Алгоритм отслеживания - Track algorithm

А алгоритм отслеживания это радар и сонар стратегия повышения производительности. Алгоритмы отслеживания обеспечивают возможность прогнозирования будущего положения нескольких движущихся объектов на основе истории отдельных положений, сообщаемых сенсорными системами.

Историческая информация накапливается и используется для прогнозирования будущего местоположения для использования при управлении воздушным движением, оценке угроз, доктрине боевой системы, прицеливании орудий, наведении ракет и доставке торпед. Данные о местоположении накапливаются в течение от нескольких минут до нескольких недель.

Есть четыре общих алгоритма отслеживания.^[1]

• Ближайший сосед
• Вероятностная ассоциация данных
• Отслеживание множественных гипотез
• Интерактивная множественная модель (IMM)

История

Оригинальные алгоритмы отслеживания были встроены в специальное оборудование, которое стало обычным явлением во время Второй мировой войны. Это включает в себя трубки для хранения используется с индикаторами запланированного местоположения, индикаторами высоты полета и досками для рисования, используемыми для гражданского управления воздушным движением и управления водными путями. Он также включает специальные аналоговые компьютеры, такие как Компьютер управления огнем Mark I используется с данными радара для прицеливания орудий, ракет и торпед, связанных с военным управлением воздушным движением и управлением водными путями.

Алгоритмы отслеживания были перенесены с аналогового оборудования на цифровые компьютеры с 1950-х по 1980-е годы. Это было необходимо для устранения ограничений, которые включают столкновения в воздухе и другие проблемы, связанные с устаревшим оборудованием, которое было социализировано PATCO и Министерство обороны США. Аналогичные тенденции миграции наблюдались и в других странах мира по аналогичным причинам.

Современные гражданские системы воздушного движения и военные боевые системы зависят от настраиваемых алгоритмов отслеживания, используемых с вычисления в реальном времени подчинены дисплеям и периферийным устройствам.

Ограничениями для современных цифровых вычислительных систем являются скорость обработки, пропускная способность ввода-вывода, количество устройств ввода-вывода и совместимость программного обеспечения с обновленными частями.

Терминология

Алгоритмы отслеживания работают с декартова система координат. Это часто называют прямоугольный координаты и основаны на севере-юге, востоке-западе и высоте. Датчики работают с полярная система координат. Это часто называют сферическими координатами, основанными на высоте, пеленге и дальности. Вот некоторые общие термины.

Срок	Смысл
Азимут	Угол вдоль земного горизонта
Несущий	Угол по искусственному горизонту (палубе)
Высота	Угол выше или ниже горизонта
Классифицировать	Расстояние по плоскости, установленное горизонтом
Наклонный диапазон	Расстояние по истинной прямой видимости
Истинный	Угол в земных координатах с истинным севером в качестве ориентира
Относительный	Угол в координатах палуба-плоскость с использованием курса транспортного средства в качестве ориентира
Прямоугольный	Декартовы координаты, обычно известные как X, Y и Z
Сферический	Полярные координаты, обычно известные как дальность, азимут и высота.

Человеческий интерфейс

Пользователям обычно предоставляется несколько дисплеев, на которых отображается информация из данных трека и необработанных обнаруженных сигналов.

• Индикатор положения плана
• Прокрутка уведомлений о новых треках, разделении треков и объединении треков
• Отображение амплитуды диапазона
• Индикатор высоты диапазона
• Отображение ошибки угла
• Звуковые оповещения (зуммер или голос)

Звуковой сигнал привлекает внимание к прокручивающемуся уведомлению. Это будет содержать номер трека для таких вещей, как нарушение эшелонирования (надвигающееся столкновение) и потерянный трек, не расположенный рядом с местом посадки.

Уведомления с прокруткой и звуковые оповещения не требуют действий пользователя. Другие дисплеи активируются для отображения дополнительной информации только тогда, когда трек выбран пользователем. Основным человеческим интерфейсом для алгоритма отслеживания является дисплей индикатора запланированного положения. Обычно это четыре части информации.

Срок	Смысл
Сырое видео	Аналоговые импульсы обнаружения от радаров и гидролокаторов
Отслеживать	Символ и номер, позволяющие операторам однозначно идентифицировать автомобиль.
Лидер	Линия, показывающая, где будет находиться машина в будущем.
МКФ	Данные транспондера, удостоверяющие личность. Это может включать скорость, высоту и курс коммерческого самолета.

