多径环境下多基地超宽带雷达定位与跟踪技术研究

摘要

随着地理位置服务的发展，室内定位技术有着广阔的应用前景，如室内监控、商场导航等。超宽带技术由于系统结构简单、抗多径、穿透性强、测距精度高、共存性好，在复杂多径环境下的室内定位中占有优势，因而成为近十年来的研究热点。但是，该技术在复杂环境下超宽带信号传播特性分析、实用高精度测距算法设计等方面仍面临诸多难题。超宽带定位技术还可应用于战场侦察与监视。相对于单基地高频地面侦察雷达，多基地超宽带地基侦察雷达具有很多优势，如抗摧毁、抗干扰、可探测隐蔽目标等，是战场侦察雷达的重要发展方向。在近程多基地超宽带雷达中，如何在复杂未知环境下实现对运动人员的可靠定位与持续稳健跟踪是其关键技术问题和重要研究内容。
　　本文针对室内和树林等多径环境，结合多项科研项目，对超宽带技术在目标定位与跟踪中的应用问题展开研究。研究内容包括复杂环境下超宽带信号传播特性、实用的超宽带测距算法、多基地系统理论上的定位及跟踪性能、多基地定位中虚假定位点剔除和多目标定位、多径环境下多基地稳健跟踪等。经仿真和实测数据验证的研究成果可以应用到超宽带定位、多基地战场侦察雷达设计、多基地定位和跟踪等方面。
　　1、针对测距和定位应用，分析了IEEE802.15.4a信道模型在不同环境下的部分统计特性，如首径后第1条多径的位置及幅度分布、首径后2ns内多径的条数及幅度的分布等，所得结论为测距算法设计奠定了基础。提出了两段多径模型以描述脉冲超宽带信号在发射站—非合作目标—接收站间传播时的信道特性。基于实测数据分析了超宽带信号的穿墙传播特性，结果表明多径在超宽带信号穿墙传播中存在。对背景相消后的剩余回波分析证明了复杂环境下被监视目标运动时，存在与目标相关的多径现象。同时，由于环境的改变，特别是相对位置关系的变化，会导致跟随目标的多径发生变化。
　　2、为降低 TOA估计性能对门限的严格要求，提出了能量检测接收机下简单实用的脉冲超宽带TOA估计新方法。该方法利用了接收信号统计特性，即不同帧噪声样本超过门限的随机性和首径样本的确定性。在密集多径环境下，提出了一种基于熵的无需门限的首径检测新方法。该方法从另一个角度考虑首径样本检测问题。通过对信道的分析，可知密集多径环境下多径区域具有稳定性，特别是首径附近，新方法通过检测熵序列的突变检测多径区域，进而确定首径样本。为避免使用复杂的chi平方分布，本文提出对ED接收机输出样本序列进行幂变换，然后拟合变换数据序列的分布，在最佳近似分布基础上估计 TOA，获得了与基于较复杂的理论上的chi平方分布的TOA估计方法类似的性能。分析了ED接收机部分参数，并提出了基于延时器的具有更高精度的TOA估计方法。
　　3、从理论上系统地分析了多基地雷达系统两个方面的性能：不同状态的可观测性和不同状态估计的CRLB。分别分析了两种情形下的可观测性，多站瞬间位置和速度的可观测性以及不同航迹的跟踪可观测性。分别分析推导了多基地下瞬间目标状态估计的CRLB和跟踪的CRLB。理论分析和仿真结果可以为系统设计提供指导。
　　4、在分析多基地下单接收站距离或多普勒观测误差变化对定位和测速的影响基础上，首先提出并推导了速度一致性准则，即在同一个时间，目标只可能处于一个位置，速度大小和方向应唯一。不同观测组合估计得到的目标速度应是一致的，而虚假观测组合估计的数个速度不一致。据此可判别真假观测组合，然后基于真假组合的判定和速度一致性完成不同站观测的正确配对和多目标定位。仿真结果表明该方法具有很高的虚假组合识别成功率。
　　5、提出了多径环境下的基于轨迹关联性的真假目标轨迹辨识算法，该算法把伴随动目标的多径回波信号看作来自一个虚假目标，根据双站距离和和多普勒观测得到目标的当前航迹，然后求出反射点，根据路径关系识别真实轨迹和虚假轨迹，当目标向基线靠近时识别率较高。在稳健跟踪方面，为应对数据缺失和问题观测，设计了不同观测维度下的稳健跟踪流程，该流程通过自适应改变滤波器结构实现对目标的持续跟踪；为应对干扰等带来的错误观测，提出了基于错误观测组合辨识的复杂环境下稳健跟踪方法，其使用预测与观测最邻近、速度和位置一致性准则来辨识错误组合。针对实际战场上常见的之字形战术机动人员机动跟踪问题，提出了基于分段CV模型的IMM算法。新方法建立了机动人员的运动模型，可更加准确的描述目标真实的运动状态。所提方法中的模型集可以及时适应目标运动方向的变化，在突变发生时可对跟踪模型集的速度方向不断调整直至达到稳态，使状态分量估计更接近目标真实的速度方向。仿真表明所提算法可以获得比传统机动算法更好的跟踪性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 多径环境下多基地超宽带雷达定位和跟踪面临的问题

1.4 论文结构及章节安排

第二章 复杂环境下超宽带信号传播分析

2.1 引言

2.2 IEEE 802.15.4a标准信道模型介绍与分析

2.3 理想环境下目标相关多径信道分析

2.4 超宽带信号穿墙传播测量和分析

2.5 本章小结

第三章 多径环境下基于统计特性的超宽带TOA估计方法

3.1 引言

3.2 基于接收信号特性的脉冲超宽带TOA估计方法

3.3 密集多径下基于熵的脉冲超宽带时延估计

3.4 本章小结

第四章 基于幂变换和延时器的超宽带TOA估计方法

4.1 引言

4.2 ED接收机下基于幂变换和近似分布的超宽带TOA估计

4.3 ED接收机部分参数分析及基于延时器的高精度TOA估计方法

4.4 本章小结

第五章 多基地超宽带雷达目标状态的观测性能分析

5.1 引言

5.2 多基地雷达动目标位置和速度的可观测性

5.3 多基地雷达动目标位置和速度估计的CRLB

5.4 本章小结

第六章 多基地超宽带雷达目标状态估计

6.1 引言

6.2 多基地定位和速度估计

6.3 单站观测误差对定位和速度估计的影响

6.4 多基地下基于速度一致性的虚假定位点剔除和多目标定位

6.5 本章小结

第七章 多径环境下多基地超宽带雷达动目标稳健跟踪

7.1 引言

7.2 基于距离和和多普勒的双多基地跟踪

7.3 双基地雷达多径环境下真假轨迹辨识

7.4 多基地稳健跟踪

7.5 多基地战术机动人员跟踪

7.6 本章小结

第八章 结论及展望

8.1 本文工作总结

8.2 未来研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A 英文缩写词对照表