本文關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多參數(shù)定位算法研究

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【摘要】：在過(guò)去的幾十年中,由于目標(biāo)定位技術(shù)在雷達(dá)、聲吶、導(dǎo)航、電子偵查、緊急救援、無(wú)線通信等多種軍用和民用領(lǐng)域中具有重要的作用,因此得到了廣泛的研究與應(yīng)用。在常見(jiàn)的定位系統(tǒng)中,目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定了接收信號(hào)的多個(gè)參數(shù),如何利用這些參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位是研究中的重點(diǎn)。特別是對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或者運(yùn)動(dòng)觀測(cè)站條件下的定位問(wèn)題,如何利用高度非線性的多普勒頻率和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位是當(dāng)前研究中的一個(gè)難點(diǎn)。本文針對(duì)多種場(chǎng)景下的定位問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究,主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)包括:1.對(duì)基于到達(dá)時(shí)間差(TDOA)和到達(dá)頻率差(FDOA)聯(lián)合的被動(dòng)定位問(wèn)題進(jìn)行了研究。從信號(hào)的實(shí)際接收過(guò)程出發(fā),建立了包含時(shí)頻差和相位差的多站接收信號(hào)模型。在此信號(hào)模型下提出了一種不進(jìn)行時(shí)頻差估計(jì)而直接利用所有接收數(shù)據(jù)進(jìn)行定位的極大似然(ML)估計(jì),并分析了對(duì)應(yīng)的克拉美羅下界(CRLB)。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明了所提直接定位方法在定位精度上優(yōu)于現(xiàn)有的兩步定位方法。2.對(duì)基于時(shí)延和多普勒頻率的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)主動(dòng)定位問(wèn)題進(jìn)行了研究,主要對(duì)其中的分布式MIMO雷達(dá)定位進(jìn)行了研究。提出了一種利用時(shí)延和多普勒頻率估計(jì)進(jìn)行定位求解的分組兩步加權(quán)最小二乘(2WLS)算法。該算法綜合利用了時(shí)延和多普勒頻率信息,能夠同時(shí)估計(jì)目標(biāo)的位置和速度,并且具有顯式的求解過(guò)程,因此計(jì)算簡(jiǎn)單,而且不需要初始值。在時(shí)延和多普勒頻率測(cè)量誤差較小的條件下,所提算法對(duì)目標(biāo)位置與速度的估計(jì)精度均可達(dá)到CRLB界。3.對(duì)基于唯多普勒頻率測(cè)量的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位問(wèn)題進(jìn)行了研究。研究了一種主動(dòng)定位和一種被動(dòng)定位中的唯多普勒頻率觀測(cè)模型,并將這兩種觀測(cè)模型進(jìn)行了統(tǒng)一。對(duì)于唯多普勒頻率定位求解的問(wèn)題,現(xiàn)有可行的方法只有網(wǎng)格搜索法或者局部?jī)?yōu)化方法,前者計(jì)算量巨大,后者需要良好的初始值并且求解過(guò)程可能會(huì)發(fā)散。為了解決這個(gè)問(wèn)題,本文提出了使用凸優(yōu)化方法來(lái)進(jìn)行定位求解:在觀測(cè)站靜止和運(yùn)動(dòng)的條件下,分別提出了一種直接SDP算法和一種差分SDP算法來(lái)近似求解唯多普勒頻率定位ML估計(jì)。所提方法能夠同時(shí)估計(jì)目標(biāo)的位置和速度,并且沒(méi)有初始值選擇和求解過(guò)程發(fā)散的問(wèn)題。4.對(duì)運(yùn)動(dòng)觀測(cè)站通過(guò)唯多普勒頻率測(cè)量定位靜止目標(biāo)的問(wèn)題進(jìn)行了研究。由于現(xiàn)有的可行定位求解方法仍然只有網(wǎng)格搜索法或者局部?jī)?yōu)化方法,于是提出了一種2WLS方法、一種間接SDP方法和一種直接SDP方法。其中,2WLS方法具有顯式的求解過(guò)程,SDP方法為凸優(yōu)化方法,三種方法都不需要初始值并且沒(méi)有發(fā)散的問(wèn)題。然后揭示了對(duì)于靜止目標(biāo)的多普勒頻率測(cè)量和線陣方向測(cè)量之間具有可以相互等效的內(nèi)在聯(lián)系。在二維平面定位問(wèn)題中,研究了將多普勒頻率測(cè)量等效為線陣方向測(cè)量的方法,從而利用二維平面中的交叉定位方法進(jìn)行定位求解。在三維空間定位問(wèn)題中,研究了將多普勒頻率測(cè)量和線陣方向測(cè)量相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)俯仰角和方位角測(cè)量的方法。最后,對(duì)于三維空間中每個(gè)觀測(cè)站僅通過(guò)一個(gè)線陣測(cè)向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行定位的問(wèn)題,傳統(tǒng)測(cè)向定位算法無(wú)法有效求解。針對(duì)這一難點(diǎn),本文提出了將線陣方向測(cè)量等效為多普勒頻率測(cè)量從而通過(guò)所提多普勒頻率定位算法進(jìn)行定位求解的方法。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提的參數(shù)轉(zhuǎn)換定位方法具有較好的定位性能。5.對(duì)基于TDOA和到達(dá)幅度比(GROA)聯(lián)合的被動(dòng)定位問(wèn)題進(jìn)行了研究。首先在參數(shù)測(cè)量模型的基礎(chǔ)上構(gòu)造了約束加權(quán)最小二乘(CWLS)估計(jì),然后分別提出了一種SDP方法對(duì)其進(jìn)行近似求解和一種多項(xiàng)式求根(ROOT)方法對(duì)其進(jìn)行直接求解。由于CWLS問(wèn)題的特殊性質(zhì),所提SDP方法和ROOT方法在一般條件下都能夠求到CWLS問(wèn)題的最優(yōu)解,因此其定位精度比現(xiàn)有的近似求解CWLS問(wèn)題的2WLS方法更高。