Алгоритм трека создает символы, которые отображаются на индикаторе планового положения.

У пользователей есть указывающее устройство с несколькими кнопками, которое обеспечивает доступ к файлу трека через индикатор планового положения. Типичным указательным устройством является трекбол, который работает следующим образом.

Срок	Смысл
Активировать кнопку	Подведите курсор к центру дисплея.
Катящийся шар	Используется для прокрутки курсора рядом с символом дорожки или необработанным видео с датчика.
Кнопка крючка	Выберите дорожку, когда курсор окажется в желаемом месте.
Кнопка сброса	Верните дисплей в нормальное рабочее состояние (не связанное с сбросом дорожек).

Действие перехвата отключает курсор и отображает дополнительную информацию из алгоритма отслеживания. Пользователь может выполнять действия, пока крючок активен, например, общаться с транспортным средством или уведомлять других пользователей о транспортном средстве, связанном с гусеницей.

Операция

Алгоритм отслеживания ближайшего соседа описан здесь для простоты.

Каждое новое обнаружение, о котором сообщают входящие данные датчика, передается в алгоритм отслеживания, который используется для управления дисплеями.^[2]

Работа алгоритма трека зависит от файла трека, который содержит исторические данные трека, и компьютерной программы, которая периодически обновляет файл трека.^[3]

Информация датчиков (данные радара, сонара и транспондера) передается в алгоритм отслеживания с использованием полярная система координат, и это преобразуется в декартова система координат для алгоритма трека. Преобразование полярных координат в декартово использует навигационные данные для датчиков, установленных на транспортных средствах, что исключает изменения положения датчиков, вызванные движением корабля или самолета, которые в противном случае могли бы повредить данные трека.

Режим отслеживания начинается, когда датчик производит устойчивое обнаружение в определенном объеме пространства.

Алгоритм отслеживания выполняет одно из четырех действий, когда поступают эти новые данные датчика.

Действие	Объяснение
Магазин	Данные датчика временно сохраняются для захвата и оценки трека
Уронить	Сохраненные данные датчика не попали в объем трека или объем захвата в течение установленного времени (отброшены)
Захватывать	Данные датчика находятся рядом с данными предыдущего датчика, не связанными с треком, и создается новый трек
Отслеживать	Данные датчика попадают в объем существующего трека и добавляются в историю трека для этого трека.

Каждый отдельный объект имеет свою собственную независимую информацию о треке. Это называется историей треков. Для объектов, находящихся в воздухе, это может быть до часа. История треков подводных объектов может длиться несколько недель.

Каждый тип датчика выдает разные типы данных трека. Двухмерный радар с веерным лучом не дает информации о высоте. Радар 4D с карандашным лучом будет производить радиальную доплеровскую скорость в дополнение к пеленгу, углу места и наклонной дальности.

Магазин

Данные нового датчика хранятся в течение ограниченного периода времени. Это происходит перед обработкой отслеживания, захвата и отбрасывания.

Сохраненные данные необходимо хранить в течение ограниченного времени, чтобы дать время для сравнения с существующими треками. Сохраненные данные также должны храниться достаточно долго для завершения обработки, необходимой для разработки новых треков.

Уронить

Данные быстро теряют смысл для сенсорных систем, использующих M из N стратегия обнаружения. Сохраненные данные часто теряются после N сканирований истекло менее M обнаружения в определенном объеме.

Обработка отбрасывания происходит только после обработки отслеживания и захвата. Данные отбрасывания иногда могут быть извлечены из основной памяти и записаны на носитель вместе с файлом трека для анализа вне объекта.

Захватывать

Стратегия захвата зависит от типа датчика.

Обработка захвата происходит только после сравнения сохраненных данных датчика со всеми существующими треками.

Без допплера

Обнаружение каждого датчика окружено объем захвата. Он имеет форму коробки. Размер захваченного объема приблизительно равен расстоянию, которое может пройти самый быстрый автомобиль между последовательными сканированиями одного и того же объема пространства.

Датчики (радары) периодически сканируют объем пространства.

Например, расстояние захвата в 10 миль требует периодических сканирований с интервалом не более 15 секунд для обнаружения транспортных средств, движущихся со скоростью 3 Мах. Это ограничение производительности для недоплеровских систем.

Переход к отслеживанию начинается, когда объем захвата для двух обнаружений перекрывается.

