 疆) 荣誉奖章时 的讲话提出了一种船用防撞测角雷达的建议。 1 9 2 5 年约翰霍普金斯大学0 0 t m sh o p k i n su n i v e r s i t y ) 的g 布赖特( g b r e i t ) 和 m 图夫( m t u v e ) ，通过阴极射线管观测来之电离层的第一个短脉冲回波。 1 9 3 4 年海军研究实验室( n a v a lr e s e a r c hl a b ) 的r m ，佩奇( r m p a g e ) 拍摄了 i 中国科学技术大学硕士学位论文 绪论 第一张来之飞机的短脉冲回波照片。 1 9 3 5 年由英国人和德国人第一次验证了对飞机目标的短脉冲测距 1 9 3 7 年由罗伯特沃森，瓦特( r o b e r tw a t s o n w a t t ) 设计的第一部可使用的雷达 “c h a i nh o m e ”在英国建成。 1 9 3 8 年美国陆军通信兵的s c r 一2 6 8 成为首次实用的防空火控雷达，产量达 到了3 1 0 0 部，该雷达测距大于1 0 0 海里，工作频率2 0 0 m h z 。 1 9 3 9 年研制成第一部实用舰载雷达一x a f ，安装在美国海军纽约号( n e w y o 蚺战舰上，对飞机的测距为8 5 海里。 1 9 4 1 年1 2 月s c r 2 7 0 2 7 1 型号的安装在檀香山上的一部探测到了臼本飞机对 珍珠港的入侵。 在几十年的雷达发展史上，由于技术原因，早期的雷达系统都是以双基地方 式工作的，自从双工器发明后，单基地雷达由于成本低、结构简单和性能好而成 为雷达领域的主宰，双多基地雷达则没有引起人们的重视。到了八十年代，军事 技术的发展和战场电磁条件的恶化，对雷达等电子防空系统出现了反辐射导弹、 隐身目标、电子综合干扰和低空突防等所谓“四大威胁”的出现，使得军事上对 雷达系统的性能要求变得更加苛刻。不但要求雷达有高的探测精度和快速反应能 力，而且还要求强的反电子对抗( e c m ) 能力和抗反辐射导弹( a r m ) 能力，单基地雷 达虽然具有很多优点，抗干扰能力也不断增强，但对这些新的要求却无法满足， 这种的情况下促进了双基地和多基地雷达的发展。 双多基地雷达系统对战场电磁环境有更强的适应性，由于发射机和接收机分 离布局，其在反e c m 和a r m 方面远优于单基地雷达和组网单基地雷达系统，由 于只有发射机发送电磁波，所有的接收机都被动工作，减少了受a r m 攻击和电子 侦察干扰的可能性，同时由于接收机分布放置，从不同角度接受电磁信号，这样 1 2 双多基地雷达的发展 双多基地雷达的历史与雷达一样久远。最初由于没有实现收发隔离的技术手 2 中国科学技术大学硕： 学位论文 绪论 段，收发必须分开一定的距离才嘈使系统正常工作，1 9 2 2 年世界上第一部雷达在 美国出现，就是发射连续波的双基地雷达。美国海军研究实验室的t a y l o r 和y o u n g ， 当时用这个接收机和发射机分开的布局的雷达系统检测到的是一条木船，而后在 3 0 年代，双基地雷达的应用相继在很多国家出现。 在美国，自1 9 2 2 年后，1 9 3 0 和1 9 3 2 年又分别用双基地设备检测到 - 机目标。 此后英国、德国、日本和法国都研究出双基地雷达系统并用于了第二次世界大战 中，这些雷达发射机采用全向天线，接收机则采用旋转定向天线。 5 0 年代开始，双基地雷达概念用于半主动无线寻的制导，象美国的h a w k ， s p a r r o w h 和英国的b l o o d h o u n d 。 6 0 年代，美国研制了a n f p s 一3 2 双基地雷达警戒王，用于远程目标的低空入 侵告警，作为单基地雷达的地空补盲。 7 0 年代和8 0 年代初，美国对双基地雷达更广泛的应用进行了可行性研究， 内容包括反隐形，攻击地面固定和移动目标，反电子对抗，改进半主动的制导精 度，探测低r c s 的飞行器以及快速精确告警与提示。并与1 9 8 4 年建立了s a n c t u r a y 试验双基地雷达系统。 1 9 8 5 年美国空军研制了一种用于保护地面飞机免遭偷袭的脉冲工作双基地雷 达系统，该系统布置了5 个脉冲双基地雷达，在飞机周围形成一个敏感体积以保 护飞机安全。 8 0 年代中期，美国还研制了用于对付轰炸机和巡航导弹的远程告警的双基地 雷达a n f p s 一1 1 8 ，该系统是利用电离层反射的超视距雷达。 1 9 9 8 年英国卡拉尔雷达防卫系统公司在t r l d e x 展览会上展出了其非协同 式双基地雷达系统，该系统的作战应用包括反辐射导弹规避，增强雷达抗干扰能 力，事态了解和支援隐蔽作战行动提供监视并伪装高价值和隐蔽单元的运动。 