非同步水声定位技术及其性能评价

探讨用非同步方式进行水声定位的解算方法,用蒙特卡洛方法对各误差源及目标位置对同步及非同步定位系统定位精度的影响作了统计分析,并对其可行性及适用性进行了分析和探讨。仿真结果及湖试结果表明,采用长基线阵的非同步水声定位系统具有较高的定位精度。     

Target location accuracy analysis on loitering missile platform北大核心CSCD

不同于普通弹药,巡飞弹能够在目标上空进行“巡弋飞行”,获取目标位置信息,并传送至指挥中心,用于战场态势分析及火力布局。受限于巡飞弹载机负载能力和成本要求,巡飞弹光电系统目标定位能力无法与大型无人机媲美。为提高巡飞弹目标定位精度,从巡飞弹目标定位的原理和流程出发,分析影响目标定位精度的误差源。在典型工况下,研究了卫星定位系统经度和纬度误差、惯性导航系统（INS）航向误差、测角误差和测距机测量误差等主要影响因素对目标定位精度的影响程度,可作为提升目标定位精度的设计依据。针对卫星定位系统经度和纬度误差对目标定位精度的影响结果,进行外场试验,验证上述分析结论。试验结果表明:当卫星定位系统经度和纬度精度由5 m提升至1 m时,目标定位的圆概率误差（CEP）下降约31.5%,与理论分析基本吻合。     

无人机光电设备对地目标单站无源定位方法北大核心CSCD

光电侦察设备已广泛应用于中小型无人机对地侦察,为实现无激光测距信息的无人机光电设备对地目标单站无源定位,提出了基于虚拟椭球的单站无源定位方法,构建了对地目标单站无源定位模型。利用空间射线与虚拟椭球交汇原理,通过等效方位角和等效俯仰角解算、目标高度估计和目标定位解算等步骤,实时获取目标的大地坐标。仿真结果表明,高度估计误差低于500 m条件下,单站无源定位方法可实现经纬度定位精度为10−3°、高度定位精度为150 m的三维目标定位,可实现高于50%置信度的优于10%R无源定位精度的相对定位。     

载机平台光电转塔目标定位的仿真算法

目标定位是光电转塔典型功能和任务之一，对其定位精度的考量也是转塔作战技术指标之一，针对该问题，从理论和仿真角度进行了分析。分析目标定位中用到的坐标系及其相互转换关系，给出光电转塔视轴反演、有源目标定位、无源目标定位的算法流程，通过仿真实验加以验证，考虑了定位过程中可能的随机误差来源，并分析是否采用均值滤波及其对定位结果的影响，最后通过Monte-Carlo分析计算了定位精度。分析结果表明:1）有源定位比无源定位的精度高，在仿真假设条件下，精度约提高1倍；2）均值滤波后，定位精度有较大提升（约提高15倍）；3）18 km距离时典型无源定位精度在80%置信度条件下约为39.4 m；4）统计直方图反映出80%置信度CEP半径及最大误差距离随载机位置、姿态、转塔视轴等（体现在目标载机距离上）不同参数的变化结果。     

无人机侦察多目标实时定位技术研究

目标定位是无人机侦察系统中至关重要一步。为增强无人机侦察目标定位的实时性、提高定位精度及侦察效率,提出一种多目标实时定位的方法,建立主次目标定位几何关系及坐标转换模型,结合已知数据信息求取各目标大地坐标,并用蒙特卡洛法分析目标定位误差。最后,基于即将组网成功"北斗二代"卫星导航系统对无人机空中定位,同时采用递归最小二乘算法滤波处理,提高了目标定位精度。研究及实验结果表明,北斗导航定位能够有效提高无人机空中定位精度,且有望达到厘米级精度,同时采用RLS滤波处理能使目标定位精度提高10 m左右。该方法能够有效增强无人机定位实时性,提高定位精度及侦察效率。     

测向误差特征辅助两步式网络的水声纯方位定位方法

围绕水声分布式纯方位定位问题,针对传统方法的远距离定位精度低、定位结果易受初值影响等缺点,提出了一种测向误差特征辅助两步式全连接层神经网络(DFE-TS-FCNN)的纯方位定位方法。使用神经网络进行定位,提高远距离定位精度并消除初值影响,输入特征是目标方位角测量值和测向误差标准差估计值。使用两步式网络结构抑制网络过拟合,分类网络确定目标区域后,再用对应的定位网络估计目标位置。蒙特卡洛仿真实验中,所提方法在近距离达到了与迭代加权最小二乘算法和迭代总体最小二乘算法相近的定位精度,在远距离定位精度大幅提高、约束均方根误差(RMSE)小于2.5 km的条件下,最远可定向距离相比传统方法从12.6 km提升至22.7 km。在实际数据中,该方法也获得了较好的定位结果。     