${\displaystyle {\text{Capture (3D)}}\;{\begin{cases}\left\vert X({\text{new}})-X(s)\right\vert <{\text{Separation}}\\\left\vert Y({\text{new}})-Y(s)\right\vert <{\text{Separation}}\\\left\vert Z({\text{new}})-Z(s)\right\vert <{\text{Separation}}\end{cases}}}$

${\displaystyle {\text{Capture (2D)}}\;{\begin{cases}\left\vert X({\text{new}})-X(s)\right\vert <{\text{Separation}}\\\left\vert Y({\text{new}})-Y(s)\right\vert <{\text{Separation}}\end{cases}}}$

Каждое новое обнаружение, не связанное с дорожкой, сравнивается с каждым другим обнаружением, еще не сопряженным с дорожкой (взаимная корреляция со всеми сохраненными данными).

Переход к отслеживанию обычно включает стратегию M из N, например как минимум 3 обнаружения из максимум 5 сканирований.

Эта стратегия приводит к появлению большого количества ложных треков из-за помех на горизонте и из-за погодных явлений и биологических факторов. Птицы, насекомые, деревья, волны и штормы генерируют достаточно данных датчиков, чтобы замедлить алгоритм отслеживания.

Чрезмерное количество ложных треков снижает производительность, потому что загрузка алгоритма трека приведет к тому, что он не сможет обновить всю информацию в файле трека до того, как датчики начнут следующее сканирование. Мякина предназначен для отказа в обнаружении за счет использования этой уязвимости.

Индикация движущейся цели (MTI) обычно используется для уменьшения количества ложных помех на дорожках, чтобы избежать перегрузки алгоритма отслеживания. Системы, в которых отсутствует MTI, должны снижать чувствительность приемника или предотвращать переход на отслеживание в регионах с сильными помехами.

Допплер

Привязка и радиальная скорость - уникальные требования для доплеровских датчиков, которые добавляют дополнительные уровни сложности к алгоритму отслеживания.

Радиальная скорость отражателя определяется непосредственно в доплеровских системах путем измерения частоты отражателя за короткий промежуток времени, связанный с обнаружением. Эта частота преобразуется в радиальную скорость.

Радиальная скорость отражателя также определяется путем сравнения расстояния для последовательных сканирований.

Эти два значения вычитаются, и разница кратко усредняется.

${\displaystyle {\text{Lock criteria}}\;{\begin{cases}\mathrm {\left\vert \left({\frac {\Delta R}{\Delta T}}\right)-\left({\frac {C\times {\text{Doppler Frequency}}}{2\times {\text{Transmit Frequency}}}}\right)\right\vert <{\text{Threshold}}} \end{cases}}}$

Если средняя разница падает ниже порога, то сигнал замок.

Замок означает, что сигнал подчиняется Ньютоновская механика. Действующие отражатели производят блокировку. Недействительных сигналов нет. К недопустимым отражениям относятся такие вещи, как лопасти вертолета, где Доплеровский режим не соответствует скорости, с которой транспортное средство движется в воздухе. К недействительным сигналам относятся микроволны, создаваемые источниками, отдельными от передатчика, такими как радиолокационные помехи и обман.

Отражатели, которые не производят сигнал блокировки, не могут быть отслежены с помощью обычного метода. Это означает, что контур обратной связи должен быть открыт для таких объектов, как вертолеты, потому что основная часть транспортного средства может быть ниже скорости отклонения (видны только лопасти).

Переход к отслеживанию является автоматическим для обнаружений, вызывающих блокировку. Это важно для полуактивная радиолокационная система самонаведения для этого требуется информация о скорости, полученная радаром стартовой платформы.

Переход к отслеживанию выполняется вручную для неньютоновских источников сигнала, но для автоматизации процесса можно использовать дополнительную обработку сигнала. Обратная связь по доплеровской скорости должна быть отключена вблизи отражателей, таких как вертолеты, где измерение доплеровской скорости не соответствует радиальной скорости транспортного средства.

Данные импульсного доплеровского датчика включают в себя площадь объекта, радиальную скорость и состояние блокировки, которые являются частью логики принятия решения, включающей объединение треков и разделение треков.

Пассивный

Информация пассивного датчика включает только данные угла или время. Пассивное прослушивание используется, когда система слежения не излучает никакой энергии, например, с подводными системами, с электронными средствами противодействия и с датчиками снарядов.

Три стратегии: бистатическая, синтетическая апертура и время прибытия.

