纯方位目标运动分析可观测性研究

纯方位目标运动分析(BOTMA)仅利用方位信息实现对目标状态参数的估计,是一种有效的无源被动定位跟踪方法。纯方位系统中的可观测性条件、目标跟踪与估计策略、观测器最优机动轨迹构成了BOTMA的核心研究内容。可观测性问题是BOTMA首先必须解决的关键问题,可观测性条件是后续目标定位与跟踪的前提和基础。介绍了纯方位系统中可观测性的基本概念,从几何方法、线性与非线性方法、数值分析方法等角度,对BOTMA的可观测性研究成果进行了系统的总结和评述,最后对这一领域的研究提出了新的展望。     

单平台纯方位信息的水面编队目标运动要素解算

基于实际背景需求,针对单平台纯方位水面编队目标运动要素解算问题,从可观测性、观测平台机动及解算模型三方面作了探讨.利用线性系统可观测理论,基于伪线性量测方程对编队目标运动要素的可观测性进行了研究,给出了可观测条件.以Fisher信息阵行列式为性能指标,探讨了观测平台最优机动的理论轨线和工程轨线形状.给出了3种编队目标运动要素解算模型,并进行了仿真比较分析.研究结论和仿真结果表明:水下单平台基于纯方位解算编队目标运动要素,自身必须作有效机动,可以采用单目标运动要素解算的最佳机动策略;提出的联合解算模型的效果显著好于已有的两种模型.     

声速有限条件下的纯方位方法

针对纯方位条件下对等速直航目标运动要素的观测问题,考虑声音在海水中传播时间的作用,建立了计算可观测目标方位的解析公式。基于平均声速为有限常数的假设,证明了即使观测站静止,运动要素也一般是可观测的。在观测误差为独立同分布零均值正态随机误差的假设条件下,证明了由方位观测误差的最小二乘法给出的估计为极大似然估计。仿真实验表明,观测站转向及直航机动条件下此方法对应的目标运动要素的观测度较传统方法有显著改进。     

纯方位目标跟踪系统的可观测程度

首先建立了纯方位目标跟踪系统的动态模型和一个最小二乘估计器,分析了该系统的完全可观测性。在系统完全可观测的条件下,引入可观测程度这一概念。文中定义了两种描述系统可观测程度的方法。它们都很好地反映了系统可观测程度随跟踪时间的变化过程。研究发现,纯方位目标跟踪系统往往是弱可观测系统,这正是系统跟踪效果不佳的原因所在。然而,文中表明的系统可观测程度同跟踪几何态势关系密切这一事实,又使得从己艇机动入手解决跟踪效果差的问题成为可能,就是通过极大化系统的可观测程度优化己艇的机动策略。     

纯方位目标跟踪和攻击的己艇机动策略

纯方位目标跟踪效果同己艇的机动有关。本文按照极大化跟踪系统的可观测程度的准则对己艇机动进行了优化,得出了有利于跟踪的优化机动策略。在此基础上,进一步考虑了对目标进行攻击的攻击机动的要求,使得最后给出的机动模式不仅有利于快速获得目标运动参数,而且使己艇能占领到较好的攻击阵位。此外,本文推荐的机动策略都是按相给出的,因此具有很好的实用性。     

基于纯方位量测的三维运动目标可观测性研究

通过建立纯方位量测系统的状态方程和测量方程,利用伪线性化方法,将非线性测量方程转换成线性形式,再利用奇异矩阵的性质,获得一种基于可观测性定义和特征值分解法相结合的定量确定纯方位量测系统可观测性的方法,得出可观测的充要条件.此项成果对于分析运动目标跟踪的机动策略具有重要意义,可推广到对多种运动目标的三维被动跟踪研究中.     

非线性可观测性及辅助变量法在纯方位目标跟踪中的应用

本文从非线性系统的可观性出发,研究纯方位目标跟踪系统的可观测性和滤波算法。给出了纯方位系统适应于一般目标运动假定的更完善的可观测性判据,并指出了该系统的不可观测本质。在对一般非线性观测过程的可观测性分离的概念和可行性定理建立之后,本文结合辅助变量法,给出了纯方位目标跟踪的一种算法——可观测性分离的辅助变量法。Monte—Carlo仿真表明,它优于以往直角坐标系中的各种纯方位跟踪算法,而且是渐近无偏的。     

多站纯方位定位系统的可观测性条件

对多运动站纯方位目标定位系统的可观测性问题进行了研究.通过运动等效,将多运动站纯方位定位系统等效成一个特殊的单运动站定位问题.利用拟线性估计方程,导出了系统不完全可观测的一些条件,分析中还发现了系统不完全可观测的新情形.     

纯方位目标定位的观测者的最优轨迹

纯方位目标定位问题是从一系列噪声方位量测中估计一固定目标的位置,尽管在理论上,即使在没有观测者机动时,此过程亦是可观测的,但是通过适当利用观测者的运动以增加可观测程度可以使得估计性能(例如精度,稳定性和收敛速度)得到很大的提高。本文提出了纯方位固定目标定位的观测者的最优轨迹。这里所介绍的方法是基于使费歇尔信息矩阵(FIM)的行列式最大化,条件是:(例如,目标的防御系统)影响观测者轨迹,状态受限制。用直接最优控制的数值方法,包括最近介绍的微分包含的方法(DI)来求最优控制问题的解。运用熟悉的斯坦斯费尔德和最大似然(ML)估计器进行计算机仿真,结果表明运用观测者的最优轨迹所得到的目标位置的可估计性得到很大的提高     

评述纯方位目标运动分析的某些观点

本文对“纯方位目标运动分析的离散时间可观察性和可估性分析”一文进行了评述,作者认为在全过程中使用伪量测,这种分析方法在TMA领域不常用。作者提出了观察器机动的建议,并给出了模拟的结果。     

基于方位线性预测的远距离目标机动检测方法

随着拖曳线列阵声纳的应用,水下声探测的范围成倍增大,纯方位目标定位与跟踪技术面临严峻的挑战,特别是在对抗条件下的目标机动检测与跟踪问题难度更大。本文针对基于拖曳线列阵声纳探测的远距离目标机动检测问题,通过对以往纯方位目标机动检测方法的适用性分析,结合远距离目标方位变化的特点,提出了基于方位序列线性预测的累积和机动检测模型,解决了远距离、大误差、纯方位量测条件下的目标机动检测问题。实验室仿真验证结果表明,算法对幅度稍大的目标转向机动,具有较灵敏的机动检测效果及较强的鲁棒性。     

静止目标纯距离测量下的定位原理与方法研究

针对水下网络战条件下目标定位的特点,分析了纯距离系统可观测的条件,即对静止目标、观测站作直线运动,系统是不可观测的;并通过与同条件下的纯方位系统的对比,得出了在一般情况下,纯距离系统比纯方位系统具有更弱的观测性的结论;给出了估计目标位置参数的一种递推算法,该算法具有形式简单,不需要初值的特点;仿真试验表明,算法具有收敛速度快,精度好,稳定的优点.应用前景良好.     

利用会聚区隐蔽解算目标运动要素的方法

在浅海,当被动声纳探测到目标后,由于舰艇间不断的运动,测得的目标方位随时间的不同而不断地发生变化,利用目标方位的变化,通过纯方位法和滤波估计等方法可解算出目标的运动要素.当声纳利用深海会聚区的声学效应在远距离上探测到目标时,因舰艇被动声纳在隐蔽条件下往往只能测得目标的方位,此时的目标方位随着时间的不同变化很小,难以利用浅海的解算方法求出目标的运动要素.为解决这一问题,基于对深海会聚区声学效应的分析,提出了利用会聚区宽度等特点,采用本舰艇合理机动的方式,来求解目标的运动要素的方法.通过对本舰艇各种可能机动方式的建模和计算机仿真计算的结果可见,该方法可行,且在第一、第二会聚区效果明显.     

基于方位-频率解算目标运动要素的航路选择

基于方位-频率解算目标运动要素解算方法可实现水下观测平台不机动解算目标运动要素,但接敌航路仍影响目标运动要素解算精度及平台隐蔽性。建立了方位-频率目标定位模型,通过仿真分析了不同初始目标舷角下,水下观测平台采用不同接敌航路情况下目标运动要素解算收敛速度和精度,并从保持水下观察平台隐蔽性的角度,探究了不同初始态势下应选择的航路。     

等速运动观测站纯方位系统的可观测性

对等速直线运动单观测站纯方位目标运动分析问题进行了讨论。尽管系统是不完全可观测的,却证明了目标部分运动参数是可估计的,即目标与观察者的相对航向Kr、相对速度与初距离之比Vr/Do是可以解算的;并对可估计参数的有解条件进行了分析。     

基于方位和线谱频移的TMA方法

采用纯方位跟踪(BOT)技术确定运动声源的位置及速度时,需要自身至少机动一次,这给观测带来了一定的限制。而处于舰船噪声低频区的线谱具有很高的强度和稳定度,这一事实为估计目标运动要素提供了新的思路。综合考虑了目标方位和线谱多普勒频移信息,给出了形式简洁,易于实现的滤波公式,消除了机动限制。计算机模拟及海上试验数据表明该方法能够得到稳定有效的解。     

基于IMM滤波器的纯方位机动目标跟踪

针对无源纯方位跟踪中目标机动的问题,提出了一种基于交互式多模型的目标跟踪算法。该算法用伪量测变换估计器(PLE)将纯方位跟踪中非线性观测模型线性化,避免了计算雅克比行列式。机动目标跟踪中通过实时调整模型匹配概率,提高了滤波器对状态变化的跟踪能力。同时该算法实时修正观测噪声协方差,消除目标远离基阵时观测噪声对目标定位的影响。最后通过与MGEKF进行比较,Monte Carlo仿真结果验证了该算法的优越性。     

基于解距离的纯方位观测器最优机动轨迹

目标距离是潜艇进行作战决策和武器使用时考虑的一个重要参数。为了在纯方位观测条件下快速解算目标距离,提出了一种新的几何算法,即利用假想方位与观测器测量方位的几何关系,通过解平面三角形获得目标距离的解析解。对距离误差进行了分析,提出降低距离估计误差的观测器最优机动方案,并求得观测器等速运动时最优机动航向的解析表达式。进一步提出了一种工程简化的次优机动方案,并求得其解析解。所提出的解距离方法和最优机动方案具有理论和工程应用意义。     

时变最优条件数的目标要素解算方法

纯方位目标跟踪是一个典型的非线性问题,伪线性跟踪估计器是理论和工程上解决该问题的一类重要方法。针对纯方位观测模型伪线性化后,系统存在弱可观测性问题,提出了一种时变最优条件数的目标要素解算新方法,理论上给出了一个改善系统可观测性的最优乘数因子。在系统条件数和参数估计的收敛概率两个方面,数值仿真和实验数据验证都表明新方法要优于经典纯方位伪线性化方法。     

纯方位跟踪时利用方位变化规律检测目标机动问题

针对纯方位跟踪中目标变向变速机动导致方位信息可能出现的非平滑变化,首先推导出观测平台与目标均匀速直航时目标方位变化的准确规律,运用最小二乘估计法选取了模型参数并设定了阈值的大小,并设计出具体的算法流程,通过仿真计算,对本算法的可行性进行了验证。结果表明,方位变化规律作为目标机动检测的证据具有一定的可行性,但在一些特殊的态势下,检测灵敏度不高,并对这些态势时行了分析。