（电路与系统专业论文）无源时差定位方法与精度研究.pdf

摘要摘要随着现代战争电子攻防对抗的日趋尖锐激烈，围绕雷达所展开的干扰、隐身、低空突防和反辐射攻击等给有源定位系统带来了极大的挑战，而无源定位系统因为作用距离远、隐蔽性能好、且具有一定的定位精度等优点，逐渐引起了人们的广泛关注。事实上，利用无源定位系统对目标进行探测与跟踪，并引导有源定位系统或者直接引导导弹等武器对目标进行打击是现代战争中的一个重要且有效的手段。本文主要致力于提高各种传统无源时差定位方法的定位性能，以满足现代战争对无源定位系统的要求的不断提升，具体内容包括：1 首先介绍了传统的多站时差无源定位方法，包括其定位方程组的求解、定位模糊的消除以及定位无解问题的解决等，并在此基础上给出了其定位协方差矩阵，然后阐述了所谓“低 目标的具体含义，最后给出了传统多站时差无源定位方法对不同高度目标的定位性能的对比，并通过分析指出传统多站时差无源定位方法在“低 目标无源定位方面的不足正是由于其缺少高度方向上的基线所致。2 针对传统多站时差无源定位方法在“低 目标无源定位方面的不足及其根本原因正是由于其缺少高度方向上的基线所致这一问题，提出了一种最直接的改进方法空中平台辅助的多站时差无源定位方法，该方法通过在主站上方的一个空中观测平台来增加高度方向上的基线，和各地面侦察站一起形成了一个冗余的定位系统，在提高对“低 目标无源定位性能的同时，利用该冗余信息巧妙的解决了定位模糊问题。3 针对空中平台辅助的多站时差无源定位方法需要在主站上方增加一个空中观测平台，并且需要保持该空中观测平台的稳定，其成本和难度均相对较大，很多情况下难以实现这一问题，提出了一种新的较为容易实现和部署的改进方法一一仰角测量辅助的多站时差无源定位方法，该方法在主站增加对目标仰角的测量，和原有的三个时差测量一起形成了一个冗余的定位系统，亦能在一定程度上提高对“低”目标无源定位的性能，同时也能利用该冗余信息解决定位模糊问题。4 针对现代战争对无源定位系统的要求的不断提升，将运动学原理引入传统的双站角度一时差无源定位方法，提出了一种新的双站角度一时差变化率无源定位方法，该方法从传统的双站角度一时差无源定位方法的时差测量中提取时差变化率信息，并将其用于对目标的无源定位当中，推导了一个新的基于角度和时差变化率的定位公式，进一步提高了传统双站角度一时差无源定位方法的定位性能。此外，本章还介绍了两种常用的时差变化率提取方法一差分方法和k a l m a n 方法，并对这两种方法提取时差变化率的性能进行了对比：通过选择合适的差分时间间隔丁电子信息攻防对抗与仿真技术教育部重点实验室无源时差定位方法与精度研究可以获得比原始时差测量精度更高的时差变化率提取精度，基于s i n g e r 模型的k a l m a n 滤波平滑后能进一步提高时差变化率的提取精度。5 针对无源定位系统初始估计误差较大、实时性要求较高这一特点，在分析现有主要非线性滤波方法局限性的基础上，提出了一种针对无源定位系统的改进型迭代卡尔曼滤波方法，该方法从传统迭代卡尔曼滤波方法的实质( 高斯牛顿迭代逼近最大似然估计) 入手，首先通过修正高斯牛顿迭代的目标函数得到了一个新的基于一步高斯牛顿迭代的滤波更新公式，减小了初始估计误差对整个滤波过程的影响，然后根据其最大似然估计的性质推导了一个新的增益计算公式，减少了迭代过程中求逆运算的次数，提高了滤波的稳定性，在获得较好滤波性能的同时大大减小了滤波的时间开销，更宜于其在实际工程中的应用。综上所述，本文的研究内容主要集中在几种与时差测量相关的无源定位方法及其定位精度方面，因此可以把本文的研究内容统称为无源时差定位方法与精度研究。精度关键词：无源定位；。低一目标；时差，角度；变化率；卡尔曼滤波；迭代?西安电子科技大学博士论文a b s t r a c ti i ia bs t r a c ta st h ee l e c t r o n i cw a r f a r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ed r a s t i ci nm o d e mw a r s ，t h ea c t i v el o c a t i o ns y s t e mf a c e sg r e a tc h a l l e n g e sc a u s e db yj a m m i n g ，s t e a l t h , l o w - a l t i t u d ep e n e t r a t i o na n da n t i - r a d i a t i o na t t a c kr e l a t e dt or a d a r h o w e v e r ，t h ep a s s i v el o c a t i o ns y s t e ma t t r a c t sm u c ha t t e n t i o nb e c a u s ei th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o n go p e r a t i n gr a n g e ，h i g hc o n c e a l m e n tp e r f o r m a n c ea n dc e r t a i na c c u r