一种阵列互耦影响下的目标直接定位算法及其理论性能分析

相比传统的两步定位方法,以Weiss和Amar等人提出的目标位置直接确定方法具有定位精度高、目标分辨率高、可避免"目标-量测"匹配等优势.本文基于该类定位方法的思想,提出了一种利用单个运动天线阵列对目标辐射源的直接定位算法.与已有直接定位算法不同的是,文中新算法考虑了阵列互耦的影响,并且能够实现阵列互耦参量和目标位置参量的解耦合估计.此外,文中还基于矩阵特征值扰动理论,定量推导了新算法参数估计的理论方差（包括目标位置估计方差和互耦向量估计方差）,并且给出了全部参量估计方差的克拉美罗界.最后,该文通过仿真实验验证了新算法的优越性和理论分析的有效性.     

利用多普勒的运动单站直接定位算法

针对利用运动单站接收辐射源信号进行目标定位过程中,传统两步定位算法测量参数时会产生信息损失,从而导致估计精度不够理想的问题,提出了一种联合多普勒的运动单站直接定位算法。该算法通过构造代价函数,得到包含辐射源位置信息的共轭矩阵,然后分别针对未知信号和已知信号通过特征值分解求取共轭矩阵的最大特征值,最后进行二维格网型空间索引得到辐射源的位置估计。同时,本文还推导了相应的克拉美罗下界(CRLB),并分析了多普勒测量存在误差下算法的定位性能以及算法的运算量。通过理论分析和仿真实验可以表明,所提出的运动单站直接定位算法对目标位置估计误差能够逼近CRLB,且与两步定位算法相比,具有更好的定位精度。      

信号波形已知条件下多目标直接定位性能分析及其改进算法

相比传统"测向+位置估计"两步定位体制,以Weiss和Amar提出的目标直接定位技术具有精度高、分辨能力强等优点,并且便于利用信号波形信息.该文首先针对Weiss和Amar提出的信号波形已知条件下的多目标直接定位算法（称为Weiss-Amar算法）进行理论性能分析,证明了其参数估计的渐近一致性,推导了其参数估计的渐近方差,并指出当不同目标信号波形相关时会对算法性能产生较大影响.针对这一缺点,文中提出了信号波形已知条件下的改进型多目标直接定位算法,与Weiss-Amar算法不同的是,改进算法对全部目标的位置参数进行协同估计,并且通过交替投影迭代进行数值优化,能显著提高对相关信号的定位精度.最后文中推导了信号波形已知条件下多目标位置直接估计方差的克拉美罗界.仿真实验验证了文中理论分析的有效性和改进算法的优越性.     

一种双基地MIMO雷达三维多目标定位方法

该文针对发射天线为均匀线阵、接收天线为L型阵列的双基地MIMO雷达,提出了一种3维多目标定位方法。基于ESPRIT算法构造一个复矩阵,对其进行特征值分解后,根据特征值的虚部和实部估计出目标的接收角,根据特征向量进一步获得和接收角自动配对的目标发射角。该方法无需已知噪声的方差,且运算量较小。仿真结果表明,与其他方法相比,该文方法在信噪比较低时仍可有效定位目标,估值的均方误差较接近于克拉美罗界。     

基于单部两坐标雷达的目标三维定位算法

针对实际应用中目标三维定位的需求,提出了一种利用单部两坐标雷达估计目标三维空间位置的算法.该算法利用目标的动态模型,结合两坐标雷达关于目标多个时刻的测量信息,对目标三维空间的位置进行最大似然估计.还推导了目标三维定位误差的克拉美罗下限.计算机仿真实验验证了所提算法的有效性.扩展实验表明:回波信噪比越高,观测时间越长,目标与雷达的高度差越大,目标运动速度越快,定位精度越高.     

