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1、 分类号 TN95 学号 09040044 密级 公 开 工学硕士学位论文 反辐射弹地面辐射源定位技术反辐射弹地面辐射源定位技术 硕士生姓名 马春实 学 科 专 业 信息与通信工程 研 究 方 向 精确制导自动目标识别技术 指 导 教 师 卢再奇 副教授 范红旗 讲 师 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 反辐射弹地面辐射源定位技术 国防科学技术大学研究生院 Localization Technology of Ground Radiation Source for Anti-radiation Missile Candidate：MA Chun
2、-shi Advisor：LU Zai-qi FAN Hong-qi A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Information and Communication Engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P. R. China November，2011 国防科学技术大学研究
3、生院硕士学位论文 第 I 页 目 录 摘 要i ABSTRACT.iii 第一章 绪论1 1.1 研究背景与意义. 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势. 2 1.3 本文主要工作及内容安排. 4 第二章 无源定位技术理论基础6 2.1 非线性系统的可观测性. 6 2.2 非线性滤波原理. 7 2.2.1 扩展卡尔曼滤波 8 2.2.2 不敏卡尔曼滤波 9 2.2.3 粒子滤波 12 2.3 交互式多模型算法. 14 2.4 本章小结. 17 第三章 基于滑窗式 n 步前向预测的 BOT 方法18 3.1 引言. 18 3.2 问题描述. 18 3.2.1 跟踪场景 18 3.2.2 高观测速
4、率下的可观测性分析 19 3.3 基于滑窗式 n 步前向预测的 BOT 方法设计. 21 3.3.1 滑窗式 n 步前向预测方案 21 3.3.2 基于滑窗式 n 步前向预测的 IMM 算法 23 3.4 仿真实验. 24 3.4.1 IMM 方法的模型选择与初值设定 24 3.4.2 预测步长与窗口长度优选 24 3.4.3 性能比较 26 3.4.3.1 场景 1.27 3.4.3.2 场景 2.30 3.4.3.3 场景 3.33 3.4.4 实验结论 36 3.5 本章小结. 36 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 II 页 第四章 斜距测量辅助的辐射源定位方法37 4.1 引
5、言. 37 4.2 问题描述. 37 4.3 斜距测量辅助的辐射源定位方法设计. 38 4.3.1 斜距测量方法 39 4.3.1.1 主瓣杂波回波仿真39 4.3.1.2 主瓣杂波测距方法41 4.3.1.3 主瓣杂波测距的修正45 4.3.2 斜距测量辅助的 IMM 算法 46 4.4 仿真实验. 48 4.4.1 场景 1. 48 4.4.2 场景 2. 50 4.4.3 实验结论 53 4.5 本章小结. 53 第五章 结束语54 5.1 本文工作总结. 54 5.2 下一步工作展望. 54 致 谢56 参考文献57 作者在学期间取得的学术成果62 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
6、 第 III 页 表 目 录 表 3.1 第三章仿真实验参数设置 26 表 4.1 杂波仿真的参数设置 40 表 4.2 第四章仿真实验参数设置 48 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 V 页 图 目 录 图 2.1 IMM 方法流程图 15 图 3.1 跟踪场景示意图. 19 图 3.2 观测平台和目标的位置关系. 20 图 3.3 观测角的变化与可观测程度关系示意图. 21 图 3.4 观测速率与|/的关系 . 21 图 3.5 单点 n 步前向预测示意图. 22 图 3.6 滑窗式 n 步前向预测示意图. 22 图 3.7 前向
7、预测滤波段流程图. 23 图 3.8 IMM-EKF 算法不同 n 值和 b 值对应的位置滤波误差的均方根. 25 图 3.9 IMM-UKF 算法不同 n 值和 b 值对应的位置滤波误差的均方根 25 图 3.10 IMM-PF 算法不同 n 值和 b 值对应的位置滤波误差的均方根 26 图 3.11 场景 1 的跟踪场景图. 27 图 3.12 场景 1 中方位角和俯仰角测量值. 28 图 3.13 场景 1 中基于 EKF 方法的均方根误差 28 图 3.14 场景 1 中基于 UKF 方法的均方根误差. 29 图 3.15 场景 1 中基于 PF 方法的均方根误差. 29 图 3.16
8、 场景 2 的跟踪场景图. 30 图 3.17 场景 2 中方位角和俯仰角测量值. 31 图 3.18 场景 2 中基于 EKF 方法的均方根误差 31 图 3.19 场景 2 中基于 UKF 方法的均方根误差. 32 图 3.20 场景 2 中基于 PF 方法的均方根误差. 32 图 3.21 场景 3 的跟踪场景图. 33 图 3.22 场景 3 中方位角和俯仰角测量值. 34 图 3.23 场景 3 中基于 EKF 方法的均方根误差 34 图 3.24 场景 3 中基于 UKF 方法的均方根误差. 35 图 3.25 场景 3 中基于 PF 方法的均方根误差. 35 图 4.1 二维跟踪