a c y , e t c i nf a c t , u s i n gp a s s i v el o c a t i o ns y s t e mt od e t e c ta n dt r a c k ，a n dg u i d ea c t i v el o c a t i o ns y s t e mo rw e a p o n sl i k em i s s i l et oa t t a c kt a r g e t si sa ne f f e c t i v ea n di m p o r t a n tw a yi nm o d e mw a r s t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n v e n t i o n a lp a s s i v et d o al o c a t i o nm e t h o d st om e e t i n gt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so fm o d e mw a r s t h em a i nc o n t r i b u t i o n sc a nb es u m m a r i z e d 硒f o l l o w s 1 t h ec o n v e n t i o n a lm u l t i s t a t i o np a s s i v et d o al o c a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e d i n c l u d i n gt h es o l u t i o nf o rl o c a t i o ne q u a t i o n s ，t h ee l i m i n a t i o no fl o c a t i o na m b i g u i t ya n dt h es o l u t i o nt ol o c m i o nn o n s o l u t i o np r o b l e ma n ds oo n t h e nt h el o c a t i o nc o v a r i a n t em a t r i xi sp r e s e n t e da n dt h em e a n i n go ft h e “l o w a l t i t u d e ”t a r g e t si se x p l a i n e d s i n c et h ec o n v e n t i o n a lm u l t i s t a t i o np a s s i v et d o al o c a t i o nm e t h o dh a sd i f f e r e n tp e r f o r m a n c ed u et od i f f e r e n tt a r g e t s h e i g h t s ，t h i sc h a p t e rg i v e st h ec o m p a r i s o no ft h o s ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c e ，a n dp o i n t so u tt h a tb e c a u s eo ft h el a c k i n go ft h eb a s e l i n ei nt h eh e i g h t ，t h ec o n v e n t i o n a lm u l t i s t a t i o np a s s i v et d o al o c a t i o nm e t h o dh a sb a dp e r f o r m a n c eo n l o w - a l t i t u d e ”t a r g e t s 2 t os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ec o n v e n t i o n a lm u l t i s t a t i o np a s s i v et d o al o c a t i o nm e t h o dh a sb a dp e r f o r m a n c eo n “l o w - a l t i t u d e ”t a r g e t s ，a ni m p r o v e dm e t h o d ，a e r op l a t f o r ma i d e dm u l t i s t a t i o np a s s i v et d o al o c a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d t h en e wm e t h o du s e sa na e r op l a t f o r mu p o nt h em a i ns t a t i o na st h eb a s e l i n ei nt h eh e i g h tt of o r mar e d u n d a n tl o c a