采用DIRECT算法的外辐射源雷达高效直接定位方法

针对直接定位目标函数为非凸函数,传统凸优化方法难以获得全局最优解,而常用网格遍历搜索方法运算量大的问题,提出采用DIRECT (Dividing rectangles)算法进行高效求解的方法。首先建立外辐射源雷达接收信号模型,在此基础上推导最大似然直接定位目标函数,为解决该目标函数非凸难以快速获得全局最优解的问题,将DIRECT算法用于目标位置的快速估计, 并理论分析其计算复杂度。数值仿真表明新方法计算速度快且定位精度高,相比网格遍历法,计算时间降低2个数量级,相比遗传算法降低1个数量级。      

跳频信号的时差直接定位

针对跳频信号,提出了两种时差直接定位方法--最大似然直接定位法与最大相关累积直接定位法.第一种算法利用跳频信号频域有限分布特性,通过频域构造互相关函数（Cross Correlation Function,CCF）矩阵,在二维网格中搜索CCF矩阵的最大特征值得到目标的位置估计.第二种算法以各站与参考站的CCF之和为目标函数,直接在二维网格中搜索得到目标位置估计.两种算法进行了对比,第一种方法在性能上优于第二种,但计算量更大.蒙特卡洛仿真表明,提出的最大似然直接定位方法的性能是最优的,最大相关累积方法性能也优于传统的两步法.     

融合多普勒频移信息的阵列数据域直接定位方法

相比于传统两步定位方法,直接定位方法具有更高的定位精度,但现有的基于阵列模型的直接定位方法未能够有效利用多普勒频移信息,其定位精度有待进一步提升。针对上述问题,该文提出一种融合多普勒频移信息的阵列数据域直接定位方法。首先构建了融合多普勒信息的直接定位模型,然后基于最大似然准则将信号源位置估计转化为求解位置信息矩阵最大特征值问题,并结合矩阵转置性质降低复杂度,最后通过2维搜索得到目标信号源位置估计。仿真结果表明,所提方法较目前的阵列数据域直接定位方法和多普勒频移直接定位方法的定位精度具有较大提高。     

一种天波超视距短波目标的直接定位算法

针对利用运动接收机对静止超视距短波无线电目标定位的问题,提出了一种基于极大似然准则的天波超视距直接定位算法,进一步应用引力搜索算法,以实现高效的目标位置估计。推导了在上述问题中目标位置估计的克拉美罗下界（Cramér-Rao lower bound,CRLB）,并分析了所提算法的计算复杂度。仿真实验结果表明,与传统的针对视距目标的直接定位算法相比,所提出的算法能显著提高对天波超视距短波目标定位的精度,且性能非常接近CRLB;相比于对应的网格搜索算法,在保持较高定位精度的同时,所提算法具有更高的计算效率。     

辐射源信号波形已知的超视距目标直接定位方法

现有直接定位（Direct Position Determination,DPD）算法主要研究对象是视距目标.针对传统无线电定位技术对超视距目标定位精度低的问题,提出一种辐射源信号波形已知的超视距直接定位（Over-the-Horizon Direct Position Determination,ODPD）方法.该方法基于电离层电子密度参数,依据最大似然（Maximum Likelihood,ML）准则,从信号数据域直接推导出仅关于目标位置的代价函数.其次,本文推导了关于电离层虚高测量误差的定位误差协方差矩阵.实验表明ODPD方法在低信噪比下相比现有算法,能显著提高超视距目标的定位精度,定位性能更接近克拉美罗界（Cramér-Rao Low Bound,CRLB）.误差分析显示,电离层虚高误差标准差在20km时,引起的定位误差能控制在10km的范围内.     

分布式信源数据域直接位置估计方法

针对目前信号数据域直接位置估计方法对分布式信号源进行直接定位存在精度下降问题,该文提出分布式信源数据域直接位置估计方法。首先构建分布式信源直接位置估计模型,然后分别基于最大似然准则和特征结构分解思想给出分布式信源高精度直接位置估计的两种方法分布源最大似然估计方法和广义子空间方法。最后通过多维搜索完成对于分布式信源的直接位置估计。仿真分析表明,该文算法对分布式信源进行直接位置估计的精度较传统直接位置估计算法明显提升,能够在较低信噪比下逼近克拉美罗界;分布源最大似然估计方法在低信噪比下定位精度优于广义子空间方法,而广义子空间方法复杂度更低。     

基于TDOA和SDOA的宽带辐射源双机无源定位算法

针对双无人机无源雷达对宽带辐射源目标的直接无源定位(DPD)初始值敏感,提出一种基于小生境拓扑结构改进矢量粒子群算法(NTVIPSO)的直接无源定位算法。本文算法将直接法和间接法结合起来,依靠间接法中尺度差参数构造约束条件,利用小生境矢量粒子群求解得到精确的位置。仿真结果表明本文粒子群算法优于矢量粒子群算法和邻域拓扑结构粒子群算法。提出的存在扰动情况下尺度差约束条件下的直接无源定算法精确度低于直接法,但优于间接法;计算复杂度低于直接法,大于间接法。     

