关于雷达如何精确定位目标的研究数模论文

关于雷达如何精确定位目标的研究 摘要 本文在三维空间直角坐标系的数学模型条件下，通过利用3dsmax等作图工具，建立了多基雷达对目标进行精确定位的三维几何模型，使问题直观易懂。利用C++ Builder程序设计得出了一套求解三元二次方程组的算法，建立了电子云模型，比较了雷达可能产生的坐标误差和距离误差对定位精度的影响. 并结合Excel电子表格建立三维数组，计算并分析了在误差状态下，目标可能出现的位置的概率。 通过以上的研究工作，最终得出了多基雷达精确定位目标的算法，通过此算法分析、计算了材料所给出的三组实例数据。并通过误差分析得出结论，给控制雷达定位精度提出了建议。 本模型具有广泛的实用性，可推广到军事、航海、航天等领域。

关键词 电子对抗，多基雷达，精确定位，三元方程，三维数组，误差分析，概率，正态分布，电子云模型. 问题的重述 在电子对抗领域，对辐射源位置信息侦察越精确，就越有助于对辐射源进行有效的战场情报信息获取和电子干扰，并为最终摧毁目标提供有力的保障.

如在某地上空发现有一可疑的飞行物，需要对其进行精确定位.常用的定位方法是基于多基雷达的测量方法.每个雷达都可以测量自身的坐标（xi, yi, zi），以及它到飞行物距离ri（i=1,2,3…n），其中n为雷达的总数.通过测量一组雷达位置坐标和飞行物到各雷达的距离，我们可以确定目标（空间飞行物）的坐标：S（x, y, z）. 但由于每个雷达在测量自身坐标和飞行物到各雷达的距离的数据时，都存在测量误差，（坐标误差和距离误差）这给精确定位带来了困难. 假设测量时产生的距离误差服从正态分布N（0，σt），测量时产生的坐标误差服从正态分布N（0，σr）.

试通过数学建模分析上述情况, 并回答以下问题： 1） 在假设条件下，至少需要几个雷达才能精确定位飞行物？ 2） 在最少雷达的条件下，分析并比较距离误差和坐标误差对定位精度影响. 3） 在实际情况中，往往使用更多雷达进行精确定位，设计一种定位算法，对附件所提供的三组雷达得到的测量数据，计算出飞行物的坐标. 4） 试给出控制雷达定位精度的建议.

基本假设 1） 模型建立的三维空间为无任何扭曲的欧几里得线性空间. 2） 设每个雷达工作状态良好，且没有其他外界因素（如电磁波等）影响. 3） 设每个雷达的测得的目标距离误差服都从正态分布N（0，σt），测得的自身坐标误差都服从正态分布N（0，σr），除此之外，雷达工作过程中的其他误差均忽略不计. 4） 在基于多基雷达分析数据并计算结果的过程中，设目标物体在空中相对于每一个雷达均保持静止状态. 5） 设飞行物不可能出现在xOy平面以下的区域. 6） 目标物体和雷达均看为质点.

符号（参数）说明 1）设表示第i个雷达的点和坐标为Pi（Xi, Yi, Zi）. 2）设第i个雷达测得的自身坐标为pi（xi, yi, zi）.

3）设第i个雷达到飞行物的距离为Ri. 4）设第i个雷达测得其自身到飞行物的距离为ri. （i=1,2,3…n，其中n为雷达的总数.） 5）测得目标飞行物的点和坐标为S（x, y, z）.

问题的分析 本问题是一个如何用多基雷达对飞行物进行精确定位，并分析比较坐标误差和距离误差对定位精度影响的问题.目的是精确定位所测目标，有助于对辐射源进行有效的战场情报信息获取和电子干扰，并为最终摧毁目标提供有力的保障. 首先，应建立三维直角坐标系的数学模型。分析单个雷达的工作原理：它可以确定待测目标在一个定半径的球面上。从而在三维的模型中得出至少需要几个雷达能够确定目标位置的结论。（问题一） 另外，雷达测量飞行物会产生两种误差，一是测量自身坐标产生的误差，二是测量自身到飞行物距离产生的误差.如何建立数学模型分析这两种误差对定位精度产生的影响是问题的关键. 由于这两种误差是影响目标定位精度的决定性因素，因此对不同的误差种类给予分别讨论. 先设无坐标误差，根据距离误差服从正态分布的假设，可以在目标物体附近的空间中，分析它们在某一位置区域出现的可能性。其中，我们将目标附近的空间区域划分为若干个三维的“块”，然后建立一个三维数组来分别表示在对应每个块中目标可能出现的概率.从而分析距离误差对精确定位的影响. 也可以通过电子云的思想，利用计算机编程，实际演习并得到很多次不同测量结果，这些测量出的目标坐标在空间中形成很多个点，通过这些点构成的电子云模型，可以分析距离误差对精确定位的影响. 同理，再设无距离误差，根据坐标误差服从正态分布的假设，利用上面的方法来分析坐标误差对精确定位产生的影响. 通过比较两种误差的三维数组及电子云模型，就可以比较两种误差对精确定位的影响.（问题二） 在实际情况中，往往使用更多雷达进行精确定位，我们需要设计一种定位的算法。通过分析，初步决定了算法的基本模式。即在给出的所有雷达里面，分别选取所有可以粗略定位目标的基本雷达组合，并通过选取的基本雷达组合计算得到一组散点，再求出这些点的几何中心，即为目标的最终定位坐标.（问题三） 最后，我们将针对减小这两种误差的方法，给控制雷达定位精度提出建议.（问题四）