t i o ns y s t e m w h i l ep r o v i d i n gb e t t e rp e r f o r m a n c eo n “l o w - a l t i t u d e t a r g e t s ，t h el o c a t i o na m b i g u i t yp r o b l e mi ss o l v e db yt h er e d u n d a n ti n f o r m a t i o n 3 t h ea e r op l a t f o i t l la i d e dm u l t i s t a t i o np a s s i v et d o al o c a t i o nm e t h o dn e e d sap l u ss t e a d ya e r op l a t f o r mu p o nt h em a i ns t a t i o n , w h i c hi sh a r dt or e a l i z ei nm a n yc a s e s t om a k ei te a s i e rt or e a l i z e ，a ni m p r o v e dm e t h o d , e l e v a t i o nm e a s u r e m e n ta i d e dm u l t i s t a t i o np a s s i v et d o al o c a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d t h en e wm e t h o du s e st h ee l e v a t i o na n g l eo ft h et a r g e ta san e wm e a s u r e m e n tt of o r mar e d u n d a n tl o c a t i o ns y s t e m i ta l s oc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo n “l o w - a l t i t u d e ”t a r g e t st os o m ee x t e n t ，a n ds o l v et h el o c a t i o na m b i g u i t yp r o b l e mb yt h er e d u n d a n ti n f o r m a t i o n 电子信息攻防对抗与仿真技术教育部重点实验室i v无源时差定位方法与精度研究4 a p p l y i n gt h ep r i n c i p l eo fk i n e m a t i c si n t ot h ec o n v e n t i o n a ld o u b l es t a t i o np a s s i v ea o a - t d o al o c a t i o nm e t h o d ，an o v e ld o u b l es t a t i o np a s s i v el o c a t i o nm e t h o du s i n ga o aa n dt d o ac h a n g i n gr a t ei sp r o p o s e d t h en e wm e t h o de x t r a c t st h et d o ac h a n g i n gr a t ef r o mt h et d o am e a s u r e m e n ti nt h ec o n v e n t i o n a ld o u b l es t a t i o np a s s i v ea o a t d o al o c a t i o nm e t h o d an e wl o c a t i o nf o r m u l ab a s e do na o aa n dt d o ac h a n g i n gr a t ei sd e d u c e d ，a n db e t t e rp e r f o r m a n c ei sa c h i e v e d i na d d i t i o n ，t w om e t h o d sf o re x t r a c t i n gt h et d o ac h a n g i n gr a t e ，d i f f e r e n c em e t h o da n dk a l m a nm e t h o da r ea l s op r e s e n t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et w om e t h o d si sc o m p a r e d b yc h o o s i n gs u i t a b l ed i f f e r e n c et i m ei n t e r v a l ，h i g h e re x t r a c t i o na c c u r a c yo ft d o ac h a n g i n gr a t