1 9 9 9 年j a n e si n t e r n a t i o n a ld e f e n s er e v i e w 报道英国海军将在其攻击核潜艇上 部署双基地雷达系统 中国科学技术大学硕士学位论文绪论 1 3 数据融合技术 1 3 1 目标的状态估计 目标跟踪是雷达系统的主要任务之一。按照跟踪目标的多少来分，目标跟踪 有单目标跟踪和多目标跟踪。单目标跟踪除了具有一定的实用价值外，还是多目 标跟踪的基础。单目标跟踪的理论发展至今已相当成熟，下面简述一下该理论。 一般情况下，单目标跟踪为一滤波或预测目标状态的过程，其基本要素包括 量测数据形成与处理、目标运动模型、滤波与预测( 状态估计) 以及跟踪坐标系 和滤波状态变量的选取。 量测数据通常指来自探测器输出报告的所有观测量的集合。这些观测量一般 包括目标运动学参数，如位置和速度、目标属性、目标类型、数目或形状以及获 取量测量的时间序列等。量测数据大多含有噪声和杂波( 多目标检测情况) ，为了提 高目标状态估计精度，通常采用数据预处理技术以提高信噪比。目前常用的方法 有数据压缩，包括等权和变权预处理以及量测资料中野值的剔除方法等技术。 众所周知，估计理论特别是卡尔曼滤波理论要求建立数学模型来描述与估计 问题有关的物理现象。这种数学模型应把某一时刻的状态变量表示为前一时刻状 态变量的函数。目前常用的目标模型( 包括机动目标模型) 有：微分多项式模型、 c v 与c a ( 常速与常加速) 模型、时间相关模型、半马尔可夫模型、n o v a l 统计 模型以及机动目标“当前”统计模型等。在本文分析的多传感器系统中，探测的 对象处于末端制导阶段，一般其机动时常数很小，而且系统的采样间隔短( 1 2 8 m s ) ， 因此可以将探测目标看作匀速直线运动，采用c v ( 常速) 模型即可较好的反映目 标的运动特性。 状态估计的目的是对目标过去的运动状态进行平滑、对目标现在的运动状态 进行滤波和对目标未来的运动状态进行预测，这些运动状态包括目标位置、速度 和加速度等，是跟踪系统的最基本要素。目前跟踪系统中广泛应用的状态估计技 术有：滤波、卡尔曼滤波和简化的卡尔曼滤波等。随着现代微处理技术的发展， 4 中国科学技术大学硕士学位论文 绪论 计算要求已不再成为应用卡尔曼滤波的障碍，得到越来越广泛的应用。 另外，合适的状态变量与跟踪坐标系的选择可以满足有限的计算时间和保证 良好的跟踪性能这两个相互矛盾的要求。 1 3 2 数据关联方法 多目标跟踪的基本概念是由w a x 于1 9 5 5 年首先提出的，1 9 6 4 年s i t t l e r 对多 目标跟踪理论以及数据关联问题进行了深入的研究，为以后的研究奠定了基础。 但是，多目标跟踪技术的迅速发展却是在七十年代初b a r - s h a l o m 和s i n g e r 将数据 关联技术以及卡尔曼滤波技术有机结合后出现的。 多目标跟踪问题包括许多方面，主要有跟踪门( 关联区域) 的形成，数据关联与 跟踪维持，跟踪起始与跟踪终结，漏报与虚警等等。其中，数据关联是多目标跟 踪技术中最重要而又最困难的方面。 多目标跟踪过程的关键是如何进行有效的数据关联。数据关联问题首先产生 于传感器观测过程和多目标跟踪环境的不确定性。实际的传感器系统总是不可避 免地存在测量误差，缺乏跟踪环境的先验知识：往往不能确定目标个数，无法判 定观测数据是由真实目标还是由虚假目标产生。这些不确定性破坏了回波观测与 目标源之间的对应关系，这是导致多传感器多目标数据关联模糊的基本原因。 在实时的多目标跟踪过程中，同一个目标在多传感器上建立的量测必定因其 物理来源相同而具有某种相似特征，与此同时也必定因为杂波的干扰和传感器自 身性能的不稳定而导致这些量测的特征不完全相同。数据关联的目的就是利用这 种量测的相似特征，来判定这些特征不完全相同的量测是否源于同目标。 近2 0 多年来，多目标数据关联方法的研究取得了丰硕的成果。“最近邻”方 法是最早的数据关联方法，由s i n g e r 提出。该方法计算量小，便于实现，适应于 信噪比高、目标密度小的条件。但它的抗干扰能力差，在目标密度较大时容易产 生关联错误。随后s i n g e r 、s e a 和h o u s e w r i g h t 提出了“全邻”最优滤波器，但实 际效果仍然不理想。 中国科学技术大学硕士学位论文绪论 另外，其他学者也提出了不同的多目标数据互联方法，例如：多假设法、整 数规划法、高斯和法等等。 1 9 7 5 年b a r - s h a l o m 提出了概率数据关联( p d 滤波，该方法尤其适用于杂波 环境下的目标跟踪。随后，b a r s h a l o m 将概率数据数据关联滤波的基本思想推广 到多目标的情况，提出了联合概率数据关联( j p d a ) 滤波。此后，为了实现杂波环 境下机动目标的跟踪b a r - s h a l o m 和b l o m 合作提出了相互作用多模型一概率数据 关联滤波。