模型的构建与求解 [1]电子对抗是敌对双方利用电子设备或器材进行的斗争,是现代化战争中一种重要的作战手段.它利用电磁能探测、识别敌方使用的电磁频谱和电子设备，并根据探测和识别结果采取各种电子措施和非电子措施（如施放有源干扰、无源干扰和发射反辐射导弹）予以削弱、阻碍、甚至破坏，从而保护自己的电子设备正常应用电磁频谱，发挥最高效能. （1） 直角坐标系的建立 在研究所有问题之前，首先应该建立一个三维空间的数学模型. 以线性三维空间中的一个定点作为坐标原点O，以米为单位长度，以水平面作为xOy坐标平面，竖直向上为z轴方向建立三维空间直角坐标系 O-xyz.

（2） 问题一的建模与求解 问题一：至少需要几个雷达才能定位飞行物？

首先，我们来了解一下雷达。 [4]雷达是用微波波段电磁波探测目标的电子设备。 雷达是英文radar的音译，意为无线电检测和测距。雷达概念形成于20世纪初，在第二次世界大战前后获得飞速发展。雷达的工作原理，是设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等）。 雷达分为连续波雷达和脉冲雷达两大类。脉冲雷达因容易实现精确测距，且接收回波是在发射脉冲休止期内，所以接收天线和发射天线可用同一副天线，因而在雷达发展中居主要地位。测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。 当雷达和目标之间有相对运动时，雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。 雷达在洪水监测、海冰监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等方面显示了很好的应用潜力。

在题目所给出的条件中，一个雷达可以测量出的数据有两个，雷达自身的坐标Pi（xi, yi, zi）和雷达到目标物体S的距离ri. 一个定点和一个定长给出了S可能的存在范围，即到定点Pi（xi, yi, zi）的距离等于定长ri的点集. 在三维空间中，这个点集是一个以Pi为球心，以ri为半径球面，其方程为：

2222()()().iiiixxyyzzr

现在问题转化为，至少需要几个球面方程才能确定唯一的一点。 我们知道，方程组 22221111

22222222

22223333

()()().()()().()()().xxyyzzrxxyyzzrxxyyzzr



当 111222333

0xyzxyzxyz

即P1，P2，P3不共线时，可以解出两个坐标S（x, y, z）和S’（x’, y’, z’），这两个坐标可能不同或相同，也可能为虚值，这主要取决于化简后的一元二次方程里面的判别式的正负。 理论上，通过三个雷达可以精确定位目标在点S或点S’. 这里分两种情况： 1）这两个点的其中一个在实际情况下可能是一个无意义的点，虽然这个点实际存在，但目标不可能出现在这个点，此时仅用3个雷达就可以精确定位目标。 2）不能分辨目标可能出现在两个点中的哪一个，此时需要第四个雷达来辅助定位。

下面将通过一个几何模型说明这个问题. 1）如图1： 三维空间中，第一个雷达P1可以确定目标S在一个球面上。 再给出第二个雷达P2，它就能确定目标也在以P2为球心球面上，即在两个球面的公共部分上.如图，这个公共部分是一个圆。 通过第三个雷达P3的定位，即在圆上求一点，使其到P3的距离为r3，可以求得2个点.

图1，图中以网格为xOy面 在图中只画出了一个有效的点S，这是因为满足条件的另外一点在水平面xOy以下，而在实际情况中，空中飞行物的坐标不可能为负。所以这一个点是没有意义的。 这种情况下，至少需要3个雷达即可精确定位一个目标。

2） 当三个雷达分别建立在三个山峰上时，这时根据方程求出的两个点可能都在xOy平面上方.