et h a nt h a to ft d o ac a nb ea c h i e v e d t h eh i g h e re x t r a c t i o na c c u r a c yo ft d o ac h a n g i n gr a t ec a nb eo b t a i n e db yu s i n gk a l m a nf i l t e r i n gs m o o t h i n gb a s e do ns i n g e rm o d e l 5 a c c o r d i n gt ot h eb i gi n i t i a le s t i m a t ee r r o ra n ds t r i c tr e a l t i m er e q u e s to fp a s s i v el o c a t i o ns y s t e m ，a l li m p r o v e di t e r a t e dk a l m a nf i l t e r i n gf o rp a s s i v el o c a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ea p p l i c a t i o nl i m i t a t i o n so ft h ee x i s t i n gn o n l i n e a rf i l t e r i n g s a c c o r d i n gt ot h ee s s e n c eo fi k f , i e ，u s i n gt h eg a u s s - n e w t o nm e t h o dt oa p p r o x i m a t eam a x i m u n ll i k e l i h o o de s t i m a t e ，w ed e r i v ean e wu p d a t ef o r m u l ab a s e do nt h eo n e - s t e pg a u s s - n e w t o n m e t h o db ym o d i f y i n gi t so b j e c t i v ef u n c t i o na n dt h ei n f l u e n c eo ft h ei n i t i a le s t i m a t ee r r o ri sd e c r e a s e d an e wg a i nf o r m u l ai sa c q u i r e db ya p p l y i n gt h ep r o p e r t yo ft h em a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t e ，a n dt h en u m b e ro ft h ei n v e r s eo p e r a t i o n si sr e d u c e d ，a n dt h es t a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e mi se f f e c t i v e l yi m p r o v e d t h ep r o p o s e di m p r o v e di t e r a t e dk a l m a nf i l t e r i n gh a sm u c hh i g h e rp r o c e s s i n gs p e e d ，w h i l ea c h i e v e sb e t t e rp e r f o r m a n c e i nc o n c l u s i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e ss e v e r a lk i n d so fp a s s i v el o c a t i o nm e t h o d sr e l a t e dt ot d o am e a s u r e m e n ta n dt h e i ra c c u r a c y , a n dt h e r e f o r ei tc a nb et r e a t e da st h es t u d yo np a s s i v et d o al o c a t i o nm e t h o d sa n da c c u r a c y k e y w o r d ：p a s s i v el o c a t i o n ；“l o w a l t i t u d e t a r g e t s ；t d o a ；a o a ；c h a n g i n gr a t e ；k a l m a nf i l t e r i n g ；i t e r a t i o n ；a c c u r a c y西安电子科技大学博士论文第一章绪论第一章绪论1 1 论文的研究背景和意义随着现代战争电子攻防对抗的日趋尖锐激烈，围绕雷达所展开的干扰、隐身、低空突防和反辐射攻击等给有源定位系统带来了极大的挑战，而无源定位系统l l 巧】因为作用距离远、隐蔽性能好、且具有一定的定位精度等优点，逐渐引起了人们的广泛关注。