基于高度角随机模型的GNSS外辐射源雷达定位算法

针对GNSS外辐射源雷达定位时不同卫星对定位的误差贡献不同的问题,提出基于高度角随机模型的定位算法,理论分析目标位置估计量的克拉美罗界和统计特性,并计算卫星位置误差和地面站位置误差对定位误差的影响。仿真结果表明:所提出算法对不同GNSS卫星的直射、反射路径的伪距差测量值误差进行了合理分配,定位性能达到了克拉美罗界,且不会因为选星方案的改变而大幅恶化。对地面站位置误差和卫星位置误差的分析表明:地面站位置的标准差小于10 cm、卫星位置的标准差小于1 km时对定位总误差的贡献可以忽略不计。

基于均匀线性阵列的超大规模MIMO混合场信道估计算法

超大规模MIMO(extremely large-scale massive MIMO,XL-MIMO)是未来6G通信的关键技术之一。现有的XL-MIMO混合场信道模型大多对均匀线性阵列和单天线用户之间信道建模,且采用散射体最后一跳模型。若收发双端均配备线性阵列,现有的混合场信道估计方案将不再适用。为此,针对收发端均部署超大规模线性阵列的XL-MIMO场景,采用Saleh-Valenzuela模型进行信道建模,并提出了一种基于正交匹配追踪(OMP)的混合场信道估计算法。该算法首先利用角域变换矩阵对远场分量进行估计,然后通过极域变换矩阵估计近场分量。此外,引入克拉美罗-下界(CRLB)对所提算法进行评估。仿真结果表明,提出的混合场估计算法相较于仅考虑远场和近场的估计算法在信道估计性能上有约0.6 dB的提升。

用于正弦波频率估计的修正I-Rife算法

对正弦波信号的频率估计是雷达领域常见的问题。当真实频率接近量化频点时,I-Rife算法的频移因子的计算会产生较大误差,为提高频率估计的精度,本文通过分析Rife及I-Rife算法的性能及误差产生的原因,利用频谱细化的方法,提出了一种修正I-Rife算法,即用峰值频点左右各0.5点处的频谱幅值来替代频谱峰值点的幅值和次大值频点处的幅值进行插值计算,对频率偏移值进行更为准确的估计,在计算量与I-Rife算法几乎相同的情况下,有效地提高了频率的估计精度。仿真结果表明,改进后的I-Rife算法整体性能优于I-Rife算法,且估计的均方根误差更接近于克拉美-罗下界。

基于自适应UKF的卫星星座自主导航方法

针对卫星星座自主导航系统中存在的模型不确定性及难以准确获取的时变系统噪声统计特性影响导航精度的问题,提出了一种系统噪声在线自适应调整的UKF算法。基于所提出的自适应UKF算法设计了一种基于星间相对测量的卫星星座自主导航方法,该方法结合奇异值分解和比例修正的采样策略,解决了应用UKF时易出现状态误差方差阵丧失正定性而导致的Cholesky分解无法进行的问题。通过在低轨区域星座和中轨全球星座上的仿真实验,验证了该算法在提高滤波精度以及改善状态估计置信度方面的有效性,所提算法的定轨精度优于EKF算法、自适应EKF算法以及基于对称采样策略的UKF算法。采用CRLB分析法对导航算法的估计性能进行了分析验证。

基于改进Chrip-Z变换的高精度频率估计算法

为解决栅栏效应对频率估计精度的影响,提升频率估计的精度和抗噪性能,提出了一种基于改进Chrip-Z变换(CZT)的高精度频率估计算法。将频率估计的过程分成粗估计和细估计两个过程,使用FFT算法对信号进行频域分析,获得信号频率粗估计值,基于信号频率的粗估计值确定频率的细化区间,使用CZT算法对该区间的频谱进行细化,使用细化后频谱最大谱线及其左右谱线的幅值对频率估计值进行修正,得到精确的频率估计值。仿真表明,该算法能够以较低的细化倍数,获得高精度频率估计值,且具有较好的抗噪性能。使用FMCW雷达进行测距实验,验证了该算法的实际应用效果优于现有算法。

机动目标跟踪误差CRLB计算与分析

克拉美-罗下限(CRLB)作为参数估计所能达到的最低误差限,常被用来衡量算法估计性能的优劣程度。以转弯机动为例,研究了有源(主动)和无源(被动)两种观测条件下目标跟踪CRLB计算的一般方法,并通过矩阵理论分析了目标机动可能引起的CRLB突变的原因,为机动目标跟踪的算法性能评估提供了有效手段。最后给出了仿真算例。

非线性滤波CRLB推导及在目标跟踪中的应用

针对可叠加零均值高斯白噪声的非线性滤波,利用无迹变换,推导出理论上的误差性能下界Cramér-RaoLow Bound(CRLB)。在利用光电信号对目标进行纯方位角跟踪中,提出一种次优的非线性滤波算法——距离参数化无迹卡尔曼滤波(RPUKF)。仿真中将其和距离参数化扩展卡尔曼滤波(RPEKF)的性能曲线以及理论性能下界做了比较。结果表明,两种次优算法的曲线逐渐逼近理论下界,且PRUKF性能更优。