【關(guān)鍵詞】：被動(dòng)定位 時(shí)頻差定位 時(shí)延和多普勒頻率定位 唯多普勒頻率定位 半正定規(guī)劃
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN911.7
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 緒論14-22
• 1.1 研究背景及意義14-15
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-20
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容20-22
• 第二章 基于時(shí)頻差的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)被動(dòng)定位22-53
• 2.1 引言22-23
• 2.2 時(shí)頻差信號(hào)模型23-27
• 2.2.1 時(shí)延和多普勒效應(yīng)23-24
• 2.2.2 信號(hào)接收系統(tǒng)24
• 2.2.3 頻域信號(hào)模型24-27
• 2.3 直接定位極大似然估計(jì)27-38
• 2.3.1 算法推導(dǎo)27-28
• 2.3.2 與現(xiàn)有算法的區(qū)別和聯(lián)系28-31
• 2.3.3 克拉美羅下界31-33
• 2.3.4 仿真實(shí)驗(yàn)33-38
• 2.4 基于時(shí)頻差估計(jì)的定位解算算法38-52
• 2.4.1 極大似然估計(jì)40-41
• 2.4.2 兩步加權(quán)最小二乘法41-44
• 2.4.3 約束加權(quán)最小二乘法44-46
• 2.4.4 拉格朗日乘數(shù)法46-47
• 2.4.5 半正定松弛法47-50
• 2.4.6 各種算法的區(qū)別與聯(lián)系50-52
• 2.5 本章小結(jié)52-53
• 第三章 基于時(shí)延和多普勒頻率的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)主動(dòng)定位53-68
• 3.1 引言53-54
• 3.2 分布式MIMO雷達(dá)觀測(cè)模型54-56
• 3.3 極大似然估計(jì)及克拉美羅下界56-58
• 3.3.1 極大似然估計(jì)56-57
• 3.3.2 克拉美羅下界57-58
• 3.4 兩步定位法58-67
• 3.4.1 分組兩步加權(quán)最小二乘法60-64
• 3.4.2 仿真實(shí)驗(yàn)64-67
• 3.5 本章小結(jié)67-68
• 第四章 基于唯多普勒頻率的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位68-85
• 4.1 引言68
• 4.2 靜止觀測(cè)站唯多普勒頻率定位運(yùn)動(dòng)目標(biāo)68-76
• 4.2.1 觀測(cè)模型69-70
• 4.2.2 直接半正定松弛定位算法70-74
• 4.2.3 差分半正定松弛定位算法74-76
• 4.3 運(yùn)動(dòng)觀測(cè)站定位運(yùn)動(dòng)目標(biāo)76-80
• 4.3.1 觀測(cè)模型及克拉美羅下界76-77
• 4.3.2 直接半正定松弛定位算法77-79
• 4.3.3 差分半正定松弛定位算法79-80
• 4.4 仿真實(shí)驗(yàn)80-84
• 4.4.1 觀測(cè)站靜止時(shí)的定位仿真81-83
• 4.4.2 觀測(cè)站運(yùn)動(dòng)時(shí)的定位仿真83-84
• 4.5 本章小結(jié)84-85
• 第五章 基于運(yùn)動(dòng)站唯多普勒頻率的靜止目標(biāo)定位85-115
• 5.1 引言85-86
• 5.2 多普勒頻率觀測(cè)模型86-87
• 5.3 唯多普勒頻率定位求解算法87-100
• 5.3.1 兩步加權(quán)最小二乘法87-92
• 5.3.2 間接半正定松弛法92-95
• 5.3.3 直接半正定松弛法95-97
• 5.3.4 仿真實(shí)驗(yàn)97-100
• 5.4 多普勒頻率測(cè)量與直線陣列測(cè)向100-115
• 5.4.1 多普勒頻率測(cè)量等效為線陣測(cè)向100-103
• 5.4.2 二維平面中多普勒頻率測(cè)向定位算法103-107
• 5.4.3 三維空間中多普勒頻率測(cè)量和線陣測(cè)向聯(lián)合定位107-111
• 5.4.4 三維空間中僅線陣測(cè)向的定位算法111-114
• 5.4.5 本章小節(jié)114-115
• 第六章 基于到達(dá)時(shí)差和到達(dá)幅度比的定位115-126
• 6.1 引言115
• 6.2 測(cè)量模型115-117
• 6.3 無(wú)自定位誤差時(shí)的定位算法117-120
• 6.3.1 半正定松弛方法117-119
• 6.3.2 多項(xiàng)式求根方法119-120
• 6.4 存在自定位誤差時(shí)的定位算法120-121
• 6.5 算法之間的關(guān)系121-122
• 6.6 仿真實(shí)驗(yàn)122-125
• 6.6.1 無(wú)自定位誤差下的定位仿真123-124
• 6.6.2 存在自定位誤差下的定位仿真124-125
• 6.7 本章小結(jié)125-126
• 第七章 總結(jié)與展望126-128
• 7.1 全文工作總結(jié)126-127
• 7.2 研究工作展望127-128
• 致謝128-129
• 參考文獻(xiàn)129-142
• 攻博期間取得的研究成果142-143

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本文編號(hào)：581253