事实上，利用无源定位系统对目标进行探测与跟踪，并引导有源定位系统或者直接引导导弹等武器对目标进行打击1 6 , 7 1 是现代战争中的一个重要且有效的手段。据报道【8 l ，在1 9 9 9 年北约对南联盟的空袭战斗中，一架美军的f 1 1 7 a 隐形战斗机在贝尔格莱德附近的上空被南军的“塔玛拉 无源定位系统探测到并锁定住，最终被两枚老式的s a m 3 型防空导弹一举击落在贝尔格莱德以西4 0 千米处的布贾诺伏契村附近。尽管战后的情报证明南军实际上采用的是老式的p 4 0 米波雷达，而不是先前报道中的“塔玛拉 无源定位系统，但这至少从一个侧面说明了无源定位系统在人们心目中所占有的重要地位，以至于美军在2 0 0 1 年的阿富汗战争中，因为怀疑塔利班手里拥有无源定位系统而不得不改用b - 5 2 老式轰炸机进行效费比极低的高空地毯式轰炸。鉴于无源定位系统的独特优势，自2 0 世纪4 0 年代以来，世界各国纷纷加强对无源定位技术的相关研究，并取得了丰硕的成果，目前世界上比较著名的无源定位系统1 8 , 9 j 主要包括：1 ) 美国的“沉默哨兵”系统。该系统利用商业电视台信号和调频广播信号对空中目标进行探测和定位，其自身不发射电磁能量，并且该系统类似于收发分置的雷达系统，一方面采用了与目标尺寸可比拟的波长，另一方面又利用了目标的侧向散射特性，能够有效接收隐身飞机的信号回波，因此该系统具有抗反辐射导弹、反隐身和生存能力强的特点，该系统的核心是无源相干定位( p c l ) 技术，它利用商业电视台和调频无线电台的连续载波以及载波信号的包络，测量直射和反射信号之间的到达时间差的可区分特性，进而探测、跟踪和定位目标，其作用距离可达2 2 0 k m ，据称其定位精度和测速精度与c 波段跟踪雷达相当。2 ) 捷克的“塔玛拉 系统。该系统是三站时差定位系统，利用空中、地面以及海面系统的雷达、干扰机、选择识别特征敌我识别应答机、塔康测距机等辐射信号，可对空中、地面和海面目标进行定位、识别和跟踪，并可实时提供目标的点迹、航迹，其各站的间距为1 0 3 5 k m ，左右两个边站将接收及测量出的脉电子信息攻防对抗与仿真技术教育部重点实验室无源时差定位方法与精度研究冲参数等数据实时地送到中心处理站，经脉冲分选、配对、相关等处理，可得到目标的位置参数和信号参数，与数据库对比后可判断目标的类型等，其探测距离大于4 0 0 k i n ，可自动跟踪7 2 个空中目标，并给出目标的航迹，另据报道，其改进型可自动跟踪2 0 0 个目标。3 ) 捷克的“维拉”系统。该系统综合了二维方案和三维方案，“维拉- a ”和“维拉e t ，二维方案由1 个主站、2 个副站和信息处理站组成，其作用距离可达4 5 0 k m ，相对于中心站的方位视场为1 2 0 。，当主站在两副站之间且距离两副站近似相等时，将侦察站放在一条直线上是“维拉 二维系统的理想结构，为了保证对脉冲辐射源信号定位所需的精度，站间基线长度为5 0 7 0 k m ，三维方案与二维方案的不同之处在于增加了一个接收站，当主站位于等边三角形中心( 它由3 个副站构成，分别与中心站相隔2 5 3 0 k m ) 时，“三波束星形”为三维系统的理想结构，这种配置方式能保证对3 6 0 。范围内的脉冲辐射源进行检测和定位，其作用距离可达3 0 0 k m 。4 ) 俄罗斯的“m c s 9 0 ”系统。该系统是一个三站无源探测系统，能够对目标辐射信号进行识别，并通过三个站同时获得的目标数据、利用时差定位的原理，实现对目标的定位与跟踪，该系统己在原苏联防空体系中广泛采用并称能探测到b 2 隐型飞机。5 ) 乌克兰的“卡拉秋塔系统。该系统具有单站和三站两种形式，单站系统主要用来探测敌方无线电设备，对信号进行分析和识别，以确定载体的性质，在防空体系中担任早期预警任务，利用大气波导效应实现远程预警，三站系统可对4 5 0 6 0 0 k m 的低空目标进行定位并估计其航迹，其中一个站为中心控制站。6 ) 以色列的“e l l 一8 3 8 8 ”对空早期预警系统。该系统是一种可多系统协同工作的无源定位系统，它采用短基线时差定位体制，工作频段o 5 l8 g h z ，是一种典型的短基线时差定位系统，其测时精度可达i n s 。除了上面所提到的几种典型的无源定位系统之外，英、法、德以及意大利等国家也都在开展自己的无源定位系统的研制工作，有的也已经部署应用。相比之下，国内在这一方面的起步相对较晚，直到8 0 年代国内一些单位如：成都2 9 所、上海5 1 所、南京1 4 所、合肥3 8 所、嘉兴3 6 所、南京8 5 1 1 所、北京2 3 所、西安2 0 6 所、上海8 0 2 所以及西安电子科技大学、国防科技大学、北京理工大学、解放军电子工程学院、电子科技大学、哈尔滨工程大学等单位和相关院校才逐渐开始一些理论探索和工程实践研究。虽然取得了不小的成绩，但同时也必须看到，国内在无源定位方面的水平与世界一流水平的差距仍然很大，对此我国在“十一五 武器装备预研规划中明确提出来要把高精度无源定位技术作为一个重要的研究课题，以实现对目标的快速、可靠、高精度无源定位，并要求适时开展无源定位系统应用于武器制导的研究。