Statistical performance analysis of direct position determination method based on doppler shifts in presence of model errors

The direct position determination (DPD) method based on Doppler shifts for narrowband emitter is first presented by Amar and Weiss. Compared to the conventional differential Doppler localization method, this DPD method has higher localization accuracy. In this paper, the statistical performance of this DPD method in presence of model errors (i.e., the observer position and velocity uncertainty) is analyzed mathematically. First, the DPD method for narrowband emitter using Doppler shifts is introduced. Then, applying the matrix eigen-perturbation theory that relates the eigenvalue perturbations to the additive noise on the Hermitian matrix, the first-order asymptotic expression of the direct localization errors is derived. As a consequence, the theoretical variance of position estimation can be approximately determined. Subsequently, two kinds of exact formulas for calculating the localization success probability are deduced using the analytical results obtained in the previous section of this paper. Furthermore, the Cramér-Rao bound (CRB) expression for the DPD method in absence of model errors is presented, which takes on more explicit form than the formulation given by Amar and Weiss. The obtained CRB can be viewed as a reasonable benchmark to assess the performance degradation due to model mismatch. Simulation results support the validation of the theoretical analysis in this paper.     

动平台分布式雷达系统协同跟踪路径优化算法

本文针对动平台分布式雷达系统协同跟踪目标的路径优化问题,提出了一种新颖的基于费歇尔信息矩阵的动平台分布式雷达系统协同跟踪路径优化算法。首先,本文建立了动平台分布式雷达系统协同跟踪目标模型,进而基于贝叶斯理论导出了闭合形式的费歇尔信息矩阵,然后采用D最优准则建立了动平台分布式雷达系统路径优化代价函数,最后提出了一种基于最速下降的方法来解决该优化问题。另外,本文还研究了有约束的动平台分布式雷达系统路径优化问题,利用惩罚函数来修正代价函数来规避障碍,并应用物理约束来限制动平台的转弯角。数值仿真结果验证了所推导的闭式代价函数的精确性和有效性,且所提出的动平台分布式雷达系统路径优化方法可以快速实时的以较为平滑的路径跟踪静止和移动目标;此外,相比于栅格搜索法,所提方法在计算复杂度上具有明显优势。      

基于双向传播算子的互质面阵二维波达方向估计

针对谱峰搜索的二维波达方向估计中现有算法复杂度高,精度受搜索间隔影响较大的问题,给出了一种双向传播算子的互质面阵二维波达方向估计算法,实现了俯仰角和方位角的低复杂、高精度、无模糊联合估计.该方法首先将互质阵列引入到二维波达方向估计中,构造互质平面阵模型,然后采用两次旋转不变传播算子方法计算出不同阵列流型方向上的旋转因子矩阵,根据旋转因子矩阵解算出目标信号的俯仰角和方位角,同时利用互质理论消除了稀疏阵列角度估计的不确定性,证明了互质阵列模型下采用双向传播算子方法进行俯仰角和方位角估计的无模糊性.对算法的复杂度进行理论分析,并给出了平面阵列角度估计的克拉美罗界推导.理论分析与仿真结果表明,算法不需要进行角度匹配和谱峰搜索,在相同条件下的均方根误差性能优于均匀平面阵的多重信号分类算法,并且以较低的复杂度无模糊的达到了高维网格搜索的精度.     

基于分数阶傅里叶变换的多辐射源被动直接定位算法

直接定位(DPD)算法能充分利用观测回波信息,在低信噪比条件下其定位精度一般要高于传统的两步定位算法。为解决多基站无源雷达系统中多个未知线性调频(LFM)信号辐射源的定位问题,该文提出一种基于DPD算法和分数傅里叶变换(FRFT)相结合的多目标定位算法。首先,根据建立的信号模型推导了理论上最优的高维最大似然估计器;其次,由于高维信号参数和目标位置联合估计的计算复杂度限制,利用基于FRFT和基本分类算法的降维策略将多目标定位问题转化为多个单目标定位问题;最后,目标的位置及相应信号参数可通过4维网格搜索得到有效估计。仿真结果表明,相比于已存在的忽略发射信号的DPD算法,该文提出算法定位性能更优。