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地基分布式组网探测临近空间目标定位方法研究.pdf
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地基分布式组网探测临近空间目标定位方法研究.pdf
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摘要
I
摘 要
近年来,关于对临近空间目标发现、识别和探测技术的研究越来越受到各国
的重视。本文介绍了几种常规目标定位算法并分析了它们之间的性能。以典型临
近空间目标 X-51A 为例,分析其各个波段的雷达反射截面以及多普勒频移大小,
建立基于地基分布式组网探测的临近空间目标定位方法,采用改进的 ESPRIT 算法
和 ESPRIT 导向矢量互相关算法完成对临近空间目标定位。
提出了一种改进 ESPRIT 算法用于临近空间目标定位。为了更加充分的利用数
据信息,提高定位精度,对各个地基分站接收到的原始数据进行重构“升维”,
而为了消除数据重构带来的计算量增加的影响,采取对后期矩阵束左乘和右乘一
个没有任何信息的“降维”矩阵的策略。仿真实现基于改进 ESPRIT 算法对临近空
间目标定位。
提出了一种改进 ESPRIT 导向矢量互相关算法用于临近空间目标定位。改进导
向矢量互相关算法先期采用矩阵重构的方式,直接分离出目标相对于两个分站的
角度信息,估算出其中的一个,另一个角度信息用前一个代数表达式求出,即避
免了构造的匹配算法代入的误差,降低了构造矩阵带来的计算量的增加问题。仿
真实现了基于改进 ESPRIT 导向矢量互相关算法对临近空间目标定位。
分析基于改进 ESPRIT 算法和改进 ESPRIT 导向矢量互相关算法对临近空间目
标定位误差的影响,分别从目标距离、信噪比、阵元数和布阵半径方面分析其对
目标定位误差的影响。对改进 ESPRIT 算法和改进 ESPRIT 导向矢量互相关算法与
其两种常规算法的定位误差进行分析对比,得出两种改进算法都降低了定位误差。
在其它条件相同的情况下,分别从五组不同的布阵形式分析了临近空间目标定位
误差的差异,给出了减少定位误差布阵形式的优化建议。
关键词:临近空间目标,地基分布式组网,ESPRIT 算法,导向矢量互相关算法
万方数据
ABSTRACT
II
ABSTRACT
In the past few years, numerous researchers have devoted to the research of
discovery, identification and detection of near-space target from all over the world. In
this thesis, by the ESPRIT algorithm and the ESPRIT steering vector cross correlation
algorithm, we proposed the ground-based distributed network detection to achieve the
precise positioning of near-space target in the presence of distributed network detection.
Firstly, several conventional target localization algorithms are introduced and their
performance is analyzed. We take the typical near-space target X-51A into consideration
here, it is obtained the model of the near-space target localization method according to
the study of RCS and Doppler frequency shift of full band.
Then an improved ESPRIT algorithm is proposed for location of near-space target.
The original data received by each ground sub-array is reconstructed "up dimension" in
order to obtain more data and improve the positioning accuracy. The latter matrix is
multiplied by a "dimensionality" matrix without information due to increase of amount
of computation caused by data reconstruction. The simulation is based on the improved
ESPRIT algorithm is used to locate the near-space target.
Moreover, we proposed an improved ESPRIT steering vector cross correlation
algorithm to deal with location of near-space target. Direction of arrival of the target
with relative to each array is calculated directly by using the irrelevant principle of each
signal through the method of matrix reconstruction. This not only avoids the error of the
matching algorithm of the reconstruction, but reduces the increase of the computational
complexity caused by the reconstruction matrix. The simulation is based on the
improved ESPRIT the vector cross correlation algorithm for locating near-space targets.
The error of the target location is analyzed from the perspective of target distance,
signal-to-noise, ratio array element number and array radius based on the improved
ESPRIT algorithm and the improved ESPRIT steering vector cross correlation
algorithm. Finally, comparing the improved ESPRIT algorithm and ESPRIT steering
vector cross correlation algorithm with the two conventional algorithm localization
errors. Then the optimization methods of reducing position error are given under the
same condition, which analyze the difference of the positioning error of near-space
targets in five array forms.
