纯方位三维运动目标跟踪的不可观测性问题

针对三维空间作匀速直线运动和匀加速直线运动的目标和观测器,利用适当的数学变换以及线性矩阵方程解的性质,对纯方位系统跟踪的不可观测性问题进行了讨论.当目标在匀速直线运动或匀加速直线运动下,观测器保持匀速直线运动时纯方位跟踪系统解不惟一,目标和观测器都作匀加速直线运动时纯方位跟踪系统仍不能求惟一解,该结论对进一步分析观测器的机动策略具有指导意义.     

连续纯方位系統的可观测性分析

证明了连续纯方位观测系统可观测的一个充分必要条件是存在4个方位构成的可观测判别式不等于0，其特点是仅利用方位信息而无需导数信息和求解微分方程。分析了系统不可观测时观测器的运动形态，指出纯方位系统不可观测时，观测器的运动轨迹是一种等效的匀速直线运动观测轨迹。应用这些结论得到了约束假定条件下目标机动的一个判断准则。     

基于声信息的匀加速目标快速目标运动分析解算

目前水下目标运动分析（TMA）基本上以目标作匀速运动为前提进行研究,而少有以目标做匀加速运动为前提的TMA解算研究。提出一种在观测平台不机动时求解匀加速直线运动目标参数的内点-Levenberg-Marquard解算方法,并结合多普勒效应双模型与解算方法,提出一种参数搜索优化方法,使得求解参数的过程快速收敛。仿真结果表明,所提解算方法能够有效地求解匀加速直线运动目标的运动参数,并且降低了对本艇机动的依赖程度。     

双机协同纯方位目标跟踪研究

根据双机被动传感器接收到的空中目标俯仰角和方位角,利用非线性滤波算法即可估计出目标的位置和速度等运动参数。建立了双机协同对目标作纯方位跟踪的数学模型,在对EKF,UKF,PF几种代表性的非线性滤波算法进行理论分析、仿真比较的基础上,得出EKF更适合应用于双机协同纯方位目标跟踪的结论。采用EKF对四个场景进行Monte—Carlo仿真,结果表明：经过大约50S,距离误差曲线收敛于2．5km,速度误差曲线则逐渐收敛于零,该算法具有较好的稳定性和估计精度。对不同场景的仿真结果分析表明：双机分别作直线运动和蛇行机动的纯方位目标跟踪效果优于同时作直线运动,也优于同时作蛇行机动。     

基于新型扩张观测器的导弹滑模制导律

针对已有滑模制导律未考虑系统量测噪声的问题,提出了基于新型扩张状态观测器的导弹滑模制导律。该方法通过新型扩张状态观测器观测目标加速度并实时补偿滑模制导律,使导弹拦截机动目标时脱靶量更小,提高了拦截性能。仿真结果表明,基于新型扩张状态观测器设计的滑模制导律相较于传统的滑模制导律鲁棒性更强,具有工程实用性,也验证了新型扩张状态观测器的有效性。     

基于目标机动预估的空空导弹可发射区建模及仿真分析

为适应空战中目标逃逸机动的剧烈态势变化,提出了基于目标机动预估的空空导弹可发射区问题,并进行了概念定义; 设计了机动预估模型,根据导弹与目标的相对方位信息,从战术层面对目标逃逸机动方式进行一步预估; 基于多种实际约束,建立了导弹、目标和相对运动模型; 针对黄金分割法在对可发射区解算时存在搜索范围不完备的问题,提出了初始搜索空间自适应动态修正的改进办法; 利用改进的黄金分割搜索策略,实现对可发射区边界值的快速精确搜索。仿真结果表明,基于目标机动预估的可发射区简化了不可逃逸问题的搜索时间,扩大了导弹的攻击范围,有利于导弹战术使用性能的充分发挥。     

基于地形信息约束的地面目标纯方位跟踪方法

基于改进纯方位跟踪一般方法的不稳定性,结合地形信息约束建立目标运动模型,提出一种带量测噪声的多方位测量的机动目标跟踪方法,在充分挖掘地形信息的基础上,引入伪测量并将其结合到目标状态方程和量测方程中,以改进量测信息的不连续性;然后,采用改进粒子滤波对受限运动目标的状态进行估计;最后进行的仿真分析表明,文中的方法不仅可以降低对观测者机动性的要求,而且可以提高目标状态估计的可观测性和跟踪精度.     

基于IMM-UKF的非线性机动目标跟踪仿真研究

在处理非线性强机动目标跟踪问题时,扩展卡尔曼滤波方法跟踪误差大、容易引起滤波发散,同时其系统模型可能随时间变化,不能应用传统的线性滤波方法以及单一状态模型来处理该类问题.假设在整个跟踪过程中,运动由水平匀速运动、俯冲运动和爬升运动3部分组成,目标量测由斜距、方位角和高低角组成,并基于此建立了目标运动状态模型和观测模型,给出了模型转换矩阵,设计了基于IMM-UKF滤波器,并进行了仿真.结果表明,该方法可以以较高精度跟踪非线性机动目标运动状态,同时具有较高的收敛速度.     

