Algorytm śledzenia

Algorytm śledzenia to strategia poprawy wydajności radaru i sonaru . Algorytmy śledzenia zapewniają możliwość przewidywania przyszłej pozycji wielu poruszających się obiektów na podstawie historii poszczególnych pozycji zgłaszanych przez systemy czujników.

Informacje historyczne są gromadzone i wykorzystywane do przewidywania przyszłej pozycji do wykorzystania w kontroli ruchu lotniczego, szacowaniu zagrożenia, doktrynie systemu walki, celowaniu działa, naprowadzaniu pocisków i dostarczaniu torped. Dane o pozycji są gromadzone w okresie od kilku minut do kilku tygodni.

Istnieją cztery popularne algorytmy śledzenia.

• Najbliższy sąsiad
• Powiązanie danych probabilistycznych
• Śledzenie wielu hipotez
• Interaktywny model wielokrotny (IMM)

Historia

Oryginalne algorytmy śledzenia zostały wbudowane w niestandardowy sprzęt, który stał się powszechny podczas II wojny światowej. Obejmuje to tuby do przechowywania używane z wyświetlaczami wskaźników planowanej pozycji, wyświetlaczami wskaźników wysokości i tablicami do kreślenia długopisem używanymi do cywilnej kontroli ruchu lotniczego i zarządzania drogami wodnymi. Obejmuje również niestandardowe komputery analogowe, takie jak komputer kierowania ogniem Mark I używany z danymi radarowymi do celowania dział, pocisków i torped związanych z wojskową kontrolą ruchu lotniczego i zarządzaniem drogami wodnymi.

Algorytmy śledzenia zostały przeniesione ze sprzętu analogowego do komputerów cyfrowych od lat pięćdziesiątych do osiemdziesiątych XX wieku. Było to konieczne, aby wyeliminować ograniczenia, które obejmują kolizje w powietrzu i inne problemy związane z przestarzałym sprzętem, który został uspołeczniony przez PATCO i Departament Obrony Stanów Zjednoczonych . Podobne trendy migracyjne występowały w innych krajach na całym świecie z podobnych powodów.

Współczesny cywilny ruch lotniczy i wojskowe systemy bojowe zależą od niestandardowych algorytmów śledzenia używanych z obliczeniami w czasie rzeczywistym, które są podporządkowane wyświetlaczom i urządzeniom peryferyjnym.

Ograniczenia dla nowoczesnych cyfrowych systemów komputerowych to szybkość przetwarzania, przepustowość wejścia-wyjścia, liczba urządzeń wejścia-wyjścia oraz kompatybilność oprogramowania z częściami modernizacyjnymi.

Terminologia

Algorytmy śledzenia działają w kartezjańskim układzie współrzędnych . