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。     

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     

纯方位目标运动分析的离散时间可观测性和可估计性分析(续)

6 源速度变化的未知时刻 到目前为止(第四、五部分),假定源机动的时刻是已知的。下面,象上述那样,假定一个边接边的源轨迹,我们把前面的可观测性分析推广到源速度变化的未知时刻。 我们考虑下面的阶跃线性系统(参见(5)、(14)、(24)、(30)式)     

纯方位定位中的“Legs”机动方式与系统的可观测性

由多个等速直线运动段组成的观察站运动方式,称为“Ｌｅｇｓ”机动方式,所谓的纯方位系统是可观测的,是指系统在纯方位观察条件下,能唯一地求解出目标的运动参数。讨论了“Ｌｅｇｓ”机动方式,对纯方位目标定位系统可观测性的影响,建立了该模式下系统可观测的必要条件。     

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.     

单站纯方位目标跟踪系统可观测性分析

针对单站纯方位目标跟踪系统的可观测性,在研究国内外有关状况的基础上,给出了单站纯方位目标运动分析的问题描述,综述了国内外的研究和发展情况,给出了由观测可观测性的一些结论和证明.其中对某些经典的结论给出了简单、明了的证明方法,这些有助于该问题的深入理解和研究.     

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。     

基于方位角和多普勒的机动目标无源定位跟踪可观测条件

可观测性分析是无源定位与跟踪系统的前提和基础,只有满足可观测条件才能对系统进行正确求解。应用线性系统理论,以目标方位角和多普勒频率为观测量,对匀加速和匀转弯这两类最常见的机动目标进行了可观测分析,为进一步研究机动目标的无源定位与跟踪提供了理论前提。最后给出了仿真实例,验证了理论分析的正确性。     

多传感器系统纯方位定位与可观测性分析

对多静止测向站系统的可观测性、定位方法进行了分析和研究。通过运动等效,将多静止站系统转化成一个特殊的单运动测向站问题。采用拟线性方法,建立了纯方位多传感器系统目标定位问题的数学描述,并分析了系统的可观测性条件。提出了两种目标被动定位的融合递推算法,它们可以以标量的形态递推计算,具有实时性高、可计算性好的优点。     

一种单站无源定位方法及其可观测性分析

利用非线性系统可观测性定理分析了径向加速度信息在目标运动分析(TMA)中的可观测性问题,得到径向加速度观测所能确定的目标状态参数及其需要满足的观测条件,从而证明一种联合径向加速度和角度信息的单站无源定位方法的可行性,并分析其可观测条件和可观测度。通过计算机仿真验证了讨论的结果。     

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.     

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。     

兰维纯方位目标跟踪的可观测性

本文对三维纯方位目标跟踪系统的可观测性问题做了较为全面的分析,得出了一般情况下的可观测性判据,并针对目标定深等特殊情况进行了讨论。本文采用的将三维系统分解为三个二维子系统的方法,物理意义明确,有助于理解三维情形与二维情形的可观测性特点及其相互间的关系。     

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.     

固定单站无源定位可观测性及仿真分析

针对强非线性系统固定单站无源定位可观测性分析困难的问题,提出基于线性系统可观测理论的分析方法并进行了仿真验证。首先以目标角度、角速度和多普勒频率变化率为观测量,通过对观测方程的伪线性化处理,避免求解复杂的雅克比矩阵,而后对匀速、匀加速直线运动和匀转弯运动进行可观测分析,得出可观测条件,为进一步研究提供了理论前提。最后通过仿真实例检验了可观测性理论分析的正确性。     

降秩目标运动分析估计的融合

研究在不完全可观测条件下的纯方位目标运动分析问题。目标和观测者的轨迹均是直线匀速运动型(RUMs)。首先为这种RR-TMA(降秩目标运动分析)估计建立一个特别的方法,然后就建立两个(或更多个)RR-TMA估值统计融合成完全的可观测的TMA。很明显,第二步是解析性的。最终在适当的量测误差范围内,表明了这种融合算法是有效的。还列举了一些在雷达和声呐跟踪问题中的应用,尤其是在大规模的多平台情况下碰到这些问题,在这种情况下多假设的组合测试也是一个大问题,或者在长时间的运动目标积分中,搜索网格降维是关键。     

纯方位角目标运动分析的可观测性研究

纯方位角目标运动分析的可观测性是纯方位角观测系统中的一个基本问题.只有解决了系统的可观测性,才能进行有效的目标定位及跟踪.从随机系统的角度分析了纯方位角观测系统的可观测性,引入状态参量的Fisher信息矩阵作为判断系统可观测性的依据,提出了完全不同于判定确定性系统可观测性的随机观测系统可观测性的判定方法.最后给出了一个静止目标纯方位角观测系统的实例,说明了该方法的有效性.     

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。     

基于空频域信息的单站无源定位可观测分析

对利用空频域信息的单站无源定位方法进行可观测性分析。针对非线性系统的可观测性理论需要计算复杂的雅克比矩阵的问题,提出把观测方程先经过伪线性化处理,然后运用线性系统的可观测性分析的理论,对匀速、匀加速直线运动进行了具体分析,得出只要目标不朝观测站作径向运动都是可以对其进行观测的。实验结果也验证了分析结论的正确性。