Бистатические измерения включают сравнение данных от нескольких датчиков, которые могут выдавать только угловые данные. Расстояние определяется с помощью параллакс.

Синтетическая апертура предполагает выполнение нескольких угловых измерений во время маневрирования излучателя. Процесс похож на небесная механика где орбита находится из строки данных сайта. Расстояние до транспортного средства, движущегося с постоянной скоростью, будет уменьшаться в дискретных точках вдоль прямой линии, пересекающей линию площадки. В Эффект Кориолиса может использоваться для определения расстояния до этой линии, когда объект сохраняет постоянную скорость во время поворота. Эта стратегия обычно используется с полуактивная радиолокационная система самонаведения и с подводными системами.

Измерения времени используются для определения сигналов от источников импульсов, таких как снаряды и бомбы. Бомбы производят одиночный импульс, и местоположение можно определить, сравнив время прибытия, когда ударная волна проходит через 3 или более датчиков. Снаряды производят начальный импульс от дульного разряда с ударной волной, распространяющейся радиально наружу перпендикулярно траектории сверхзвукового снаряда. Ударная волна от снаряда прибывает до дульного взрыва для приближающегося огня, поэтому оба сигнала должны быть объединены алгоритмом отслеживания. Дозвуковые снаряды испускают ударную волну, которая приходит после дульного взрыва.

Сигнатура излучения сигнала должна использоваться для согласования угловых данных для захвата трека, когда на датчик одновременно поступают несколько источников сигнала.

Отслеживать

Все данные нового датчика сначала сравниваются с существующими треками, а затем выполняется обработка захвата или отбрасывания.

Информация о положении трека и скорости определяет объем трека в будущем положении. Новые данные датчика, попадающие в этот трек-бокс, добавляются к истории треков для этого трека и удаляются из временного хранилища.

${\displaystyle {\text{Append}}\;{\begin{cases}{\text{Size}}>\left\vert X_{s}-(X_{o}+V_{x}\cdot \Delta T)\right\vert \\{\text{Size}}>\left\vert Y_{s}-(Y_{o}+V_{y}\cdot \Delta T)\right\vert \\{\text{Size}}>\left\vert Z_{s}-(Z_{o}+V_{z}\cdot \Delta T)\right\vert \end{cases}}}$

Во время работы измерения датчика XYZ для каждого транспортного средства добавляются в файл трека, связанный с этим транспортным средством. Это история трека, которая используется для отслеживания положения и скорости. Скорость XYZ определяется путем вычитания последовательных значений и деления на разницу во времени между двумя сканированиями.

${\displaystyle {\text{Velocity}}\;{\begin{cases}Vx=(X_{1}-X_{0})/\Delta T\\Vy=(Y_{1}-Y_{0})/\Delta T\\Vz=(Z_{1}-Z_{0})/\Delta T\end{cases}}}$

Треки, на которых автомобиль продолжает обнаруживать, называются активные треки. Объем трека намного меньше, чем объем захвата.

Если не обнаружено никаких обнаружений, на короткое время продолжается отслеживание. Треки без обнаружения становятся береговые трассы. Информация о скорости используется для кратковременного перемещения объема дорожки в пространстве по мере увеличения объема дорожки.

Новые треки, которые попадают в объем захвата трека с береговым движением, взаимно коррелируются с историей трека близлежащего трека с берегом. Если положение и скорость совместимы, то история пройденного по инерции маршрута объединяется с новым курсом. Это называется присоединиться к треку.

Новый трек, который начинается в или рядом с объемом захвата активного трека, называется разделить трек.

Маршрут с выбегом, объединенный путь и разделенный путь вызывают предупреждение оператора. Например, выбег на трассе может быть результатом столкновения воздушного судна, поэтому необходимо определить причину, в противном случае необходимо уведомить руководящий персонал.

Гражданский персонал управления воздушным движением использует выноски, созданные алгоритмом трека, чтобы предупредить пилотов, когда будущее положение двух треков нарушает предел разделения.

Данные трека обычно записываются в том случае, если требуется расследование для установления первопричины потери воздушного судна.

Это частный случай Фильтр Калмана.

Рекомендации

1. «Основы радиолокационного слежения». Институт прикладных технологий.
2. "Местное отслеживание". Radar Tutorial Dot EU.
3. «Сравнение производительности алгоритмов слежения за наземным радаром» (PDF). Университет Анкары.