已知波形信号的时差频差估计方法研究与性能分析

借助深入分析和长期积累,非合作定位系统可以获得关于电视、广播、导航等电磁信号波形的丰富先验信息,对这些信息加以利用有望大幅提高对信号参数的估计精度。该文针对导航、通信等欺骗干扰源及非法用户的无源定位需求,在观测站与辐射源之间存在相对运动的场景下,围绕已知波形信号开展时差频差估计问题研究。首先,通过引入已知的信号波形信息对观测站接收数据进行建模,直观呈现了观测数据与不同观测站信号相对于原始信号时延、频移的关系。随后,充分利用入射信号波形已知这一有利条件,通过估计两个观测站各自的时延和频移,并对不同观测站上的估计结果进行差分,提出了一种针对已知波形信号的双站时差、频差估计方法。在此基础上,该文分析了已知波形信号时频差估计精度的理论下界,揭示了时频差估计精度受观测站接收信号幅度等因素的影响情况,并进一步分析了双站时频差估计精度与单通道时延、频移估计精度之间的关系。最后,借助仿真实验验证了论文所提出的时频差估计方法在不同环境中的参数估计性能,以及信号波形先验信息的利用给时频差参数估计精度带来的提升情况。仿真结果表明,在所设定的信号环境中,该文所提出的方法对低信噪比的适应能力比基于互模糊函数的传统方法增强了15 dB左右;当该方法的参数估计性能达到收敛之后,其时差频差估计精度与CRLB非常吻合。

运动多站无源时差定位的CRLB推导与分析

针对利用多次时差测量的运动多站无源定位精度问题,依据最小均方误差无偏估计理论,推导出基于克拉美-罗界的多次时差理论定位精度,并分析了布站构型、时差测量和测量速率等因素对时差理论定位精度的影响。结果表明,通过合理布站、加快测量速率等手段可明显提高运动多站无源定位精度。理论分析与结论对确定运动多站定位系统技术指标和衡量定位系统性能具有实用价值。

基于脉冲串信号的无源定位系统频差估计误差CRLB分析

频差估计是无源定位系统中的关键部分,其估计精度直接决定了无源定位系统的性能。本文对单频脉冲信号频差估计误差方差的Cramer-Rao下限(CRLB)进行了理论分析研究。在建立数学模型的基础上,定量分析了频差估计误差CRLB与接收信号参数的数学关系。通过直接公式推导和数值仿真归纳,分别得出了相参/非相参单频脉冲信号频差估计误差CRLB的解析表达式,该结论可用于指导基于频差估计的无源定位系统设计。

基于系统物理参数测量和几何关系的车辆定位

对采用可见光通信(Visible Light Communication,VLC)的车辆定位方法进行了研究,研究、分析并比较了4种基于VLC的车辆定位方法;基于假设的系统模型和接收到的VLC信号数学模型,分析了每种方法所采用的TX位置与系统物理参数的测量过程,利用这些参数与TX位置之间的几何关系构成一个观测模型,获得车辆位置估计;基于VLC定位方法的观测模型得到每种方法关于位置精度的Cramer-Rao下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB);在一般有限传播延迟、视距(Line of Sight,LoS)和加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)的VLC信道模型下,对于真实道路的避碰和列队行驶场景,仿真了每种方法的系统物理参数测量,并基于测量结果,对每种方法的定位精度的CRLB进行了评价。

基于多目标CRLB的分布式相干MIMO雷达阵列优化

根据分布式相干MIMO雷达的工作原理和空间多目标信号模型,在目标位置估计的基础上,推导证明了多目标位置估计的克拉美罗下界(Cramer-Rao lower bound,CRLB)。在对比单目标条件下阵列优化的前提下,提出了基于多目标空间分集增益和目标互扰模型的优化布阵准则,同时分析论证了多目标条件下优化布阵存在的必然性,给出了均匀非对称水平布型为优化布阵的结论。仿真实验验证了理论分析的正确性。

不完全量测下基于事件触发机制的面目标跟踪系统CRLB

面目标跟踪系统状态估计问题中,附加的强非线性面目标扩展测量会增加系统的通信量和估计中心的计算量.为此,基于工程应用,提出一种不完全量测下的事件触发机制来控制面目标测量传输.从理论上推导了事件触发机制下面目标跟踪系统的理想(枚举)克拉美罗下界(Cramer-Rao lower bound,CRLB)和统计意义下的CRLB,该统计意义CRLB为理想CRLB的下界,计算复杂度远小于理想CRLB,便于工程应用.典型测试航路下的仿真结果表明:不完全量测下,面目标跟踪系统CRLB明显小于传统质点目标跟踪系统CRLB;同时,利用所提事件触发机制,可在大幅减少面目标跟踪系统通信量的同时保证系统的最优估计性能.

