不完全量测下的水下纯方位系统目标运动分析研究

Bearings-only target motion analysis (BOTMA) is an important branch in underwater information processing research. The traditional theories and methods of underwater BOTMA are derived under the condition of knowledge of the complete measurements, and now the corresponding efficient theories and methods of underwater BOTMA with intermittent observations are yet remaining unknown. Motivated by the needs of practical engineering,this project focuses on the problem of underwater BOTMA with intermittent observations based on our previous studies. First, the methods of BOTMA observability analysis for Nth-order dynamics targets, respectively, are proposed, directly from bearing obervations and noisy bearing measurements. Then, a general model of underwater BOTMA with intermittent observations is presented and constructed, in the case of which each component of the measurement vector may be missed, and each component may be faced multiple dropouts with differenet probabilities. Third, the convergence characteristic and its necessary and sufficient conditions of the BOTMA algorthm are analyzed in the mean sense. Fourth, the relationships among the sensor detection probability, the data transmission probability, the location of missing data and the estimation performance of BOTMA are discovered. Finally, the perfomance evaluation criterion of underwater BOTMA algorithm with intermittent observations, and the corresponding observer optimal maneuvering trajectories, which are easy to be realized in practical engineering, are also proposed. The project is dedicated to further improving and enriching the related theories and methods of underwater BOTMA, and provides new ideas and technical approaches for the attack-defense confrontation research of our navy in the modern informationized warfare.

纯方位目标运动分析（BOTMA）是水下信息处理研究的重要方向之一。传统的BOTMA理论和方法均建立在完整量测信息的前提之上，目前，尚缺乏有效的针对不完全量测下的水下BOTMA理论和方法。本课题在项目组前期研究基础上，以实际工程需求牵引为向导，针对不完全量测下的水下BOTMA问题，分别给出直接基于方位量测和有噪量测下的N阶动态运动目标可观测性分析新方法，提出并构建量测向量每个分量以不同概率随机丢失且存在多重丢失下的一般性水下不完全量测BOTMA模型，分析期望意义下BOTMA算法的收敛性及其充要条件，揭示传感器探测概率、数据传输概率、数据丢失位置与BOTMA估计性能之间的关系，建立不完全量测下的水下BOTMA估计算法的性能评价准则，给出相应易于工程实现的观测器最优机动轨迹。本项研究结果将进一步完善和丰富水下BOTMA理论，可为我国海军在现代信息化作战条件下的攻防对抗研究提供新的思路和技术途径。

纯方位目标运动分析（BOTMA）处于火控系统中目标搜索识别、跟踪、命中和毁伤四个环节中的第二个环节，一直是水下信息处理核心研究方向之一，实时、准确、稳定地追踪目标，建立目标状态随时间变化的历程和趋势，是后续武器系统命中和毁伤的必要前提。本项目针对实际工程中观测器探测概率小于1和量测数据传送至目标估计中心存在客观丢失的不完全量测情况，对不完全量测下的纯方位系统前后紧密关联的三个方面的研究内容：1）直接基于方位量测和有噪量测下的水下纯方位系统可观测性分析；2）不完全量测下的水下纯方位系统的BOTMA估计算法；3）不完全量测下的水下纯方位系统的观测器工程化最优机动轨迹，进行了系统深入的研究，取得了如下研究结果：.(1) 针对N阶动态运动目标，建立了一种直接基于方位量测，无需求导和求解目标与观测器相对位置与运动参数的水下纯方位系统可观测性判断准则；从实际工程应用角度出发，针对N阶动态运动目标，建立了一种融入方位量测误差（噪声）的水下纯方位系统可观测性分析方法。.(2) 针对匀速、匀加速运动目标，构建了水下纯方位系统具有递推形式的不完全量测BOTMA算法模型，给出了估计误差协方差矩阵（ECM）有界的条件和估计误差在均方意义下指数有界的条件；建立了不完全量测下的水下纯方位系统BOTMA算法的性能评价准则，推导出FIM（CRLB）的递推计算公式。.(3) 针对匀速、匀加速运动目标，给出了不完全量测下基于CRLB指标的水下纯方位系统观测器工程化最优机动轨迹设计方法。. 本项目以上三个方面的研究结果，进一步丰富和完善了水下BOTMA理论，可以为我国海军在近海、岛链防御中的电子攻防对抗策略等研究提供理论支撑和技术支持。