非合作目标精确定位技术研究

论文摘要

被动跟踪方式的靶场测控技术，无需在目标上加装合作信标，因而能够大大提高试验效率。传统被动方式的弹道跟踪系统因测距精度差、跟踪速度慢等局限性，一直未成为装备定型试验的主力设备。随着新型智能化鱼雷的出现，更难以在远距离上探测和高精度测定鱼雷航行的弹道。因此，高性能的水下非合作目标定位跟踪系统的建设已经提上了议事日程。本文重点研究两种针对非合作目标的被动跟踪技术——利用鱼雷辐射噪声和低频线谱的多基元联合纯方位被动定位技术，以及利用鱼雷寻的信号的被动定位技术。它们不仅适用于鱼雷靶场的被动跟踪系统，还可用于被动测距声纳。方位和时延差的高精度估计是提高定位跟踪精度的关键。本文首先对矢量传感器方位估计和基于目标寻的信号的时延差估计技术进行理论和仿真分析。单个矢量传感器即可测定目标方位，理论分析和湖试结果验证了在5km左右距离处可得到1°左右的测向精度，这为将矢量传感器技术应用于浮标，进行多基元纯方位被动弹道测量提供了理论依据。对于非合作目标发射的窄带脉冲信号，本文提出了时延差粗测、自适应频率估计、自适应相位估计、信号分组等一系列时延差估计策略，并进行了仿真分析，为构建基于鱼雷寻的脉冲的被动定位系统奠定理论基础。双基阵纯方位TMA无需本舰机动，比通常单基阵纯方位TMA具有更好的可观测性和跟踪性能，因此在水面舰艇综合声纳中有很好的应用前景。利用分布式矢量传感器浮标的被动式水下跟踪系统是较双基阵纯方位TMA更具有宽容性、精度更高、更易于工程实现的TMA方法。它利用单个矢量传感器浮标即可对目标进行高精度方位估计的优点，通过冗余浮标的加权综合，大大减小了测量盲区，提高了定位精度。当应用多阵联合TMA方法时，需对各基阵给出的方位数据进行数据融合，以保证所使用的方位数据是针对同一目标的同一空间位置。本文提出了一种递归式时空关联技术，性能稳健。借鉴传统的三子阵被动测距技术，用安装在潜艇壳体上的三个接收水听器代替接收基阵，接收鱼雷发出的寻的信号，通过测量信号到达各个水听器的时延差信息进行方位及距离的测量。对于由时延差粗测引起的跨周期模糊问题，本文作了详细的分析并提出了有效的解决途径。上述方法不仅对CW脉冲信号可测向、测距，同样还适用于调频、跳频信号，所以可适用于信号形式多变的智能型鱼雷的弹道轨迹测量，以及主动声纳信号的被动跟踪。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 立题背景和意义
• 1.2 水下被动定位技术发展综述
• 1.2.1 传统被动定位方法
• 1.2.1.1 三子阵被动定位
• 1.2.1.2 立体球内插被动定位
• 1.2.2 匹配场被动定位（MFP）
• 1.2.3 时间反转镜被动定位（PVTR）
• 1.2.4 目标运动分析（TMA）
• 1.3 多基阵联合纯方位被动定位
• 1.4 基于鱼雷寻的脉冲的被动定位
• 1.5 定位精度的评价标准
• 1.5.1 克拉美—罗方差下限（CRLB）
• 1.5.2 定位置信椭圆（PCE）
• 1.6 论文的研究内容
• 第2章 非合作目标方位及时延差的高精度估计
• 2.1 引言
• 2.2 矢量传感器方位估计
• 2.2.1 矢量传感器测向原理
• 2.2.2 提高方位估计精度的举措
• 2.2.3 矢量传感器方位估计的 CRLB
• 2.2.4 单矢量传感器方位估计性能湖试结果
• 2.3 基于目标寻的信号的时延差估计
• 2.3.1 时延估计方法概述
• 2.3.2 时延估计的 CRLB
• 2.3.3 寻的信号时变条件下的时延差估计
• 2.3.4 仿真实验
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于纯方位测量的被动定位技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 纯方位 TMA的可测性问题
• 3.2.1 可测性判别准则
• 3.2.2 双基阵纯方位 TMA的可测性
• 3.3 双基阵纯方位 TMA
• 3.3.1 系统配置方式
• 3.3.2 双基阵数据融合模型
• 3.3.3 量测数据预处理
• 3.3.4 伪线性估计（PLE）
• 3.3.5 扩展卡尔曼滤波（EKF）
• 3.3.6 最大似然估计（MLE）
• 3.3.7 Gauss-Newton（G-N）和 Levenberg-Marquardt（L-M）算法
• 3.3.8 双基阵纯方位 TMA的 CRLB
• 3.3.9 仿真实验
• 3.4 被动式水下跟踪系统（PUATS）
• 3.4.1 系统概述
• 3.4.2 系统工作原理
• 3.4.3 定位原理
• 3.4.4 仿真实验与精度分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于鱼雷寻的信号的被动定位技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 数学模型
• 4.3 误差分析
• 4.3.1 近似误差
• 4.3.2 随机误差
• 4.3.3 安装误差
• 4.3.4 摇摆误差
• 4.4 跨周期模糊
• 4.5 仿真与实验结果
• 4.5.1 跨周期模糊仿真
• 4.5.2 测向精度仿真
• 4.5.3 测距精度仿真
• 4.5.4 跨周期模糊试验结果
• 4.5.5 定位湖试结果
• 4.6 本章小结
• 结论
• 研究成果
• 展望与设想
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历