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基于一体化孔板流量计双航段结合估量的纯方位定位跟踪算法

作者: 来历: 宣布时候:2018-11-05 13:51:51

    择要: 在后人研讨根本上,针对高速活动辐射源方针,提出了更具鲁棒性的基于一体化孔板流量计双航段结合估量的纯方位方针定位跟踪算法。该算法经由进程一体化孔板流量计的两个差别航段飞翔,一次性实现对匀速直线活动方针的间隔、切向速率和径向速率的估量,且在求解进程中不插手任何强迫性的束缚。在典范场景的仿真尝试成果考证了新提出算法的有用性。

    1 弁言
   在古代化战斗中,电子战表演着愈来愈首要的脚色。而对敌方电磁方针的定位与跟踪在电子战范畴具有首要意思。接纳主动体例任务的无源定位手艺具有感化间隔远、隐藏领受、不易被对方觉察的长处,对加强体系在庞杂电磁环境下的保存才能和任务才能具有首要意思。

    一体化孔板流量计疾速无源定位手艺是最近几年来成长zui快的无源窥伺定位手艺,它只要要单个传感器战争台,设备量小、感化间隔远、灵活性好、保存才能强,并且能与空中体系协同操纵。今朝,机载无源定位手艺已使机载电子战体系成为机载电子体系首要的电子设备。

    一体化孔板流量计对牢固方针定位手艺较为成熟,美军在上世纪 90 年月已实现了体系体例考证。绝对比,一体化孔板流量计对活动方针定位手艺处于现实研讨阶段,触及的首要体例有[1 - 6]:

    1) 纯方位定位跟踪体系体例。为实现对活动方针定位跟踪,一体化孔板流量计须要灵活。

    2) 相位差变更率定位体系体例。近似于纯方位定位跟踪体系体例,一体化孔板流量计也须要灵活。因为接纳了相位差变更率,与纯方位体系体例比拟,具有更快收敛速率。

    3) 多普勒频次变更率定位体系体例。在具有高精度提取多普勒频次变更率才能时,该体系体例无需一体化孔板流量计灵活( 须要知足一体化孔板流量计与方针之间存在非径向活动) 。以上体系体例可以或许或许组合操纵。当具有高精度提取多普勒频次变更率和测角才能时,接纳纯方位 +多普勒频次变更率定位体系体例; 当具有高精度提取多普勒频次变更率和相位差变更率才能时,接纳相位差变更率 + 多普勒频次变更率定位体系体例,该体系体例无需机载平台灵活,且定位收敛时候从现实下去说zui短。

    因为在现实良多场景中,方针多普勒频次变更率不易求取( 如新型雷达) 。是以,基于纯方位/相位差变更率的定位算法更具适用性。本文在后人研讨根本上,提出了更具鲁棒性的基于一体化孔板流量计双航段结合估量的纯方位方针定位跟踪算法。该算法经由进程一体化孔板流量计的两个差别航段飞翔,一次性实现对匀速直线活动方针的间隔、切向速率和径向速率的估量,且在求解进程中不插手任何强迫性的束缚。

    2 基于双航段结合估量的纯方位定位跟踪算法
    2. 1 初始航段模子
    图 1 是初始航段中一体化孔板流量计与活动方针的活动学模子。

 

1.jpg

    图 1 中,A1A2和 B1B2别离表现一体化孔板流量计和活动方针的飞翔航迹; A1和 B1别离是发明方针初始时辰一体化孔板流量计与方针所处地位; θ1 和 1 别离为方针航路和一体化孔板流量计航路与连线 A1B1的夹角; Ai12和 Bi12别离是侦收到第 i 个旌旗灯号时一体化孔板流量计与方针在各自航路的地位点; θi 为侦收到第 i 个旌旗灯号时,旌旗灯号绝对一体化孔板流量计航路的方位角。按照物理学中的活动道理,当侦收到第 i 个旌旗灯号时,图 1 中一体化孔板流量计和活动方针之间的间隔Di 知足:

 

2.jpg

    式中: V⊥ 为一体化孔板流量计和活动方针的切向速率总和,θi 为方位角的变更率( 可经由进程基于长基线干与仪体例求取) 。此中,V⊥ 又和 i ( 为侦收到第 i个旌旗灯号时方针航路与该时辰两边地位连线的夹角) 有关。按照一体化孔板流量计和活动方针的多少干系,可得:

 

3.jpg

    令方针在初始时辰的切向速率和径向速率别离为: X = V2 sin1,Y = V2 cos1,则:

 

4.jpg

    从上式中可以或许或许看出 Di 与初始时辰的切向速率 X 和径向速率 Y 有关。别的,按照图 1 的多少干系可知:

 

5.jpg

    因为直线 A1B1平行于 Oi12Bi12,则 δi = θi - θ1, ABi12Oi12 = ( V1 sinθ1 + V2 sin1 ) * ti ( ti 为侦收到第 i个旌旗灯号的时候) ,响应的上式可以或许或许转化为:

 

6.jpg

    从式( 5) 可以或许或许看出,等式只与未知量 X 和 Y有关。须要注重在一体化孔板流量计只停止匀速直线活动
环境下,X 和 Y 不可以或许或许按照式( 5) 列出多个差别时辰的等式求出。这类环境下,实在可以或许或许取得的只是 X 和 Y 的干系。

    从以上阐发可知: 在一体化孔板流量计只停止匀速直线活动环境下,基于初始航段的阐发只能求得切向速率 X 和径向速率 Y 的某种干系。要想求得实在的 X 和 Y,须要取得别的一个只与未知量 X 和 Y 有关的等式。为了处理这一题目,在一体化孔板流量计稳定速环境下,改变一体化孔板流量计的运转航迹。