多天线PSK信号合成权值估计的CRLB研究

在多天线信号合成中,合成权值估计直接影响信号合成的输出增益。针对合成权值估计性能问题,充分利用了多天线接收信号含有相同的信息,将单路信噪比估计的克拉美罗下界推广到多天线信号联合的合成权值估计中,并给出了多天线协同接收的BPSK和QPSK信号权值估计的克拉美罗下界。理论分析表明,同传统单天线接收相比,在多天线协同接收条件下非数据辅助合成权值估计具有更低的克拉美罗下界,而且在低信噪比下优势尤为明显。因此利用多天线信号间的互信息可以有效提高合成权值估计的性能,从而减少多天线信号合成的增益损失。

多天线协同接收PSK载波参数估计的CRLB

针对利用多个独立天线对同一信号进行协同接收的问题,推导了数据辅助(DA)和非数据辅助(NDA)方式BPSK/QPSK信号频率及相位估计的Cramer-Rao下界(CRLB),并与传统单个天线接收时的CRLB进行了比较。结果表明,在DA方式下,多天线协同接收PSK信号频率及相位估计的CRLB与传统单天线接收的CRLB相同;在NDA方式下,多天线协同接收的CRLB则要低于传统单天线接收的CRLB。

存在位置误差时运动多平台时差定位CRLB分析

存在平台位置测量误差时,已有研究未涉及运动多平台时差(TDOA)连续定位的性能评价。为此,选择克拉美-罗限(CRLB)作为对目标定位性能的评价指标,将不同时刻的运动多平台真实位置向量构成扩维向量后由CRLB定义得出了其通用计算式,并根据运动多平台TDOA连续定位的特点,推导了适合此应用场景的具体计算式。仿真结果表明了所推导的CRLB能有效用于上述场景中的定位性能评价,对近场及远场目标都需要在系统技术指标及定位算法设计等方面考虑平台位置测量误差的影响。

一种参考源修正的短波辐射源时差定位方法

为解决短波辐射源到达时间差(time difference of arrival,TDOA)定位(简称时差定位)方法受电离层影响导致的定位精度下降的问题,提出了一种利用参考源修正的短波辐射源目标时差定位方法。针对地球表面短波辐射源,基于电离层球面反射模型的电离层反射虚高近似方法,建立了利用参考修正的短波目标时差定位模型。考虑参考源与目标共用电离层反射区域对电离层虚高的影响,将各电离层反射点的距离相关性引入电离层虚高的协方差矩阵中,实现了目标定位精度的修正。通过推导和仿真所提模型的克拉美·罗下界,分析了参考源修正目标定位精度的可行性。进一步给出基于Armijo直线搜索Newton法的最大似然估计方法,通过仿真数据验证了所提算法的有效性,实现了良好的定位效果。

抗干扰场景下基于LPI的资源优化分配

为了使雷达能够应对干扰场景并提高信号的LPI性能,本文提出了一种新型资源分配方案,而所研究的具体干扰类型为欺骗性干扰。首先,推导出欺骗性距离在三维情况下的CRLB。然后,依据CRLB建立抗干扰下的资源分配问题,具体来说,将总功率消耗量作为目标函数,并将CRLB作为性能约束,通过调配传感器资源、功率资源和带宽资源使雷达满足预定性能约束的前提下抑制总功率数值。为了求解所提出的优化问题,本文有针对性地先求解属于整数规划范畴的传感器资源分配问题,然后采用循环形式的SQP算法求解功率和带宽联合分配问题。最终的仿真结果显示,与仅优化功率的分配方案相比,新方案的功率消耗量低于该方案的50.0%,验证了新方案在降低总功率方面的可行性。此外,仿真实验中又与非线性规划遗传算法作对比,简单说明本文算法的优势和不足。最后给出了截获接收机处的功率对比结果和分析,结果显示出最大功率成分的有效下降,从而提高了信号的LPI特性。

一种雷达组网系统误差CRLB估计方法

为研究雷达组网系统的融合处理同时包含位置和时间四维系统误差问题,根据实际雷达量测存在系统误差的特点,提出了一种系统误差估计精度克拉美罗下界(CRLB),并组合利用顺/逆时针和向/背站飞行航迹计算了不同场景下的系统误差估计精度CRLB.计算结果表明,对于气动目标,由于目标运动模型存在误差,同时雷达测距和测角误差存在差异,不同场景的系统误差估计精度和收敛速度不同.这为实际作战场景下的系统误差估计数据选择及算法的优选提供比较基准.

一种天波超视距短波目标的直接定位算法

针对利用运动接收机对静止超视距短波无线电目标定位的问题,提出了一种基于极大似然准则的天波超视距直接定位算法,进一步应用引力搜索算法,以实现高效的目标位置估计。推导了在上述问题中目标位置估计的克拉美罗下界(Cramér-Rao lower bound,CRLB),并分析了所提算法的计算复杂度。仿真实验结果表明,与传统的针对视距目标的直接定位算法相比,所提出的算法能显著提高对天波超视距短波目标定位的精度,且性能非常接近CRLB;相比于对应的网格搜索算法,在保持较高定位精度的同时,所提算法具有更高的计算效率。