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近年来，由于无人机（(Unmanned Aerial Vehicle，UAV）具有灵活的移动性，已广泛应用于各项领域中；辐射源定位在无线通信、雷达、声纳等领域有着广泛的应用，本论文将结合两个重要的研究方向，围绕无人机机载阵列天线的辐射源空间位置估计问题展开研究。机载阵列天线可以同时实现多目标的到达角（Angle of Arrival，AOA）估计，且相比于基于达到时间（Time of Arrival，TOA）、基于到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）以及基于到达频率差（Frequency Difference of Arrival，FDOA）的辐射源定位技术，基于AOA的定位方法不需要观测站之间进行时间或者频率同步。论文主要对机载阵列天线测向技术、基于 AOA 的辐射源空间位置估计技术、基于阵列天线的直接定位技术、基于无人机路径规划的定位性能优化方案展开研究，选题具有理论意义和应用价值。论文的主要工作如下：
1）提出了一种旋转机载线阵的二维达到角估计方案。该方案首先考虑的是机载线阵的旋转方法，利用无人机灵活的旋转特性，依次旋转45°在三个方向上采样。对阵列方向矢量进行虚拟化处理并去重后得到虚拟化阵元方向矢量，同理得到虚拟化阵元的接收信号。通过离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）进行粗搜索得到角度的粗估计值，再通过压缩感知的方法求解精估计值。提出的方法利用DFT方法求得被动目标的AOA粗估计值，随后在粗估计值附近构造完备字典集，通过对完备字典集的谱范围进行压缩来达到较低算法复杂度的目的，再利用压缩感知的方法获得精估计值。
2）提出了一种基于AOA的辐射源位置渐进无偏估计方法。通过AOA构建的伪线性方程进行辐射源空间位置估计时会存在较大的有偏性，该算法有效较低了有偏性。通过方位角和俯仰角的测量值来建立伪线性方程，以最优化加权最小二乘为辐射源空间位置估计的代价函数，将代价函数进行变形处理且将代价函数分成两部分，一分部为真实值，一部分导致偏差的一项，对于导致偏差的这一项用一个常数进行约束来降低其对辐射源空间位置估计的有偏性影响，然而由于这一项包含测量误差，无法精确已知，将采用统计的方法来计算产生偏差的这一项。这样将原问题转化为约束加权最小二乘问题，对于约束问题，采用拉格朗日乘子法进行求解。该算法最终的结果是一个闭式表达式，具有很低计算复杂度的同时还能降低有偏性来获得很好的定位估计性能。
3）研究了辐射源的直接定位(Direct Position Determination，DPD)算法。该算法主要解决了基于 AOA 的二步定位方法在低信噪比时定位性能差和稳定性差的问题。该算法和二步定位方法（即间接定位算法）相比，能有效避免间接定位中信号参数（如 TDOA，AOA，FDOA 等）测量误差的二次传递，因此直接定位方法具有更高的定位精度和稳定性。研究了 MUSIC （MUltiple SIgnal Classification）直接定位算法和基于旋转不变性的直接定位算法，进行了两种算法的性能对比，MUSIC直接定位算法具有更好的定位性能。
4）提出了一种观测站位置存在误差情况下的路径规划方案。该方案充分利用无人机的机动性来提升定位精度。该方案以Fisher信息矩阵（Fisher Information Matrix，FIM）行列式最大化为优化准则，在该场景中由于无人机观测站的位置仅仅只有观测值，并不是完全已知的值，即此时的待估计量是辐射源的空间位置以及观测站的位置，以这些量为待估计量来计算观测位置Fisher信息矩阵，利用Fisher信息矩阵和克拉美罗下界（Cramér-Rao Lower Bound，CRLB）的关系，从一个大的矩阵中求解出以辐射源空间位置为变量的Fisher信息矩阵，最终以优化准则进行无人机路径规划。该方法由于同时在降低观测站位置误差和角度测量误差对定位性能的影响，因此比不考虑观测站位置误差的路径规划方案能获得更好的定位性能。
1）提出了一种旋转机载线阵的二维达到角估计方案。该方案首先考虑的是机载线阵的旋转方法，利用无人机灵活的旋转特性，依次旋转45°在三个方向上采样。对阵列方向矢量进行虚拟化处理并去重后得到虚拟化阵元方向矢量，同理得到虚拟化阵元的接收信号。通过离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）进行粗搜索得到角度的粗估计值，再通过压缩感知的方法求解精估计值。提出的方法利用DFT方法求得被动目标的AOA粗估计值，随后在粗估计值附近构造完备字典集，通过对完备字典集的谱范围进行压缩来达到较低算法复杂度的目的，再利用压缩感知的方法获得精估计值。
2）提出了一种基于AOA的辐射源位置渐进无偏估计方法。通过AOA构建的伪线性方程进行辐射源空间位置估计时会存在较大的有偏性，该算法有效较低了有偏性。通过方位角和俯仰角的测量值来建立伪线性方程，以最优化加权最小二乘为辐射源空间位置估计的代价函数，将代价函数进行变形处理且将代价函数分成两部分，一分部为真实值，一部分导致偏差的一项，对于导致偏差的这一项用一个常数进行约束来降低其对辐射源空间位置估计的有偏性影响，然而由于这一项包含测量误差，无法精确已知，将采用统计的方法来计算产生偏差的这一项。这样将原问题转化为约束加权最小二乘问题，对于约束问题，采用拉格朗日乘子法进行求解。该算法最终的结果是一个闭式表达式，具有很低计算复杂度的同时还能降低有偏性来获得很好的定位估计性能。
3）研究了辐射源的直接定位(Direct Position Determination，DPD)算法。该算法主要解决了基于 AOA 的二步定位方法在低信噪比时定位性能差和稳定性差的问题。该算法和二步定位方法（即间接定位算法）相比，能有效避免间接定位中信号参数（如 TDOA，AOA，FDOA 等）测量误差的二次传递，因此直接定位方法具有更高的定位精度和稳定性。研究了 MUSIC （MUltiple SIgnal Classification）直接定位算法和基于旋转不变性的直接定位算法，进行了两种算法的性能对比，MUSIC直接定位算法具有更好的定位性能。
4）提出了一种观测站位置存在误差情况下的路径规划方案。该方案充分利用无人机的机动性来提升定位精度。该方案以Fisher信息矩阵（Fisher Information Matrix，FIM）行列式最大化为优化准则，在该场景中由于无人机观测站的位置仅仅只有观测值，并不是完全已知的值，即此时的待估计量是辐射源的空间位置以及观测站的位置，以这些量为待估计量来计算观测位置Fisher信息矩阵，利用Fisher信息矩阵和克拉美罗下界（Cramér-Rao Lower Bound，CRLB）的关系，从一个大的矩阵中求解出以辐射源空间位置为变量的Fisher信息矩阵，最终以优化准则进行无人机路径规划。该方法由于同时在降低观测站位置误差和角度测量误差对定位性能的影响，因此比不考虑观测站位置误差的路径规划方案能获得更好的定位性能。