9、场景示意图. 38 图 4.2 网格法仿真主瓣杂波示意图. 39 图 4.3 仿真所用的天线方向图. 40 图 4.4 地杂波仿真面元特性. 41 图 4.5 主瓣杂波回波数据. 41 图 4.6 目标功率、杂波功率与噪声功率随距离的变化. 42 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 VI 页 图 4.7 信噪比与杂噪比. 42 图 4.8 杂波回波随距离的变化. 43 图 4.9 第 23 个相参帧杂波回波距离维数据. 44 图 4.10 确定窗口长度的示意图. 44 图 4.11 主瓣杂波测距误差. 45 图 4.12 距离修正的示意图. 45 图 4.13 主瓣杂波修正测距误差. 4
10、6 图 4.14 主被动雷达工作时序示意图. 47 图 4.15 主被动雷达复合的目标跟踪算法流程. 47 图 4.16 场景 1 中方位角的测量值. 49 图 4.17 场景 1 中距离的测量值. 49 图 4.18 场景 1 中基于 EKF 方法的均方根误差 50 图 4.19 场景 1 中基于 UKF 方法的均方根误差. 50 图 4.20 场景 2 中方位角的测量值. 51 图 4.21 场景 2 中距离的测量值. 51 图 4.22 场景 2 中基于 EKF 方法的均方根误差 52 图 4.23 场景 2 中基于 UKF 方法的均方根误差. 52 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
11、 第 i 页 摘 要 纯角度跟踪是无源定位的重要组成部分，它依靠传感器被动接收外部辐射源 信号来实现目标的定位与状态估计，具有隐蔽性强、安全性高的特点，因而在复 杂战场环境下的侦查预警、反辐射等领域得到了广泛应用。系统可观测性是纯角 度跟踪问题中最为重要的影响因素，在反辐射等高观测速率应用中，受观测精度 和平台运动所限，系统可观测程度在小采样间隔的时间尺度上会急剧下降，从而 导致滤波性能退化甚至滤波发散。针对这种情况，本文围绕纯角度跟踪的理论和 方法，研究了能够适用于高观测速率的纯角度跟踪算法。主要研究内容体现在以 下几个方面： 1、介绍分析纯角度跟踪的相关理论基础，包括非线性系统的可观测性，
12、传统 的非线性滤波原理，仿真实现了扩展卡尔曼滤波算法、不敏卡尔曼滤波算法、粒 子滤波算法，以及能够有效应对目标机动的交互式多模型算法。 2、针对高观测速率研究了纯角度跟踪算法，提出了一种基于滑窗式 n 步前向 预测的 BOT 方法。该方法在充分利用被动雷达接收的数据信息前提下，通过滑窗 式 n 步前向预测方案，增大了预测-更新步间时间间隔，增强了系统的可观测程度， 能够有效改善滤波算法的性能。仿真实验表明该方法滤波精度与稳定性好，可更 有效地适用于高观测速率应用。 3、在高观测速率情形下，采用主被动雷达信息融合的方式，提出了一种斜距 测量辅助的辐射源定位方法。该方法通过主动雷达杂波信息以及被动
13、雷达测得的 地面辐射源偏角，得到反辐射弹与地面辐射源之间的大致距离，将该距离信息集 成到滤波器中，以达到有效增强系统的可观测程度，提升高观测速率下滤波器性 能的目的。在高观测速率情形下，该方法精度更高，收敛速度更快，适合工程实 践的需要。 本文提出的算法与传统的非线性滤波算法相比，具有滤波精度高、稳定性好 的优点，为解决反辐射等高观测速率下滤波性能下降问题提供了可行途径，适合 工程实践的需要。并且对目标精确定位、对地辐射源攻击提供高精度目标状态信 息以及主被动交接班时主动参数的预定具有重要意义。 关键词：目标跟踪；无源定位；反辐射；高观测速率；可观测性；非线性滤 波；运动不确定性；前向预测；主
14、瓣杂波测距 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 iii 页 ABSTRACT Bearing-only tracking (BOT) is an important part of passive localization, which relies on receiving external radiation signal to accomplish target localization and state estimation. It has been widely used in the fields of early war
15、ning, anti-radiation and other fields in complex battlefield environment because of its advantage of concealment. Observability is the most important factor in BOT. Degree of observability badly declines due to low observation accuracy and platform motion at a high observation rate, which degrades t
16、he filtering performance. For this case, BOT algorithms at a high observation rate have been discussed in this thesis, which are supported by the requirements of industry and based on the principles of BOT. The results of the researches mainly involve: 1. The principles of BOT, including the observability of nonlinear system and the traditional algorithms of nonlinear filtering, have been introduced and analysed. Extended Ka