近年来，人们受到b a r - - s h a l o m 和b i o t a 思想的激励概率数据关联和多 模型算法变得十分活跃，逐渐被应用到了多传感器情形。 若传感器只能探测到目标的一维或二维信息( 如本文研究的系统只能探测到 目标的“距离和”信息，无源传感器只能探测目标的角度信息等) ，数据互联变得 特别复杂。来自多个扫描( s 3 ) 的量测必须相互关联才能得到目标状态的估计， 从而导致问题的组合爆炸。过去，m h t 算法被认为是能够真实提供最优数据互联 结果的唯一方法。然而，由于它需要穷举成指数增长的可行鞋合互联假设以估计 概率。，它的实用性和可行性都遇到了困难。 1 ，3 3 航迹起始 虽然越来越多的人们开始关注多目标跟踪问题，但是他们的着重点基本上都 是多目标的跟踪维持问题，因此虽然航迹起始是航迹处理中的首要问题，但是同 跟踪维持的研究相比，航迹起始方面的研究成果非常少。通常情况下，由于航迹 起始时，目标一般距离探测系统很远，探测系统的分辨力低、测量精度差，加上 真假目标的出现无真正的统计规律，因此在多目标航迹处理中，航迹起始问题是 难以处理的问题。 现有的航迹起始算法可以分为顺序处理技术和批处理技术两大类。通常，顺 序数据处理技术适用于无杂波环境中的航迹起始，主要包括启发式规则方法 f r u l e b a s e dt r a c ki n i t i a t i o n ) 君l l 基于逻辑的方 法( l o g i c b a s e dt r a c ki n i t i a t i o n ) 。批数 据处理技术适用于强杂波环境，主要包括h o u g h 变换法( h o u 曲t r a n s f o r mt r a c k i n i t i a t i o nt e c h n i q u e ) 年e i 改进的h o u g h 变换法( m o d i f i e dh o u g ht r a n s f o r m t r a c k 中国科学技术大学硕士学位论文绪论 i n i t i a t i o n ) 。基于逻辑的方法和启发式规则方法在虚警概率比较低的情况下，起始 航迹效果比较好。 1 4 此项研究的背景 图1 1 多基地雷达示意图 在现代战争条件下，制导武器的出现使得传统意义上的前后方界限不存在了， 以往认为处于战争后方的重要经济军事设施( 军政机关、交通枢纽、核电站、大坝、 机库、坑道口、导弹发射井等) ，现在却处于精确制导武器的直接攻击下，特别是 那些制导精度高威力大的导弹，一旦命中将使这些设施遭到严重破坏甚至被彻底 摧毁。考虑到现代战争的特点，结合先进国家军事科研、装备的状况，有针对性 的对重要设施实施保护，显得非常重要而且具有实际意义。 结合该系统的现状和以后的发展趋势，本文着重讨论分析系统如何在杂波背 景下实现对目标的准确检测和精确跟踪，具体包括以下几个方面的内容： 目标位置和速度的快速高精度滤波 杂波背景下多目标的数据关联 杂波背景下目标航迹的快速起始 需要说明的是，本文讨论的是仅提供距离和信息的多站探测系统，由于距离 差信息是在离和信息基础上的，因此本文的算法对于处理距离差信息的多站探测 系统同样适用。 7 中国科学技术大学硕士学位论文绪论 1 5 本文主要内容 本文主要研究，在仅提供距离和信息的多站探测系统中，如何对近程高速运 动目标实施精确定位和跟踪。除第一章绪论外，其余各章安排如f ： 第二章介绍了一种基于“距离和”信息的单目标精确跟踪7 5 - , 法t 2 ”，这种仅有 “距离和”测量信息的多传感器系统提一种对量测方程预处理的快速卡尔曼跟踪 算法，主要为第三、四章的分析使用。 第三章讨论基于“距离和”信息的多目标数据关联，在s d 分配算法的基础 上，提出了一种基于“距离和”的一维测量数据的多基地雷达多目标数据关联的 方法。 第四章讨论多传感器多目标航迹起始问题，将其应用到仅有“距离和”测量 信息的多基地雷达系统中，进行了举例和仿真分析。 第五章介绍下系统的布局，设计架构和软硬件接口，从工程角度，讲述系 统的实现。 中国科学技术大学硕士学位论文 绪论 参考文献 1 杨振起，张永顾，骆永军著，“双( 多) 基地雷达系统”，北京：国防l 一业出版社1 9 9 8 3 【2 】尹成友，“基于多传感器的近程目标高精度定位与跟踪的研究”：【博十学位论文 。 中国科学技术大学，1 9 9 7 1 1 【3 魏崇裕“组网雷达系统的近程应用研究”：f 博士学位论文 。中国科学技术大学， 1 9 9 9 【4 】徐洪奎，“基于卡尔曼滤波的组网雷达系统目标跟踪分析”。系统工程与电子技术，2 0 0 1 ， 2 3 ( 11 ) ：6 7 6 9 【5 安志忠，“基于距离和信息的多传感器数据融合”：【硕士学位论文 。