西安电子科技大学博士论文第一章绪论本文即以此为契机，针对现有主要无源定位方法特别是无源时差定位方法在实际应用中所暴露出来的问题和不足展开研究，主要包括：传统多站时差无源定位方法在“低”目标无源定位方面的不足与改进，运动学原理引入传统双站角度一时差无源定位方法的相关讨论以及现有主要非线性滤波方法在无源定位方面的不足与改进等。1 2 现有主要无源时差定位方法评述无源定位方法1 1 0 - 1 3 1 是一种系统自身不向被定位目标发射电磁信号，而是通过处理系统所接收到的目标电磁辐射或散射而对其进行定位的方法。从这个意义上来说，无源定位方法可以大体上分为两类：一类利用的是目标自身所主动辐射的电磁信号，另一类利用的是目标无意中所散射的其它电磁信号。本文主要研究第一类情况。从另一个意义上来讲，对于无源定位系统而言，目前可用的观测量主要包括：角度及其相关、时差及其相关、相位差及其相关、频率及其相关等。本文主要研究时差类测量，即无源时差定位方法。无源时差定位方法作为现有无源定位方法的一个重要分支，除了作用距离远、隐蔽性能好、且具有一定的定位精度等优点之外，它还不与目标辐射信号的频率直接相关、受目标辐射信号的具体形式影响较小，能够适应现代战争中目标辐射信号调制方式日益复杂化的需要，特别是宽带l p i 信号、频率分集信号和m i m o信号等的挑战。现有的无源时差定位方法主要包括：1 ) 多站时差无源定位方法i l “6 j 。多站时差无源定位又称为双曲线( 面) 定位或反“罗兰”定位，它通过测量目标辐射信号到达主站和多个副站之间的时间差进而形成多个单边的时差双曲线( 面) 相交来完成对目标的定位，作用距离远、隐蔽性能好、且具有一定的定位精度，是一种主要的现代高精度无源定位方法，同时也是一种未来最有可能直接应用于武器制导的无源定位方法。该方法可以分为两维定位( 平面定位) 和三维定位( 空间定位) 两种情况：两维系统通常由一个主站和两个副站组成，主站位于两个副站之间，且主站到两个副站之间的距离近似相等，当面向某一侧面定位时其理想的布站方式为“一 字型，基线长度5 0 - 7 0 k m ，作用距离可达4 5 0 k m ；三维系统与两维系统的不同之处在于多了一个副站，当面向全方位定位时其理想的布站方式为“y 字型，主站位于中心，且主站到三个副站之间的距离近似相等，基线长度2 5 - 3 0 k m ，作用距离可达3 0 0 k i n 。2 ) 双站角度一时差无源定位方法 4 7 - 5 4 j 。双站角度一时差无源定位通过测量目标辐射信号到达主站的角度以及目标辐射信号到达主站和副站之间的时间差来完成对目标的定位。与多站时差无源定位方法相比，尽管双站角度一时差无源定位方法电子信息攻防对抗与仿真技术教育部重点实验室4无源时差定位方法与精度研究的精度稍差，但是其系统构成相对简单，设备量相对较小，具有很强的战术应用意义，也是一种十分重要的现代高精度无源定位方法。除了上面所介绍的多站时差无源定位方法和双站角度一时差无源定位方法之外，还有一种单站时差测向无源定位方法，该方法既可以认为是无源时差定位方法的一种，也可以认为是无源测向定位方法的一种。事实上，利用时差进行测向是一种很好的测向方法，它不与目标辐射信号的频率直接相关、受目标辐射信号的具体形式影响较小，能够适应现代战争中目标辐射信号调制方式目益复杂化的需要，特别是宽带l p i 信号、频率分集信号和m i m o 信号等的挑战1 5 引。从这个意义上来说，单站时差测向无源定位方法归结为无源测向定位方法的一种更为方便。因此，本文的研究重点主要放在多站时差无源定位方法和双站角度一时差无源定位方法之上。1 3 现有主要非线性滤波方法评述无源定位系统自身不向被定位目标发射电磁信号，不能直接测量目标的距离，因此欲获得目标状态的良好估计势必涉及到各种非线性滤波方法1 5 6 1 ，事实上，在一定的条件下，利用各种非线性滤波方法通过对无源定位系统的原始定位结果进行平滑处理，可以大大提高无源定位系统的定位性能，同时还可以实现对目标的被动跟踪1 5 7 1 。现有的非线性滤波方法【5 剐主要包括：1 ) 扩展卡尔曼滤波( e k f ) 方法 5 6 , 5 9 】。该方法是一种经典的非线性滤波方法，在本质上它就是一个卡尔曼滤波( i ) 过程，只不过它利用线性化手段把一个非线性滤波问题转化成了一个线性滤波问题，使得卡尔曼滤波( 1 汀) 方法能够应用于非线性系统。但是扩展卡尔曼滤波( e k f ) 方法强行的把观测变量与状态变量之间的非线性关系通过取t a y l o r 展开式的一阶项来近似为一个线性关系，进而传递估计的均值和协方差，当系统的非线性化程度较高时，该近似所带来的线性化误差变得很大，直接导致该方法的滤波性能变得很差，并且有的时候很难求取观测变量在状态变量处的t a y l o r 展开式。尽管针对扩展卡尔曼滤波( e k f ) 方法的很多种改进方法先后被提了出来，但是并没有从根本上解决线性化所带来的问题，直到基于采样思想的无迹卡尔曼滤波( u l ) 方法和粒子滤波( p f ) 方法出现后才有所改观。2 ) 无迹卡尔曼滤波( u k f ) 方法【6 0 1 。该方法通过某些确定的规则选择一系列特殊的采样点来传递估计的均值和协方差，不需要求观测变量在状态变量处的t a y l o r 展开式，避免了某些难以求取观测变量在状态变量处的t a y l o r 展开式的尴尬情况，从根本上摆脱了线性化问题的困扰，不过这同时导致该方法的时间开销西安电子科技大学博士论文第一章绪论5大大增加。