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1、西安电子科技大学 硕士学位论文 基于GPS外辐射源的无源雷达定位与跟踪技术研究 姓名：常方 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：王俊 20100101 摘要 摘要 近年来，随着战场环境日益复杂，传统的探测系统如雷达，声纳等受到越来 越多的威胁，采用被动方式工作的无源定位技术由于具有隐蔽性强、探测距离远、 具有反隐身能力等突出优点，越来越受到人们的重视。本文对基于G P S 外辐射源 的无源雷达定位与跟踪技术进行了研究。论文首先介绍了G P S 外辐射源的信号特 性，然后重点论述了无源定位的基本原理，研究了一种利用到达时间差( T D O A ) 的P 只型多基地定位系统，给出了
2、求解目标位置的具体方法，并对该定位系统 的定位精度进行了细致的分析，随后介绍了基于扩展卡尔曼滤波器的目标跟踪算 法。论文对距离测量误差、站址误差等因素对无源定位精度的影响进行了仿真， 并对影响跟踪精度的因素进行了仿真对比，结果均表明论文算法收敛速度快、性 能稳定、定位跟踪精度高，可满足实用要求。 关键字：G P S 到达时问差双曲线定位扩展卡尔曼滤波 Ab s t r a c t A b s t r a c t I nr e c e n ty e a r s ，c o n v e n t i o n a ld e t e c t i o ns y s t e m s ，s u c ha sr
3、a d a ra n ds o n a r , h a v e e n c o u n t e r e dm o r ea n dm o r et h r e a t sw i t l lt h ei n c r e a s eo fc o m p l e x i t yi nm o d e m b a t t l e f i e l dc i r c u m s t a n c e s P a s s i v el o c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nb
4、 e c a u s eo fi t ss e l f - h i d i n g ，f a r - d e t e c t i o na n dc o u n t e r - s t e a l t ha b i l i t y I nt h i s d i s s e r t a t i o n ，p a s s i v ep o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n gt e c h n o l o g yb a s e do nG P Se x t e r n a l i l l u m i n a t o ri nm u l t i s t a t
5、i cr a d a rs y s t e mW a ss t u d i e d T h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e d t h ef u n d a m e n t a lg e o m e t r i c a lp r o s p e r i t i e so fp a s s i v el o c a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fG P S s i g n a lW a sa n a l y z e dt h e n T h el o c a t i
6、 o nm e t h o db a s e do nT D O AW a sd e s c r i b e da n dt h e l o c a t i o nf o r m u l ai sd e d u c e di nd e t a i l A f t e rt h i s ，t h ee x t e n d e dK a l m a nf i l t e rW a s i n t r o d u c e d T h ei n f l u e n c eo ff a c t o r ss u c ha sr a n g em e a s u r e m e n tp r e c i
7、s i o no nt h e p e r f o r m a n c eo fp a s s i v el o c a t i o na n dt r a c kw a sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d S i m u l a t i o n p r o v e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dh a st h ea d v a n t a g e so ff a s tc o n v e r g i n gs p e e d ，s t a b l e p e r f o r m a n c ea n
8、dh i g hp r e c i s i o n K e y w o r d s ：G P S T D O A H y p e r b o l al o c a t i o n E K F 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，i 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料