    2. 2 测距、测速航段模子
    图 2 是一体化孔板流量计在第二段航迹中与方针的活动学模子。图中,A2A3段为一体化孔板流量计停止转弯,在这段时候内方针飞翔至地位 B3点; A3A4和 B3B4别离表现转弯后两边的飞翔航迹; A3和 B3别离是转弯后发明方针初始时辰一体化孔板流量计与方针所处地位; γ 是方针航路与连线 A1B1的夹角; Ai34和 Bi34别离是侦收到第 i 个旌旗灯号时一体化孔板流量计与方针在各自航路的地位点; θ珋i 为侦收到第 i 个旌旗灯号时,旌旗灯号绝对一体化孔板流量计航路的方位角。

 

7.jpg

    从式( 6) 可以或许或许看出,等式也只与未知量 X 和 Y 有关。一样,在一体化孔板流量计只停止匀速直线活动
环境下,未知量 X 和 Y 不可以或许或许按照式( 6) 列出多个差别时辰的等式求出。

 

8.jpg

    2. 3 结合全进程刹时信息的整体zui优求解
    因为式(5) 和(6) 是在差别状况下求得的等式,是以结合它们可以或许或许求出初始时辰的切向速率和径向速率,也即求得方针活动速率 V2 和 1 ( 为侦收到第 1 个旌旗灯号时方针航路与该时辰两边地位连线的夹角) 。而后基于求解出的 V2 和 1,可以或许或许求解出 Di,和方针的切向速率

11.jpg和径向速率12.jpg

    在操纵式(5)和(6)求取绝对间隔和速率时,都是假定测向角 θi 和 θ珋i 为抱负环境下取得。而现实环境下体系所捕获的测向角因为噪声、发抖、测向精度等影响与抱负的测向角存在必然的偏差。这类环境下,操纵式(5) 和(6) 求解绝对间隔和速率会有较大的偏差。针对这一题目的处理方式之一是测向角的拟合。

    测向角拟合体例 1:
    当拟合出的测向角zui迫近抱负环境下捕获的测向角时,则全部初始航段内拟合测向角与实在捕获测向角的均方偏差zui小。

     对现实的体系,测向角的函数情势与两边活动情势有较大干系,在时序上长短线性函数。因为多项式拟合可以或许或许迫近肆意的函数,是以可以或许或许操纵多项式对测向角停止拟合。经由进程遍历多项式的阶数来拟合测向角,并求出对应拟合角与实在测向角的均方偏差。而后,拔取zui小均方偏差所对应的拟合测向角作为zui迫近测向角的拟合测向角。

    测向角拟合体例 2:
    因为体系的测向角与角度变更率是经由进程干与仪侧向体系获得,是以,可以或许或许经由进程对捕获的相位差停止滤波,进而获得光滑的测向角及角度变更率。

    可是拟合的测向角与抱负的测向角仍是存在一点的偏差,是以,只操纵初始航段和测距、测速航段两个刹时时辰的抒发式(5) 和(6) 求得的定位和速率估量精度不高。

    从统计学角度来说,结合全进程的刹时信息求解有操纵消弭噪声带来的影响。是以,可以或许或许结合初始航段和测距、测速航段的一切刹时抒发式(5) 和(6) ,获得: F(X,Y) = 0 (7) X 和 Y 是方针初始时辰的切向速率和径向速率,当对窥伺旌旗灯号实现方针型号辨认时,可以或许或许开端地对其活动速率规模停止估量。是以,式(7) 改变为:

                                    F( X,Y) = 0
                                    sub to:
                                    X1 < X < X2
                                    Y1 < Y < Y2

    可以或许或许基于成熟的线性计划算法对上式停止求解,如 Matlab 中的 linprog 函数。按照求解出的 X 和 Y,可以或许或许算出方针的航向角 1、速率 V2、间隔Di,并可以或许或许反向拟合出测向角 θ珓i,进而可以或许或许有用地估量出刹时的方针切向速率 13.jpg和径向速率

 

14.jpg

    3 仿真阐发
    在场景天生上,一体化孔板流量计和活动方针速率均为 300m /s,一体化孔板流量计和方针初始地位 AM 间隔为100km,一体化孔板流量计测向分辩率为 0. 1°,测向精度为1°( 偶然候也称为固有偏差) ,方针雷达处于延续跟踪形式,数据革新率 50Hz,方针 1 = 30°夹角飞翔,初始航段一体化孔板流量计按 θ1 = 5°夹角飞翔( 用时15s) ,测距、测速航段一体化孔板流量计 γ = 65°夹角飞翔。转弯用时 8 秒。一体化孔板流量计在转弯至测距、测速航段 10s 后停止定位、测速。

    图 3 ~ 5 显现出了停止 100 次蒙特卡洛尝试的仿真成果。从仿真成果可以或许或许看出: 新提出算法不只可以或许或许有用对方针停止定位跟踪,测距、测速航段 15s 后,定位偏差收敛于 3% R; 并且可以或许或许有用地、延续不时地对方针速率停止估量,测距、测速航段 30s 后,速率偏差收敛于 20m /s。

 

9.jpg

99.jpg

 

    4 竣事语
    本文提出了基于一体化孔板流量计双航段结合估量的纯方位定位跟踪算法。该算法的鲁棒性详细表此刻:
    1) 经由进程一体化孔板流量计的两个差别航段飞翔,能延续地对间隔、切向速率和径向速率停止有用估量;
    2) 对一体化孔板流量计从初始航段灵活转弯到测距、测速航段的时候不严酷束缚。

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