解决了线性化问题之后，一个新的挑战出现了，那就是非高斯噪声环境下的非线性滤波问题。事实上扩展卡尔曼滤波( e k f ) 方法的近似线性关系和无迹卡尔曼滤波( u l 心) 方法基于某些确定的规则所选择的一系列特殊的采样点只限于传递估计的均值和协方差，而这两个数字特征一般只是用来表征高斯噪声的分布特性，对于非高斯的噪声环境，却是扩展卡尔曼滤波( e k f ) 方法和无迹卡尔曼滤波( u k f ) 方法所不能胜任的。3 ) 粒子滤波( p f ) 方法 5 6 1 。该方法同无迹卡尔曼滤波( u k f ) 方法基本相似，不同之处在于它们的采样点的选择方式不同，粒子滤波( p f ) 方法随机选择的一系列采样点可以传递估计的均值和协方差之外的其它信息，理论上具有更好的滤波性能。但是粒子滤波( p f ) 方法需要知道估计的后验概率密度函数并据此选择采样点，实际中往往不能得到估计的后验概率密度函数，而只能用基于先验信息的重要性概率密度函数代替理论上的后验概率密度函数，所以该方法的实际性能在某些情况下并不理想。尽管可以利用扩展卡尔曼滤波( e k f ) 方法和无迹卡尔曼滤波( u k f ) 方法来改善后验概率密度函数的近似程度1 6 卅j ，但这无疑会迸一步增加粒子滤波( p f ) 方法的时间开销。综上所述，扩展卡尔曼滤波( e l ) 方法的出现首次解决了系统的非线性估计问题，而无迹卡尔曼滤波( u k f ) 方法的出现则解决了扩展卡尔曼滤波( e l 汀)方法线性化误差过大的问题，粒子滤波( p f ) 方法的出现不仅解决了扩展卡尔曼滤波( e l ) 方法线性化误差过大的问题，而且还解决了扩展卡尔曼滤波( e k f )方法和无迹卡尔曼滤波( u k f ) 方法不能适应非高斯环境的问题。扩展卡尔曼滤波( e l ) 方法、无迹卡尔曼滤波( u k f ) 方法和粒子滤波( p f ) 方法的综合对比如表1 1 所示。表1 1 各种非线性滤波方法的综合对比方法类别适应非线性程度适应噪声环境数据量时间开销e k f低高斯低低u k f高高斯中中p f高不限高高显然，这三种非线性滤波方法各有优缺点，直接应用于无源定位系统的效果自然也不会很好。因此，本文还针对无源定位系统的非线性估计问题进行了专门深入的分析与研究。1 4 论文的研究内容及安排根据“十一五”武器装备预研规划中所提出的关于发展快速、可靠、高精度电子信息攻防对抗与仿真技术教育部重点实验室6无源时差定位方法与精度研究无源定位技术，并适时开展无源定位系统应用于武器制导研究的指导思想，结合现有主要无源定位方法特别是无源时差定位方法在实际应用中所暴露出来的问题和不足，本文主要围绕提高各种传统无源时差定位方法的定位性能，满足现代战争对无源定位系统的要求的不断提升等展开研究，主要包括：传统多站时差无源定位方法在“低”目标无源定位方面的不足与改进，运动学原理引入传统双站角度一时差无源定位方法的相关讨论以及现有主要非线性滤波方法在无源定位方面的不足与改进等。具体安排如下：第二章首先详细介绍了传统的多站时差无源定位方法，包括其定位方程组的求解、定位模糊的消除以及定位无解问题的解决等，并在此基础上给出了其定位协方差矩阵，然后阐述了所谓“低”目标的具体含义，最后给出了传统多站时差无源定位方法对不同高度目标的定位性能的对比，并通过分析指出传统多站时差无源定位方法在“低 目标无源定位方面的不足正是由于其缺少高度方向上的基线所致。第三章针对第二章研究中所提到的传统多站时差无源定位方法在“低 目标无源定位方面的不足及其根本原因正是由于其缺少高度方向上的基线所致这一问题，提出了一种最直接的改进方法一空中平台辅助的多站时差无源定位方法，该方法通过在主站上方的一个空中观测平台来增加高度方向上的基线，和各地面侦察站一起形成了一个冗余的定位系统，在提高对“低”目标无源定位性能的同时，利用该冗余信息巧妙的解决了定位模糊问题。第四章针对第三章所提出的空中平台辅助的多站时差无源定位方法需要在主站上方增加一个空中观测平台，并且需要保持该空中观测平台的稳定，其成本和难度均相对较大，很多情况下难以实现这一问题，提出了一种新的较为容易实现和部署的改进方法仰角测量辅助的多站时差无源定位方法，该方法在主站增加对目标仰角的测量，和原有的三个时差测量一起形成了一个冗余的定位系统，亦能在一定程度上提高对“低”目标无源定位的性能，同时也能利用该冗余信息解决定位模糊问题。第五章针对现代战争对无源定位系统的要求的不断提升，将运动学原理【6 5 刁7 】引入传统的双站角度一时差无源定位方法，提出了一种新的双站角度一时差变化率无源定位方法，该方法从传统的双站角度一时差无源定位方法的时差测量中提取时差变化率信息，并将其用于对目标的无源定位当中，推导了一个新的基于角度和时差变化率的定位公式，进一步提高了传统双站角度一时差无源定位方法的定位性能。此外，本章还介绍了两种常用的时差变化率提取方法一差分方法和k a l m a n方法，并对这两种方法提取时差变化率的性能进行了对比：通过选择合适的差分时间间隔丁可以获得比原始时差测量精度更高的时差变化率提取精度，基于s i n g e r 模型的k a l m a n 滤波平滑后能进一步提高时差变化率的提取精度。