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弹道导弹雷达跟踪与识别研究

作　者: 赵艳丽
导　师: 王国玉
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 弹道导弹有源假目标突防跟踪识别中段再入段动力学模型动力学特性组网雷达同源检验坐标系
分类号: TN953
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

弹道导弹是现代战争中极具威力的进攻性武器,导弹战将成为战争初期或关键时刻的主要作战方式。为了提高弹道导弹的突防能力,各种突防措施纷纷被提出,其中有源假目标欺骗干扰因其高“性价比”而越来越受到重视。雷达作为导弹防御系统中的核心探测器,其跟踪、识别性能的优劣对整个导弹防御系统的性能都有很大的影响。导弹目标跟踪是导弹防御雷达最基本、最核心任务,有源假目标欺骗干扰使导弹防御雷达面临严峻挑战,研究弹道导弹的雷达跟踪和识别技术,可为提高导弹防御雷达的跟踪能力和抗电子干扰能力提供技术支持,同时可为弹道导弹突防仿真实验软件提供核心算法支持,为有源欺骗干扰策略优化等提供参考依据,因此是迫切需要解决的军事前沿课题,具有重要的军事价值和现实意义。本文以导弹防御技术研究和发展的需求为背景,以雷达数据处理为内在主线,研究了弹道导弹的雷达跟踪和识别技术。具体包括:中段弹道目标跟踪、再入段弹道目标跟踪、单部雷达基于动力学特性的有源假目标识别、组网雷达下多目标跟踪和有源假目标识别。中段是弹道导弹飞行时间最长、飞行相对平稳的阶段,雷达在该阶段跟踪最为有利,精确的中段跟踪是雷达进行落点预报、宽带识别、制导拦截的基础。首先,对基础性的背景知识进行了介绍。接着,详细推导了四种典型坐标系下中段弹道目标的动力学模型,特别是对非笛卡尔的传感器坐标系下的目标动力学模型给出了独立的显式表达,使其可以直接套用EKF滤波(Extended Kalman Filter,EKF)结构。分析比较了不同跟踪坐标系下中段弹道目标跟踪性能的优劣。对基础性、共性的目标动力学模型和跟踪坐标系问题进行了系统整合归纳,为进一步从事该领域理论研究和实际应用提供了良好基础。最后,提出了一种改进的弹道中段目标跟踪算法,该算法比传统的EKF算法跟踪精度更高。当导弹再入大气层时,会受到两个主要的作用力:地球重力和空气阻力,如果发生机动,那么还必须考虑第三个力—空气升力。不执行机动的再入目标称之为弹道式再入飞行器,否则称之为机动再入飞行器。论文首先对空气动力进行了模型研究。接着,详细推导了四种典型坐标系下弹道式再入目标的动力学模型,比较了不同跟踪坐标系下再入段跟踪算法性能。最后,结合两种典型机动再入弹道,仿真分析了两类机动再入目标跟踪算法的性能。雷达系统前端和信号处理无法滤出、识别的高逼真有源假目标,会对雷达造成严重威胁。本文提出了利用动力学特性识别有源假目标的新思路和新方法。其原理是:有源假目标的运动特性与实体目标的运动特性存在本质差异;而滤波器动力学模型通常依据真目标运动模型而建立,那么假目标运动特性与滤波器动力学模型则必定不一致,这种不一致会导致雷达滤波器出现某种程度的“失配”,根据这种“失配”即可对有源假目标进行识别。如何把这种隐性的“失配”定量的表征出来,也即寻找能灵敏反映真假目标运动特性差异的识别特征量,是有源假目标识别技术的关键所在。根据识别特征量的不同,提出了三种有源假目标识别方法:基于弹道平面特性的识别;基于加速度模型匹配的识别;基于归一化误差的识别。利用目标动力学特性来识别高逼真有源假目标,其本质是在充分认识目标运动特性的基础上,对雷达滤波信息进行挖掘、再利用。利用动力学特性进行识别,是抗电子干扰理论和技术上的重要创新。针对高逼真有源假目标,组网雷达不仅可以利用动力学特性进行识别,还可以采用特有的同源检验技术进行识别。同源检验是指通过判断来自不同雷达分站的点迹或航迹在统一坐标系下是否一致进而识别目标真假。针对集中式组网雷达,可以采用量测点迹同源检验来识别有源假目标;针对分布式组网雷达,采用滤波航迹同源检验来识别有源假目标。有源假目标干扰下的组网雷达跟踪和识别是紧密耦合的过程。组网雷达下多目标跟踪和识别技术既是对目标跟踪技术的拓展,又是对抗电子干扰技术的丰富。论文最后对全文进行了总结,指出了论文的创新之处,对今后工作方向提出了一些参考意见和想法。本论文的研究工作来源于实际项目需求,其大多数研究结果和结论已经成功应用到实际工程项目中,并取得了良好的效果。

