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非机动水下三维被动目标运动分析研究

胡友峰  
【摘要】: 在被动定位技术中,被动测距问题一直是被广泛研究的重要课题.虽然现在已有许多不同的被动测距方法,并在实际中具有一定的应用,但测距精度都不很理想.目标运动分析方法(以下简称TMA)是近年来被提出来用于被动定位的一个新的研究方向.它能实现被动情况下的直接测距,且有可能达到更高的精度,因而已经受到广泛的关注.本论文研究的是水声环境中的被动目标运动分析问题,从多参数测量、数据融合等不同的角度探讨了水下三维情形下,单多平台的水下被动目标运动分析的算法与实现。该项研究为水下被动定位系统的设计和实施提供了重要的理论依据和实验仿真分析。本文的主要内容为: 1.通过对水声环境复杂性情况的具体分析,提出了水下三维情形下的目标运动分析基本模型,把水下情况分为相互联系的三种类型,即未知确定深度、已知确定深度的三维情形及同在一个平面的二维情形。它为水下被动TMA研究提供了分析模型和基本依据. 2.研究了水下被动TMA中的可测性问题,证明了一种适合于水下三维情形TMA的可测性判别准则。它避免了直接处理非线性方程带来的复杂性,且可以判别水下大部分的非线性系统的可测性问题。最后针对实际中的两种水下三维情形的被动TMA系统,用上述准则论证了它们的可测性。 3.研究了非机动水下三维纯方位被动TMA问题。在已知确定深度下,采用了PLE-kalman、MLE等多种不同的估计方法,实现了对目标运动参数的估计,并给出了诸因素影响目标估计精度的计算机仿真误差分析结果。该方法克服了纯方位TMA方法中观测平台必需作有效机动的限制,且要求简单。仿真结果还表明:该方法在近场时,具有更好的估计性能。它为近场下的被动精确定位提供了一种有力的技术手段。最后讨论了未知确定深度下该情况的TMA问题。 4.研究了基于方位(包括方位角、高低角)和频率量测下水下三维情形的被动TMA问题。在未知确定深度的情况下,采用多种不同的方法研究了被动TMA的实现,并进行了精度分析。所获得的结论可自然推广到已知确定深度的三维情形及同在一个平面的二维情形的TMA。通过计算机仿真证明了上述方法的有效性和实用性。由于增加了信息量,该TMA方法作用距离更远,估计精度更高,且不必自身机动。 5.从数据融合的角度研究了多平台的被动TMA问题。首先研究了一种基于多方位、频率测量的TMA方法,分别采用集中式、分布式等不同结构来实现。然后研究了多平台基于时延差、方位测量的TMA方法。最后从多参数变化的角度,考察了目标相对速度的大小、方向、平台间非刚性连接等等实际 西北工业大学鹰士 论文 因素变化对估计精度的影响,并给出了典型曲线。仿真结果表明数据融合 方法可以很好地提高目标运动参数的估计精度,为被动测距精度的提高提 供了一条新途径。 6.提出了一种基于多参量测量的具有相关性数据融合的水下被动Te新方 法。研究了具有多组参数测量情况下,分组数据之间的相关性。然后采用 数据融合方法来实现被动TMA。文中以方位角、高低角与多途时延的数据 测量为例,采用上述方法分成具有相关性的两组,数据融合过程中分析了 数组间的相关性,推导了协方差矩阵的表达式。仿真结果表明:该方法可 以有效改善目标参数的估计精度。该方法能综合不同类的数据测量信息. 且能较好地消除不同数据测量间的冗余。它将为水下单艇航行时的被动测 距、跟踪提供了一种具有实用参考价值的新方法。 最后,总结了本文的工作,并对被动TMA问题提出了自己的看法。


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