万方数据
ABSTRACT
III
Keywords: Near-space target,Ground-based distributed network,ESPRIT algorithm,
steering vector cross correlation algorithm
万方数据
目录
IV
目 录
第一章 绪论 .................................................................................................................... 1
1.1 研究背景 ............................................................................................................ 1
1.2 研究意义 ............................................................................................................ 2
1.3 国内外研究现状 ................................................................................................ 3
1.3.1 国外研究现状 .......................................................................................... 3
1.3.2 国内研究现状 .......................................................................................... 4
1.4 论文研究内容 .................................................................................................... 5
1.5 论文章节安排 .................................................................................................... 6
第二章 临近空间目标特性及其定位方法 .................................................................... 8
2.1 引言 .................................................................................................................... 8
2.2 临近空间目标特性 ............................................................................................ 8
2.2.1 临近空间目标特性 .................................................................................. 8
2.2.2 临近空间和非临近空间目标区别 ........................................................ 10
2.2.3 常规定位方法对临近空间目标定位的困难 ......................................... 11
2.3 临近空间目标定位方法 .................................................................................. 12
2.3.1 地基分布式组网 .................................................................................... 12
2.3.2 相控阵列 ................................................................................................ 14
2.3.3 临近空间目标定位方法与常规定位方法性能对比 ............................ 15
2.4 目标定位常规算法 .......................................................................................... 16
2.4.1 测向定位法(纯角度定位法) ............................................................ 16
2.4.2 时差定位法 ............................................................................................ 18
2.4.3 差分多普勒定位法 ................................................................................ 20
2.4.4 MUSIC 算法 ........................................................................................ 21
2.4.5 常规定位算法之间性能分析 ................................................................ 22
2.5 本章小结 .......................................................................................................... 23
第三章 临近空间目标定位仿真研究 .......................................................................... 24
3.1 引言 .................................................................................................................. 24
3.2 临近空间目标定位方法模型 .......................................................................... 24
3.3 基于临近空间目标定位具体算法选择 .......................................................... 26
3.4 ESPRIT 算法 .................................................................................................. 27
万方数据
目录
V
3.4.1 改进的 ESPRIT 算法 ............................................................................. 29
3.4.2 基于改进 ESPRIT 算法对临近空间目标定位仿真流程 ..................... 30
3.4.3 基于改进 ESPRIT 算法对临近空间目标定位 ..................................... 34
3.5 ESPRIT 导向矢量互相关算法 ...................................................................... 36
3.5.1 改进的 ESPRIT 导向矢量互相关算法 ................................................. 39
3.5.2 基于改进导向矢量互相关算法对临近空间目标定位仿真流程 ........ 42
3.5.3 基于改进导向矢量互相关算法对临近空间目标定位 ........................ 43
3.6 本章小结 .......................................................................................................... 46
第四章 临近空间目标定位误差分析 .......................................................................... 47
4.1 引言 .................................................................................................................. 47
4.2 临近空间目标速度因素对定位误差的影响 .................................................. 47
4.3 基于改进 ESPRIT 算法对临近空间目标定位误差分析 ............................... 49
4.3.1 目标距离对临近空间目标定位误差的影响 ........................................ 49
4.3.2 信噪比对临近空间目标定位误差的影响 ............................................ 52
4.3.3 阵元数对临近空间目标定位误差的影响 ............................................ 54
4.3.4 布阵半径对临近空间目标定位误差的影响 ........................................ 57
4.4 基于改进 ESPRIT 算法与常规 ESPRIT 算法定位误差对比........................ 59
4.5 基于改进导向矢量互相关算法与其常规算法定位误差对比 ...................... 61
4.6 分布式组网布阵形式对临近空间目标定位误差分析 .................................. 64
4.7 本章小结 .......................................................................................................... 67
第五章 总结与展望 ...................................................................................................... 68
5.1 总结 .................................................................................................................. 68
5.2 展望 .................................................................................................................. 69
致谢 ................................................................................................................................ 70
参考文献 ........................................................................................................................ 71
万方数据
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programmh
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