系留升空平台光电探测目标的坐标转换误差分析

系留升空平台的目标定位技术在军民领域中具有广泛的应用，定位精度的高低已成为评价无人机、系留升空平台综合性能的一项重要指标。开展了无人升空平台光电探测系统的精度测试研究，对目标高精度定位误差进行分析，推导出光电探测系统误差转换模型，对误差转换坐标进行仿真验证。运用蒙特卡罗思想, 综合分析了升空载荷光电探测系统中各误差参数对定位精度的影响，提出了提高目标高精度定位精度的改进方法，为无人升空平台光电吊舱的目标定位精度、光电吊舱的高精密设计提供了理论基础。     

机载光电平台目标定位与误差分析

根据机载光电平台的特点,建立了6个坐标系统,进行了8次线性变换,构建了从光电平台成像系统像面坐标系到大地地理坐标系的目标定位数学模型。计算了目标在大地地理坐标系的经纬度和高程坐标,分析了各种测量参数对目标定位精度的影响。通过建立误差模型和仿真数据进行目标定位实验,采用蒙特卡罗方法统计目标定位误差。实验结果表明,载机经纬度误差、载机姿态角度误差及光电平台指向角度误差是影响目标定位精度的主要因素,其中载机经纬度误差直接传递到目标定位误差,载机姿态角度误差和光电平台指向角度误差大体上以10-4～10-2比例作用到目标定位误差。本文方法有效可行,对机载光电平台目标定位具有实用价值。     

基于能量强度测量的多声源目标位置线性估计方法

基于能量强度的多声源定位模型,本文提出了一种声源发射能量强度未知下的多声源目标位置线性估计方法。将多声源定位模型转化为线性最小二乘估计问题,估计方法以代数解形式表示多声源目标位置初始值。对初始估计值进一步优化,得到了精确的多声源目标位置估计值。该定位计算方法将定位结果以代数解形式表示,避免了数值计算过程中因初始解选择不当而导致的局部最优问题。仿真测试了所设计算法的定位精度,并由此分析了噪声及声音能量强度增益对定位误差的影响。结果表明优化后的计算结果较初始估计值有较大改进,在一定噪声范围内其定位精度可以接近于克拉美罗（CRLB）下界值。     

针对周期偏移声信标的二阶高精度水声定位模型

针对传统长基线水声定位模型在以飞机黑匣子等周期偏移声信标为目标时定位精度显著下降的问题,提出了一种不依赖于信号周期信息的新型长基线定位模型。该模型将传统时延差定位模型拓展至二阶,通过求取到达时间的二阶导数,消去未知声信标周期。为避免由阶数提高引起的解算非收敛问题,引入了改进牛顿迭代算法,有效提高了新模型的收敛概率。所提出新模型的仿真试验及湖上试验的定位误差分别为3.14 m和1.19 m,试验结果表明,该模型实现了周期偏移声信标的高精度定位解算。     

多子阵组合的短基线声学定位系统数据优化方法*

短基线声学定位系统是一种常用的水下声学定位设备,为提高适用性,常采用多阵元接收阵的方式进行水声定位,其工作时将带来冗余的测距数据和定位结果,而部分冗余数据的解算定位结果误差较大（以下简称奇异值）,其代入融合将导致最终定位结果的误差不减反增。为解决该问题,本文分析奇异值特征,提出了基于多子阵组合(Multiple Subarray Combination,以下简写MSC)的短基线声学定位数据优化方法。该方法将空间阵中划分出的各单元子阵进行筛选,对冗余数据进行优化,筛除会引入较大误差的中间数据,进而提高定位精度。计算机仿真及实际测试数据表明：该方法可实现整体声源定位精度的提高。同时与传统定位方法相比可有效减小运算量,提高整体定位系统的性能。     

结合主动时间反转算法的短基线定位研究

短基线声学定位技术是水下运动目标定位的重要研究内容。为了解决定位系统工作于浅水或近岸时多途扩展严重造成的时延估计误差和系统工作不稳定的问题,本文提出一种结合时间反转算法的短基线宽带应答定位技术,该方法利用短基线阵元发射宽带信号,通过应答器接收该信号时间反转处理后再返回给短基线阵元位置,实现信道多途的自适应聚焦,进而提高时延估计精度及信号检测的鲁棒性。仿真研究和湖上试验表明,该方法能够充分利用信道多途信息实现聚焦,减少信道多途对定位信号时延估计的影响,具有较强的抗噪声和多途干扰的能力。相对传统定位方法,该方法可以抑制短基线定位过程中误差及野点的产生,改善了物体定位导航的精度。      