全文目录

摘要  13-15
ABSTRACT  15-17
第一章绪论  17-32
  1.1 引言  17-18
  1.2 相关问题研究现状  18-24
    1.2.1 弹道目标跟踪  18-21
    1.2.2 组网雷达多目标跟踪技术  21-23
    1.2.3 抗有源假目标欺骗干扰技术  23-24
  1.3 本文关于弹道目标跟踪的一些处理策略  24-28
    1.3.1 目标动力学模型  25
    1.3.2 跟踪坐标系  25-27
    1.3.3 非线性滤波技术  27-28
    1.3.4 过程噪声参数设计  28
  1.4 论文主要工作和结构安排  28-32
第二章中段弹道目标跟踪  32-69
  2.1 引言  32-33
  2.2 地球重力模型与 ECI坐标系下中段目标动力学模型  33-35
    2.2.1 地球重力模型  33-34
    2.2.2 ECI坐标系下的目标动力学模型  34-35
  2.3 中段标准弹道生成  35-37
    2.3.1 龙格库塔积分法  35-36
    2.3.2 Newton迭代法  36-37
    2.3.3 结束语  37
  2.4 EKF滤波算法  37-38
  2.5 雷达站坐标系下的中段弹道目标跟踪  38-51
    2.5.1 雷达站参考坐标系  39-41
    2.5.2 混合坐标系下的目标跟踪  41-45
    2.5.3 球坐标系下的目标跟踪  45-48
    2.5.4 仿真实验  48-51
    2.5.5 结束语  51
  2.6 雷达阵面坐标系下的中段弹道目标跟踪  51-61
    2.6.1 雷达阵面坐标系  52-53
    2.6.2 混合坐标系下的目标跟踪  53-55
    2.6.3 RUV坐标系下的目标跟踪  55-59
    2.6.4 仿真实验  59-61
    2.6.5 结论  61
  2.7 一种改进的中段弹道目标跟踪算法  61-68
    2.7.1 基于 Singer模型的弹道中段目标状态方程  62-64
    2.7.2 量测模型及迭代线性化  64-66
    2.7.3 仿真结果及分析  66-68
  2.8 本章小结  68-69
第三章再入段弹道目标跟踪  69-97
  3.1 引言  69-70
  3.2 再入目标的空气动力模型  70-72
    3.2.1 大气密度  70
    3.2.2 阻力模型  70-71
    3.2.3 升力模型  71-72
  3.3 雷达站坐标系下的弹道式再入目标跟踪  72-79
    3.3.1 ENU坐标系下的目标状态方程  72-73
    3.3.2 球坐标系下的目标状态方程  73-76
    3.3.3 仿真结果及分析  76-79
    3.3.4 结束语  79
  3.4 雷达阵面坐标系下弹道式再入目标跟踪  79-85
    3.4.1 RFC坐标系下的再入段目标状态方程  79-81
    3.4.2 RUV坐标系下的再入段目标状态方程  81-83
    3.4.3 仿真实验及分析  83-85
  3.5 机动再入目标跟踪  85-96
    3.5.1 基于未知输入模型的目标状态方程  85-86
    3.5.2 基于空气动力模型的目标状态方程  86-88
    3.5.3 对两种机动弹道的跟踪仿真  88-96
    3.5.4 结束语  96
  3.6 本章小结  96-97
第四章基于动力学特性的有源假目标识别  97-135
  4.1 引言  97-99
  4.2 基于弹道平面特性的中段有源假目标识别方法  99-106
    4.2.1 目标轨迹平面性分析  99-102
    4.2.2 自适应双门限识别算法  102-103
    4.2.3 仿真实验  103-106
    4.2.4 结论  106
  4.3 基于加速度模型匹配的中段有源假目标识别方法  106-114
    4.3.1 中段目标加速度模型匹配系数  107-110
    4.3.2 假目标加速度模型匹配系数验证  110-111
    4.3.3 识别算法设计  111-113
    4.3.4 仿真实验及结论  113-114
    4.3.5 小结  114
  4.4 基于归一化误差的中段有源假目标识别方法  114-127
    4.4.1 状态估计归一化误差  115-119
    4.4.2 非线性最小二乘参数反演  119-121
    4.4.3 特征识别量及识别门限  121-125
    4.4.4 计算机仿真识别实验  125-127
    4.4.5 结束语  127
  4.5 三种有源假目标识别方法比较  127-130
    4.5.1 滤波信息的利用  128-129
    4.5.2 识别性能及计算量仿真比较  129-130
    4.5.3 结论  130
  4.6 再入段有源假目标识别  130-134
    4.6.1 识别算法  131
    4.6.2 仿真实验  131-134
    4.6.3 结论  134
  4.7 本章小结  134-135
第五章组网雷达下有源多假目标的跟踪和识别  135-158
  5.1 引言  135-136
  5.2 多目标关联和航迹管理算法  136-142
    5.2.1 引言  136-137
    5.2.2 数据关联和航迹管理  137-141
    5.2.3 仿真结果及结论  141-142
  5.3 集中式组网雷达下多目标的跟踪和识别  142-150
    5.3.1 最近邻关联  142-145
    5.3.2 自适应门限同源检验  145-147
    5.3.3 量测融合  147
    5.3.4 多目标跟踪  147-148
    5.3.5 仿真实验  148-150
    5.3.6 结论  150
  5.4 分布式组网雷达下多目标的跟踪和识别  150-157
    5.4.1 单雷达多目标跟踪  151
    5.4.2 航迹关联检验  151-152
    5.4.3 关联航迹串行滤波融合  152-153
    5.4.4 计算机仿真实验  153-157
    5.4.5 结束语  157
  5.5 本章小结  157-158
第六章结束语  158-162
  6.1 本文主要工作  158-159
  6.2 本文主要创新点  159-160
    6.2.1 弹道导弹跟踪方面  159
    6.2.2 导弹突防中的有源假目标识别方面  159-160
  6.3 后续研究展望  160-162
致谢  162-164
参考文献  164-175
附录  175-176
  附录 A 坐标系转换模型  175-176
攻读博士学位期间发表论文  176-177
攻读博士学位期间参与的科研工作  177

弹道导弹雷达跟踪与识别研究

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