Zusammenfassung
Zur Einführung wird die generelle Problematik der passiven Emitterlokalisierung mittels bewegter Arraysensoren beschrieben. Dabei werden die zwei konkreten Anwendungsbeispiele dieser Arbeit vorgestellt:
1. Lokalisierung mittels kompakter Sensornutzlast für luftgestützte Plattformen und
2. Lokalisierung mittels großer Hydrophonarrays für Unterwasseranwendungen.
Im zweiten Kapitel wird auf Standardverfahren der Arraysignalverarbeitung und verfeinerte superauflösende Peilverfahren eingegangen. Zudem werden Detektionsverfahren zur Bestimmung der Zielzahl und Genauigkeitsschranken sog. Cram´er-Rao Bounds (CRBs) für Peilmessungen präsentiert. Typischerweise werden die einzelnen Elementcharakteristiken eines Arraysensors ideal als gleich angenommen. In diesem Fall kann der Einfluss der Elementcharakteristik vernachlässigt werden. Die reale Situation mit ungleichen und teilweise bzw. vollständig unbekannten Charakteristiken wurde für das erste Anwendungsbeispiel untersucht.
Im dritten Kapitel wird das untersuchte Lokalisierungsproblem formuliert. In der Problemformulierung sind stationäre Emitter, CW- Emitter und Szenarien mit abschnittsweise stationären Datensegmenten als Spezialfälle enthalten. Für bewegte Emitter bilden Ziele mit konstanter Geschwindigkeit eine einfache Klasse. Als Spezialfall wurde ein Bewegungsmodel für abschnittweise inertial bewegte Emitter mit unbekannten Manöverzeitpunkten formuliert, welches insbesondere für die betrachteten Flug- und Seeziele relevant ist. Typischerweise werden Arraydaten in Abhängigkeit der Signaleinfallsrichtung parametrisiert. Zusätzlich werden hier die Arraydaten in dem präsentierten Datenmodell zu jedem Zeitpunkt in Abhängigkeit des Zielzustandes (Ort, Geschwindigkeit, Man¨overzeitpunkte, etc.) parametrisiert. Diese Parametrisierung ist die Grundidee für die direkte Lokalisierung im Kapitel 6. Abschließend werden einige Bedingungen zur Lösbarkeit (Observabilität) des Lokalisierungsproblems angegeben.
Im vierten Kapitel wird zunächst die CRB als theoretische Leistungsmessung für die in Kapitel 3 beschriebenen Varianten des Lokalisierungsproblems hergeleitet. Es wird die asymptotische Schätzgenauigkeit für stationäre Emitter, für bewegte Emitter und für intermittierende Emitter diskutiert. Für den Fall manövrierender Ziele wird der unbekannte Manöverzeitpunkt als zusätzlicher Schätzparameter interpretiert. In Simulationen wurden die Einflüsse der unbekannten Manöverzeitpunkte auf die Schätzgenauigkeit der Orts- und Geschwindigkeitskomponenten untersucht. Für den Fall intermittierender Emitter wird zunächst eine CRB für eine spezielle Sequenz von Emissionen bestimmt. Als Gütemaß wird die mittlere CRB eingeführt. Der Aufwand der Berechnung der CRB wächst exponentiell mit der Anzahl der Ziele und der Anzahl der Messungen. Zur Berechnung dieser CRB wurde eine Näherung vorgeschlagen. Die vorgestellten CRBs sind für Systembetrachtungen und zur Analyse der Einflüsse der verschiedenen Parameter auf die Schätzgenauigkeit nützlich.
Im fünften Kapitel werden die klassische Lokalisierung mittels Peilmessungen und die Datenassoziierung kurz eingeführt. Zudem wird eine Erweiterung der klassischen Lokalisierung vorgeschlagen, die auch systematische Peilfehler berücksichtigt. Die entsprechende CRB wird hergeleitet und ihre Beziehung zu den CRBs in Kapitel 4 wird aufgezeigt. Für das erste Anwendungsbeispiel mit einer luftgestützten Plattform werden Simulationsergebnisse präsentiert, die auf gemessenen Sensorelementcharakteristiken und Feldexperimenten basieren. In manchen Fällen ist zusätzlich die Peilrate als Messung verfügbar. Die Peilrate kann mittels spezieller Verfahren der Arraysignalverarbeitung als unabhängige Messgröße gewonnen werden. Die Verarbeitung der zusätzlichen Peilraten führt zu einer Verbesserung der Lokalisierungsgenauigkeit. In Simulationen wurde gezeigt, dass die Peilrate wichtige Informationen über die Zielkinematik enthalten kann.
Im letzten Kapitel wird ein Verfahren zur direkten Positionsbestimmung für bewegte Arraysensoren vorgeschlagen. Dieser Ansatz geht zurück auf die Arbeit von Wax und Kailath (1985). Bei der direkten Lokalisierung wird die Lokalisierung auf Basis der Arraydaten in einem Schritt ohne Peilung und Peildatenassoziierung durchgeführt. Dazu wird das Datenmodell nur durch die endgültigen Parameter ohne Zwischenparameter wie Peilwinkel beschrieben. Dieses Verfahren wird hier zur direkten Lokalisierung für einen bewegten Arraysensor wegen seiner vielfachen Vorteile vorgeschlagen und erweitert. In Monte-Carlo-Simulationen wurde die Performanz der direkten Lokalisierung mit der klassischen Lokalisierung (s. Kapitel 5) verglichen. Es wird gezeigt, dass die direkte Lokalisierung in Fällen schwacher Ziele und dicht benachbarter Ziele deutlich bessere Lokalisierungsgenauigkeiten als die klassische Lokalisierung liefert. Die direkte Lokalisierung wurde auch auf ein Multi-Array-Netzwerk mit kohärenter Signalverarbeitung angewendet. Für intermittierende Ziele wurde ein neuer Ansatz zur direkten Lokalisierung entwickelt, der auf einer hochdimensionalen Optimierung beruht. In Simulationen wurde nachgewiesen, dass auf diese Weise die Lokalisierungsgenauigkeit weiter verbessert werden kann. Da in den meisten praktischen Anwendungen auch die Zielzahl unbekannt ist, wurde die direkte Lokalsierung mit der Detektion der Zielzahl kombiniert. Dazu wurde eine Strategie auf Basis eines sequentiellen Mehrhypothesentests als Folge klassischer binärer Hypothesentests vorgeschlagen.