西安电子科技大学博士论文第一章绪论7第六章针对无源定位系统初始估计误差较大、实时性要求较高这一特点，在分析现有主要非线性滤波方法局限性的基础上，提出了一种针对无源定位系统的改进型迭代卡尔曼滤波( i k f ) 方法，该方法从传统迭代卡尔曼滤波( i k f ) 7 8 - 8 6 1方法的实质( 高斯牛顿迭代逼近最大似然估计) 入手，首先通过修正高斯牛顿迭代的目标函数得到了一个新的基于一步高斯牛顿迭代的滤波更新公式，减小了初始估计误差对整个滤波过程的影响，然后根据其最大似然估计的性质推导了一个新的增益计算公式，减少了迭代过程中求逆运算的次数，提高了滤波的稳定性，在获得较好滤波性能的同时大大减小了滤波的时间开销，更宜于其在实际工程中的应用。第七章对本文工作进行了总结和展望。参考文献赵国庆雷达对抗原理 m 】西安：西安电子科技大学出版社，1 9 9 9 孙仲康，周一宇，何黎星单多基地有源无源定位技术 m 北京：国防工业出版社，1 9 9 9 周一宇，徐晖电子战原理与技术【m 】北京：国防工业出版社，1 9 9 9 胡来招无源定位 m 】北京：国防工业出版社，2 0 0 4 熊群力综合电子战一一信息化战争的杀手锏【m 】北京：国防工业出版社，2 0 0 8 孙仲康，陈辉煌定位导航与制导 m 】北京：国防工业出版社，1 9 8 7 张永顺，童宁宁，赵国庆雷达电子战原理【m 】北京：国防工业出版社，2 0 0 6 温中武，宋阔益电子对抗中无源雷达的地位和发展前景阴国防科技，2 0 0 7 ( 9 ) ：1 4 18 陈文英“空防暗哨 无源雷达【j 】电子工程信息，2 0 0 6 ( 3 ) ：9 1 3 李立萍无源定位技术的研究与应用【d 】电子科技大学，1 9 9 9 张正明辐射源无源定位研究 d 】西安电子科技大学，2 0 0 0 杨博，黄知涛，周一宇基于空间非合作运动辐射源照射的目标定位研究【j 】宇航学报2 0 0 8 2 9 ( 1 ) ：2 2 4 2 2 8 宋杰，何友，蔡复青，唐小明基于非合作雷达辐射源的无源雷达技术综述川系统工程与电子技术，2 0 0 9 ，3 1 ( 9 ) ：2 1 5 1 - 2 1 5 6 刘刚分布式多站无源时差定位系统研究【d 】西安电子科技大学，2 0 0 6 刘申建对空中机动辐射源三站时差高精度无源定位算法研究 d 】哈尔滨工程大学。2 0 0 0 高海舰多站时差测量目标定位特性及检测性能研究 d 】航天科工集团第二电子信息攻防对抗与仿真技术教育部重点实验室，川q 刁习q 习研n 口ph 芦陋p 降pnuuunnn8无源时差定位方法与精度研究研究院，2 0 0 3 【17 】刘月华时差定位无源雷达的系统设计【d 】南京理工大学，2 0 0 3 【l8 】孙欢无源定位系统中高重频定位模糊研究【d 】南京电子技术研究所，2 0 0 5 19 】h u a n gg a o - m i n g ，x iz e - m i n ，z h o uy u n ，z h o uj i n an o v e lt d o al o c a -t i o na l g o r i t h mf o rp a s s i v er a d a r j c i ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nr a d a r ,2 0 0 6 ：1 4 【2 0 】y t c h a n ，k 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 j i e e et r a n s a c t i o n so ns i g n a lp r o c e s s i n g ，19 9 4 ，4 2 ( 8 ) ：19 0 5 1915 【21 】y a n gl e ，k c h o a na p p r o x i m a t e l ye f f i c i e n tt d o al o c a l i z a t i o na l g o r i t h mi nc l o s e d f o r mf o rl o c a t i n gm u l t i p l ed i s j o i n ts o u r c e sw i t he r r o n e o u ss e n s o rp o s i t i o n s j i e e et r a n s a c t i o n so ns i g n a lp r o c e s s i n g , 2 0 0 9 ，5 7 ( 1 2 ) ：4 5 9 8 4 6 15 【2 2 】y a n gk e - h u ，w a n gg a n g ，l u oz h i - q u a n e f f i c i e n tc o n v e xr e l a x a t i o nm e t h o d sf o rr o b u s tt a r g e tl o c a l i z a t i o nb yas e n s o rn e t w o r ku s i n gt i m ed i f f e r e n c e so fa r r i v a l s j i e e et r a n s a c t i o n so ns i g n a lp r o c e