中国科学技术 大学2 0 0 3 【6 】d ，e m a n o l a k i s ，“e f f i c i e n ts o l u t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so f 3 - dp o s i t i o ne s t i m a t i o n b yt r i l a t e m t i o n ，i e e e t r a m a e r o s p e l e c t r o n s y s t ，v 0 1 3 2 ，p p 1 2 3 9 - 1 2 4 8 ，o c t1 9 9 6 7 】g cc a r t e r , “t i m ed e l a ye s t i m a t i o nf o rp a s s i v es o n a rs i g n a lp r o c e s s i n g ”，i e e et r a n s a c o u s t ，s p e e c h ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，v o la s s p - 2 9 ，p p 4 6 3 - 4 7 0 ，j u n e1 9 8 1 8 】wr h a h n a n ds a t r e # e l “o p t i m u m p r o c e s s i n gf o rd e l a y - v e c t o re s t i m a t i o ni np a s s i v e s i g n a la r r a y s ”，i e e et r a m i n f o r m ，t h e o r y , v 0 1 r r - 1 9 ，p p 6 0 8 - 6 1 4 ，s e p t 1 9 7 3 【9 j s a b e la n dj o s m i t h ，“s o u r c er a n g ea n dd e p t he s t i m a t i o nf r o mm u l t i p a t hr a n g e d i f f e r e n c em e a s u r e m e n t s ，i e e et r a m a c o u s t ，s p e e c h ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，v 0 1 3 7 ，p p 1 1 5 7 1 1 6 5 ， a u g 1 9 8 9 1 0 y tc h a r ta n dk c h o ，”as i m p l ea n de f f i c i e n te s t i m a t o rf o rh y p e r b o l i cl o c a t i o n ”，i e e e t r a n s s i g n a lp r o c e s s i n g ，v 0 1 4 2 ，p p 1 9 0 5 1 9 1 5 ，a u g 1 9 9 4 【1l 】w hf o y , “p o s i t i o n l o c a t i o ns o l u t i o n sb yt a y l o r s e r i e se s t i m a t i o n ”，i e e et r a n s a e r o s p e l e c t r o n s y s t ，v o ia e s - 1 2 ，l a p 1 8 7 - 1 9 4 ，m a r 1 9 7 6 1 2 h w a n ga n dec h u ， v o i c es o o r c el o c a l i z a t i o nf o r a u t o m a t i cc a m e r a p o i n t i n gs y s t e mi n v i d e o c o n f e r e n e i n g ，i n p r o c i e e e w o r k s h o p a p p l s s i g n a l p r o c e s s i n g a u d i o a c o u s t i c s ，1 9 9 7 i 3 】r 、o s c h m i d t ，“an e wa p p r o a c ht og e o m e t r yo fr a n g ed i f f e r e n c el o c a t i o n ”，i e e et r a n s 9 中国科学技术大学硕士学位论文 绪论 a e r o s p e l e c t r o n s y s t ，v 0 1 a e s 8 ，p p8 2 1 - 8 3 5 ，n