9、若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：纽 导师签名：玉筮 日期：力矽0 第一章绪论 1 1 1 无源雷达简史 第一章绪论帚一早三百下匕 1 1 研究背景 雷达( R a d a r ) 是“R a d
10、i oD e t e c t i o na n dR a n g i n g “ 缩写的音译。它利用目标对 电磁波的散射来发现目标，并从回波中提取尽可能多的目标信息，包括目标的距 离、方位、速度、图像等。现代雷达系统应当在电子战中具备较强的生存能力； 此外，各种电子干扰、超低空突防以及隐身目标也使得雷达系统不能正常发挥作 用，因此提出了如何更有效地选择雷达工作体制的问题。针对此问题，近年来出 现了一种新型的无源反隐身雷达，顾名思义，“无源就是雷达本身并不发射电 磁波，而是借助空中已有的各种电磁波信号，包括目标本身的辐射信号，地面无 线广播和电视、卫星以及通信基站等发射的“非合作”信号等，将这些
11、“照射源“ 作为雷达的“发射机“ ，雷达系统的设计只有接收机部分，属于被动接收，故无源 雷达又被称作利用非合作机会照射源的被动雷达。 无源雷达历史的追溯是件不容易的事情，因为在雷达发展的最初阶段，人们 就是以收发分离的方式进行雷达原理试验的，并在2 0 世纪3 0 年代得到了广泛应 用，但是后来随着收发开关的发明，单基地雷达开始成为雷达的重点发展方向， 并在随后的几十年里得到了蓬勃的发展，构成了现在雷达的主要体制。而且，人 们在创建雷达体制之初，利用的也是民用电磁波信号，这或许就是无源雷达的雏 形。 1 9 2 2 年，美国海军研究实验室的T a y l o r 博士和助手Y o u n g
12、在进行6 0 M H z 的 传播实验时利用了类似于现在的双基地连续波雷达设备探测到了河中航行的小木 船。1 9 3 0 年H y n d l a n d 等人利用一台3 3 M H z 的测向仪偶尔探测到了3 2 k m 外的飞 机。到了1 9 3 2 年，他们三人使用双基地雷达探测到了8 0 k m 之外的飞机。 1 9 3 5 年，英国A r n o l dW i l k i n s 等人进行了著名的D a v e n t r y 试验。他们利用位 于D a v e n t r y 的B B C 电台的短波发射机，用一部装在运输车上的接收机，在距离 1 1 英里的地方探测到了1 2 k
13、m 之外的一架H e y f o r d 轰炸机。 第一次在战争环境下使用双基地机会照射系统的是第二次世界大战中的德国 “K l e i nK e i d e l b r g 设备，它接收英国海岸空防雷达“C h a i nH o m e “ 的直射信号 和目标的反射信号，通过测量两信号的到达时间差( T D O A ) 和车辆反射信号的 到达角( D O A ) 来定位目标，并探测到了4 5 0 k m 以外的飞机，精度l O 公里，在 基于G P S 外辐射源的无源雷达定位与跟踪技术研究 当时很好地完成了对飞跃英吉利海峡的盟军轰炸机的警戒任务。同时期的前苏联、 意大利、日本都进行了类似的实
14、验。 雷达的体制多为连续波体制，工作在民用通信的主要波段上，通过多普勒差 频来发现目标，以到达方向粗定位，也逐渐出现了直接测时差和测方向角的双基 地雷达系统。如此看来，实际上，早期的雷达思想和现代无源雷达思想基本一致， 因为从信号源的利用上来看，早期的雷达就是利用民用的无线电连续波信号，并 且采用的定位方法也与现在无源雷达的定位方法有很多共同的地方，但是，在当 时的理论和器械条件下，无源雷达的优势可能被它的很多难点所掩盖了，因此， 当收发开关发明后，这种体制被逐渐的冷落，但在几十年后，这种古老的雷达体 制又重新焕发出了它的无穷魅力。 1 9 8 2 年，F o m s tS c h o e n
15、 e n b e r g e r 和D a v i e s 开发出使用6 0 0 M H z 民用机场交通 管制雷达的双基地雷达系统。此系统需接收直射信号实现时间同步，并且需要载 波同步实现动目标指示。1 9 8 6 年，有关基地电视的双基地雷达系统方面的文献首 次由伦敦大学的G r i f f i t h 和L o n g 发表，他们的研究工作主要是考虑利用白色同步 脉冲，该波形能达到18 0 0 米的距离分辨力，最大不模糊距离仅为9 6 0 0 米，显然 不实用。且信号处理局限在时域上。 1 9 9 2 年前后，G r i f f i t h s ，G a r n e r ，B a k e
16、 r 和K e a v e n e y 等人进行了利用卫星直 播电视信号探测目标的研究，并采用了一种复杂的相关技术，接收机由直达信号 和回波信号两个独立的通道组成，采用了相干和非相干积累的方式，处理需要的 增益大于7 5 d B ，由于目标运动的影响，积累时间有限，试验中的探测目的最终没 有达到理想的效果。 真正达到实用和商用的基于电视和调频广播的非合作双基地雷达系统是由美 国L o c k h e e dM a r t i n 公司完成的。美国洛克希德马丁公司从1 9 8 3 年起开始发展基 于电视载波的无源雷达系统，经过十五年的秘密研制，到1 9 9 8 年1 0 月1 2 日，首 次在华盛顿A U S A 展览会上公布“沉默哨兵无源雷达系统。该系统是利用商用 无线电台和调频广播电台作为外部辐射源，具有实时、高精度探测和跟踪飞机、 直升机和巡航导弹等各种空中目标的能力，最近的实验表明该系统可以采用8 * 2 5 英尺的天线跟踪1 2 5 k m 以外的R C S 为l O 平方米的空中目标。俄罗斯对无源雷达 系统的关注也由来已久，