一种提高雷达导引头对机动目标跟踪性能的自适应滤波算法

为了提高地空拦截弹雷达导引头对机动目标状态估计的精度,在增加系统观测量的基础上,提出了一种针对机动目标跟踪的自适应滤波算法。利用量测残差统计值估计目标的机动状态,自适应的调整状态方程机动频率和加速度极限值;同时利用观测噪声统计估值器,调整观测值方差大小。仿真试验结果表明该算法具有良好的机动目标跟踪性能,并能自适应变化较大的观测噪声。     

基于线谱瞬时频率估计的被动声纳目标运动分析

针对被动声纳探测目标,提出了一种基于线谱瞬时频率估计的目标定位跟踪算法。该算法通过利用声纳探测目标的跟踪波束信息,建立高精度瞬时频率跟踪提取与多特征联合的目标定位跟踪模型,完成对目标高精度多普勒频移信息的实时提取。基于多特征观测方程,实现了对目标的定位与跟踪。仿真实验和海上试验结果表明：该算法可在观测平台不机动情况下,完成对目标的快速定位与跟踪;在相同平台机动条件下,相比传统纯方位算法,该算法的要素解算性能更加稳定,解算收敛时间缩短约4 min,进一步增强了工程适用性。     

Unobservable Problem of Target Tracking with Bearing-only Measurements in 3-dimensional Space

The bearings-only tracking （BOT） system is said to be observability if and only if the target motion parameters can be uniquely determined by noise-free bearing measurements. By utilizing the method of orthogonal vectors and charac- teristic of linear matrix equation, the problem of observability for BOT in noise-free bearings measurements from single ob- server is discussed based on the target and observer traveling in the 3-dimensional space. A proposition that BOT for target and observer traveling in the 3-dimenslonal space with constant acceleration remains unsolvable is presented and proved. By proving the proposition, it is also shown that some, motion parameter ratios of target can be estimated under certain condition satisfied by measurements and time samples. The proposition is extended to arbitrary rank of manoeuvre for the observer and the target, which BOT remains unobservable property while the rank of target manoeuvre is higher than that of the observer manoeuvre. The theoretical analysis of this paper provides the guidelines for how the observer trajectory should be formulated to avoid unobservable state for BOT in practice application.     

一种三维非线性免疫变结构制导律

针对导弹拦截过程中对目标机动未知的问题,将滑模变结构理论与免疫反馈理论相结合,设计了一种非线性免疫自适应变结构制导律。该方法首先根据李亚普诺夫稳定性理论,在滑膜变结构制导律的基础上,对目标的机动加速度进行自适应估计,消除了拦截过程中机动加速度干扰的非线性影响。其次应用免疫反馈的抗干扰和鲁棒性能,对滑模变结构控制中出现的抖振现象进行抑制和补偿。仿真结果表明,该制导律在目标作机动变速逃逸时仍能取得较好的拦截效果。     

考虑目标机动和落角约束的二阶滑模制导律

针对末制导阶段导弹以期望的终端落角攻击高机动目标的需求,将Super-twisting算法与自适应滑模扰动观测器相结合,提出一种满足终端落角约束的二阶滑模制导律。目标机动带来的干扰导致系统扰动的上界未知,将目标加速度视为系统扰动,设计自适应滑模扰动观测器对系统扰动进行在线估计,通过对观测器增益进行自适应调整,克服传统观测器选取增益时依赖扰动上界的缺陷。设计改进的Super-twisting算法作为制导律的趋近律,在降低抖振的同时使制导律可充分利用导弹的过载能力,从而提升系统的收敛速度,解决传统Super-twisting算法中系统状态远离平衡点时收敛速度慢的问题。基于李雅普诺夫稳定性理论,证明该制导系统能在有限时间内收敛。数学仿真结果表明：自适应滑模扰动观测器和所设计制导律有效,自适应滑模扰动观测器能够准确跟踪系统扰动,所设计的制导律能够满足期望的终端落角约束,且具有较高的命中精度,脱靶量小于0.2 m。     

基于角测量的机动目标跟踪算法

利用角测量估计目标的距离和速度实质上是一个非线性状态估计问题,这种单站被动式跟踪可能构成一个不可观测系统,将导致跟踪滤波器的不稳定和发散。本文针对反直升机雷构成的雷群进行目标定位和跟踪,利用最小角度差算法对目标的位置进行静态估计,用基于“当前”统计模型的自适应滤波算法进行数据处理,最小角度差算法的估计结果作为自适应滤波的观测值;算法简单而且有效,对目标的机动和非机动运动参数都能得到良好的估计结果。     

基于质点振速测量的低空目标定向算法研究

声测被动定向是声学监视技术的重要研究内容。为实现对低空运动目标的声学监视,提出一种基于声矢量传感器原理的被动定向方法,推导出基于质点振速测量的定向算法,采用实测噪声信号对定向算法进行数值仿真,结果表明：当传感器尺寸为0.3 m、信号信噪比为0 dB时,定向精度在2°以内。通过外场实验,研究该传感器的质点振速指向性,得到了其质点振速指向性图,该传感器具有较好的空间指向性。外场实验证明：该定向算法具有较高的定向精度,能够用于低空目标的声测被动定向,有较好的应用前景。该研究成果可直接周于空中运动目标,如飞机、导弹和无人机等目标的声测被动定向。     

非典型声强向量阵对体积目标定向的基阵共用技术研究

舰船在近距离上应视为体积目标,提出利用非典型声强向量阵对体积目标各部位定向的基阵共用技术。体积目标中部、中后部辐射的低频声源用声强度向量法定向,尾部的高频声源用自适应有限冲击响应(FIR)高精度时延估计法定向,共用同一小尺度基阵。为验证此方案,在半消声室进行了非典型声强向量阵的定向实验,用3个扬声器模拟体积目标3个不同部位的声源。实验结果表明：对这3个部位的定向可取得满意的精度,且这3个不同部位可分。本项研究为在小尺度平台上同时实现对舰船三辐射声亮点的定向开辟了途径。     

高阶滑模制导律的设计与实现

针对机动目标拦截问题,应用高阶滑模控制方法,设计了高精度制导律。在制导律设计过程中,针对目标机动,基于增广比例导引设计了滑模变量,考虑二阶弹体动态特性,设计了二阶滑模制导律。应用高增益扩张状态观测器对制导信息进行估计,完成了制导律的实现。数值仿真结果验证了方法的有效性。