o v 1 9 7 2 1 4 r o s c h m i d t ，“l e a s ts q u a r e sr a n g ed i f f e r e n c el o c a t i o n ”，1 e e et r a n s a e m s p e l e c t r o n s y s t ，v o l3 2 ，p p 2 3 4 - 2 4 2 ，j a n 1 9 9 6 1 5 1h c s c h a ua n da z r o b i n s o n ，“p a s s i v es o u r c el o c a l i z a t i o ne m p l o y i n g1 n t e r s e c t i n g s p h e r i c a ls u r f a c e sf r o m t i m e o f - a r r i v a ld i f f e r e n c e s ”，i e e et r a n s a c o u s t ，s p e e c h ，s i g n a lp r o c e s s i n g ， v o la s s p 一3 5 ，p p 1 2 2 3 1 2 2 5 ，a u g 1 9 8 7 1 6 j o s m i t ha n dj s a b e l ，“c l o s e d f r o ml e a s t - s q u a r e ss o u r c el o c a t i o ne s t i m a t i o nf r o m r a n g e d i f f e r e n c em e a s u r e m e n t s ”，i e e et r a n s a c o u s t ，s p e e c h ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，v o l a s s p 一3 5 ， p p1 6 6 1 1 6 6 9 ，d e e1 9 8 7 1 1 7 yth u a n ga n dj b e n e s t ya n dg w e l k oa n drm m e r s e r e a u ，“r e a l t i m ep a s s i v e s o u r c el o c a l i z a t i o n ：ap r a c t i c a ll i n e a r - c o r r e c t i o nl e a s t - s q u a r e sa p p r o a c h ，i e e et r a n s s p e e c h ，a u d i o p r o c e s s i n g ，v 0 1 9 ，p p 9 4 3 - 9 5 6 ，n o v 2 0 0 1 1 8 j s a b e l ，“ad i v i d ea n dc o n q u e ra p p r o a c ht ol e a s t s q u a r e s e s t i m a t i o n ”，i e e et r a n s a e r o s p e l e c t r o n s y s t ，v 0 1 2 6 ，p p 4 2 3 一- 2 7 ，m a r a 9 9 0 1 9 孙仲慷，周一宇，何黎星著，”单多基地有源无源定位系统”，北京：国防l 业出版 社，1 9 9 6 5 2 0 1 王国涛，王东进陈卫东，“一种改进的距离差定位算法”，系统r i 稗与电子技术( 已 录用) 【2 0 】周宏1 二敬忠良王培德，“机动目标跟踪”。国防工业出版社，1 9 9 1 8 2 1 1 王国宏，何友等，多传感器信息融合及应用”。电子工业出版社，2 0 0 0 2 2 1 b z h o ua n dn k b o s e ，m u l t i t a r g e tt r a c k i n g i nc l u t t e r ：f a s t a l g o r i t h m s f o rd a t a a s s o c i a t i o n ”i e e et r a n s a e r o s p e l e c t r o n s y s t ，v 0 1 2 9 ，p p 3 5 2 _ 3 6 3 ，a p r 1 9 9 3 2 3 1k r p a t t i p a t i ，s d e b ，y b a r - s h a l o ma n dr b w a s h b u r n ，an e w r e l a x a t i o na l g o r i t h m a n dp a s s i v es e n s o rd a t aa s s o