环境扰动约束下的稀疏贝叶斯定位方法

针对匹配场被动定位技术对海洋环境扰动敏感的问题,提出了一种基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法。该方法通过分析环境扰动情况下的声场构成,建立了海洋环境扰动模型,同时结合水下定位问题的稀疏性,将匹配场被动定位问题表述为稀疏信号重构问题。然后,使用稀疏贝叶斯学习方法迭代更新目标位置及模型失配权向量,收敛至最优稀疏解作为目标定位结果。最后使用仿真数据和北厄尔巴岛的海试数据对算法进行了验证,仿真和实验结果表明:该算法在海洋环境模型失配情况下也能够准确定位,且能分辨水平间距为100 m的两个目标。因此,基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法能够有效利用海洋环境扰动声场结构和水下定位稀疏特性,以增强匹配场处理的稳健性和定位精度,并且具有应对多源定位问题的能力。      

基于混合粒子滤波的水下小目标跟踪

针对水下小目标粒子滤波估计过程中“粒子贫化”引起的估计性能下降,提出了混合粒子滤波算法。该算法在常规粒子滤波算法基础上,在每一步迭代估计过程中进行量测的再次随机采样,以丰富随机粒子多样性,缓解水下小目标状态估计过程中的“粒子贫化”的影响。对算法进行了仿真分析,并将该方法用于水下小目标探测实验的数据处理,结果表明,相比于常规的粒子滤波算法,所提出的混合粒子滤波得到了误差更小且稳定的状态估计结果,有效地改善水下小目标跟踪的精度和稳健性。     

基于高斯混合概率假设滤波的水下目标跟踪算法

为了解决传统水下目标跟踪中目标数目估计不准确、状态估计误差增长过快的问题,提出了一种基于高斯混合概率假设滤波的水下目标跟踪算法。该算法基于双基地观测模型,采用高斯混合概率假设滤波算法处理方位和时延信息,利用粒子群算法处理多普勒频率获得矢量速度,进一步提升算法的跟踪精度。结果表明,该算法能完成在杂波环境下对目标的跟踪,相比传统的关联算法,能够有效地实现目标个数估计和抑制状态误差增长的目的。     

扫描深度误差对声图测量的影响及其修正方法研究

声图测量技术是一种适用于近场的精确被动定位技术。为了提高测量精度,分析了扫描深度误差对声图测量的影响,并提出了修正方法。通过理论分析表明对于过阵航行过程,当扫描深度大于目标声源实际航行深度时,误差可以被修正,并可测得目标声源的实际过阵深度;而当扫描深度小于目标实际航行深度时,误差将不能被修正。用理论分析结果处理仿真及海上实验数据,修正效果良好且与理论分析一致。      

无精准同步的小规模水声网络节点相对自定位

提出了一种无精准同步的小规模水声网络节点相对自定位方法。针对节点数量较少的小规模水声网络,利用水声通信在无精准时钟同步的情况下进行节点间测距,进而根据由相邻节点构成的三角形结构校正节点的相对位置。通过仿真得到,在几种典型拓扑结构下,该方法在测距误差不超过10 m时,将初始定位误差降低40%以上。在水声网络自组织的同时进行节点自定位,避免了传统的二次定位过程,节省了节点能耗和定位时间,并在一定范围内提高了定位精度。      

单基阵三维纯方位水下信标声学定位方法

针对水下静止信标的纯方位定位问题,提出一种基于单基阵平台纯方位信息的定位方法。通过水下无人运动平台两次量测的空间角度信息建立非线性方程,利用拟牛顿迭代方法实现稳定数值求解。同时,对量测信息进行预处理和定位后置处理,以进一步提高算法的稳定性和精度。利用计算机模拟水下声传播环境进行定位仿真,结果表明,基于常规波束形成的方位估计结果,在方位量测误差标准差为1°时,所提方法的定位结果相对误差可达3.5%以内。同时,研究了不同方位量测误差条件下、不同海深测量误差条件、观测平台和目标不同态势下定位算法的定位性能。结果表明,此方法可用于对水下静止信标的声学定位,且鲁棒性好。      

Research on the influence and correction method of depth scanning error to the underwater acoustic image measurement

The technology of underwater acoustic image measurement was a passive locating method with high precision in near field.To improve the precision of underwater acoustic image measurement,the influence of the depth scan error was analyzed and the correction method was presented.For a pass array navigation process,when the scan depth was deeper than the real depth of target,the measurement errors could be corrected,and the real depth could be calculated.Otherwise the depth error couldn’t be corrected.The simulations and the experiments were done.The results were satisfying and consistent with the theoretical conclusions.