本文研究基于电离层反射信号的短波时差定位系统,所探测目标是位于地球表面的地表或海表短波辐射源。该定位系统是地基系统,通过被动地测量短波信号经电离层反射到达不同基站的时差值对辐射源进行定位,具有探测范围广、隐蔽性高、成本低等优点,可作为主动短波探测系统的重要补充。本文针对短波辐射源目标,围绕多站时差定位这一主题,以时差数据作为处理对象,解决多站短波时差定位技术中布站优化、时差关联和时差定位三个方面的问题。全文主要研究内容概括如下:首先,叙述电离层反射信号的传播场景及对应的时差数据模型,给出传统布站方法、时差关联方法和时差定位方法。为后续章节奠定基础。其次,在实际环境中完全准确的电离层虚高先验信息是难以获取的,但是电离层虚高先验信息的精度是电离层反射信号的时差定位精度的主要影响因素。因此本文将基于电离层的虚高一致性进行布站设计以抑制电离层虚高先验信息误差的影响。其中,虚高一致性是指一定条件下信号到达各基站的路径对应的电离层虚高基本相同。此外,受陆地分布、电力供应和电磁干扰等因素的影响,在实际环境中可布站的位置通常是受限的。这就是布站地理约束。因此本文将基于地理约束进行布站优化问题的研究。为此,本文基于克拉美罗下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)的近似代价函数构造分数二次型整数规划问题并提出改进型球形解码(Sphere Decoding,SD)算法以快速求解该问题,最终实现快速的布站设计。此外,因为临近基站间的电离层虚高一致性是本文进行布站设计和时差定位的基础,所以电离层的虚高一致性检测问题和该问题的改进解法也将被给出。理论分析和仿真结果表明,本文提出的改进型SD算法远远快于遍历搜索算法,其时间复杂度在一定条件下对于离线设计过程是可以接受的;本文提出的改进电离层虚高一致性检测方法相对传统方法具有更好的检测性能。再次,当来自多个辐射源的信号不能用频率、角度等信息分离为多个单信源信号时,系统将因无法获得对应各信号源的一组时差值而不能进行时差定位,此时出现多信源时差关联问题。为利用多信源时差关联问题中的额外先验信息提高关联性能,本文利用贝叶斯稀疏恢复算法求解用于时差关联的多信源稀疏恢复问题。为此,本文提出一种基于复数运算的非线性算子和子空间型鲁棒贝叶斯稀疏恢复(Subspace-based Robust Sparse Bayesian Inference,SRSBI)算法。理论分析和仿真结果表明,经本文提出的非线性算子处理后,用于时差数据关联的稀疏恢复问题的精度上升;并且相对传统多信源稀疏恢复算法,SRSBI算法在大部分仿真条件下可提供更高的时差关联成功概率。最后,多信源时差定位问题经正确的时差关联可转化为多个单信源时差定位问题,因此本文研究基于单信源的时差定位算法。本文分析了参数类时差定位算法在电离层反射传播场景中的应用限制,并针对传统搜索类时差定位算法不能选取到目标最近栅格点的缺点,提出基于加权矩阵训练的鲁棒栅格搜索(Robust Grid Search,RGS)算法。仿真测试结果说明,通过调整栅格密度,RGS算法的加权矩阵训练过程通常是有解的,并且该加权矩阵训练过程的时间复杂度对于离线训练过程是可以接受的。理论分析和仿真结果还表明,在仿真条件下,相比传统搜索类时差定位算法RGS算法具有较高的定位精度和较小的时间复杂度。上述研究内容与成果中改进型SD算法和RGS算法还可推广到其他信号处理场景中。因此,本文的研究对推动无源定位技术的发展与进步具有一定的实际意义。