c i a t i o n ”，i e e et r a n s o na u t o m a t i cc o n 仃0 1 v 0 1 3 7 ，p p 1 9 8 2 1 3 ， f e b l 9 9 2 【2 4 】s d e b ，m y e d d a n a p u d i ，kp a t t i p a t ia n d y b a r - s h a l o m ，“a ng e n e r a l i z e ds - da s s i g n m e n t a l g o r i t h m f o rm u l t i s e n s o r - m u l t i t a r g e ts t a t ee s t i m a t i o n ”i e e et r a n s a e r o s p e l e c t r o ns y s t v o l3 3 p p 5 2 3 5 3 7 ，a p r 1 9 9 7 1 0 ! 里型兰垫查查兰婴圭兰堡笙兰 笪堡 【2 5 k r p a t t i p a t ia n dsd e b ，“c o m p a r i s o no fa s s i g m n e n ta l g o r i t l m l sw i t ha p p l i c a t i o n st ot h e p a s s i v es e n s o rd a t aa s s o c i a t i o np r o b l e m ”，c o n t r o la n da p p l i c a t i o n s ，1 9 8 9 ，p r o c e e d i n g s ，i c c o n 8 9 1 0 p 3 1 7 - 3 2 2 ，a p r 1 9 8 9 2 7 千国涛，“基于距离信息的目标定位与跟踪”： 硕十学位论文 。中国科学技术火 学，2 0 0 3 中国科学投术夫学硕二t 学位论文 基于距离和信息的单目标精确跟踪 基于距离和信息的单目标精确跟踪 ；g - - 章 【摘要】本章首先介绍了基于“距离和”信息的单机动目标跟踪的特点，在传统 尔曼跟踪算法下，根据其特定模型，通过对量测方程预处理得到目标位置与“距 离和”测量成线性关系的量测方程，目标的状态变量只选目标的空间坐标，速度 矢量只作为确定性输入量加入状态方程，而速度矢量的获得采用速度的“伪测量 值”的方式。该方法计算量小，收敛速度快，精度高，具有一定的实用价值。 2 1 引言 对于双多基地雷达系统的目标跟踪问题，国内外的文献 1 a 3 ，4 ，5 】大多是以系统 获得距离和、方位以及俯仰角三维信息为前提的：另外一些文献则主要针对全角 度信息跟踪【7 朋。而本文所要讨论的近程多基地雷达系统，其探测对象是高速高机 动目标，从发现到跟踪、目标判决再到反击，往往只有几秒钟的时间，在如此短 的时间内，想要经济的获得目标的精确方位信息是不可能的，而只能根据电磁波 的特性得到目标的“距离和”数据。 对于该类系统，由于多站的原因和测量方程的非线性，其传统的跟踪算法【1 5 1 为了得到机动目标准确的位置和速度信息，需要多站雷达系统向数据处理中心同 时提供机动目标相对于每个接收机的距离或者还有速度信息，并且必须在每个计 算周期都必须先计算卡尔曼一阶扩展矩阵，使得计算过程复杂，计算量也非常庞 大。考虑到近程多基地雷达系统探测的对象是高速机动目标，当这类目标飞入近 程雷达系统的近距离探测范围后，它的机动性可以忽略，可以看作匀速直线运动 目标，因为在如此短的距离内，高速目标不可能机动，并且由于系统测量周期短， 在一个测量周期内可以认为目标速度是不变的。在这种情况下，文献【1 0 】提出了一 种快速卡尔曼跟踪算法，它只需要组网雷达系统给数据处理中心提供每个接收机 2 中国乖 学技术大学颁l 学位论文基于距离和信息的单目标精确跟踪 所测得的准确径向距离，然后根据推广卡尔曼滤波技术迭代估算出目标的位置， 大大简化了运算过程。该方法认为速度在某一个均值附近浮动，仅把目标的位置 作为状态变量引入卡尔曼滤波方程。该算法存在一个弊病一目标速度是通过外 推得到的，其精度不高。为此，文献【1 l 】引入了速度的“伪测量值”，通过对速度的 卡尔曼滤波，在增加很少运算量的前提下得到了目标速度的高精度跟踪算法，但 是该算法并不能改善目标位置的跟踪精确，主要原因在于速度的“伪测量值”未 增加任何量测信息。 另外，本章所要讨论的近程多基地雷达系统还有个重要特点，因为地形的 限制，各接收站在高度维( z 轴) 上伸展不大。使得文献1 6 , 1 0 , i i i 的跟踪算法在高度 维( z 轴) 上偏差很大，在跟踪从高度维上来袭的目标时，收敛性差，跟踪精度低。 为此，本章采用文献他】的方法对量测方程预处理，得到了目标位置与“距离和” 测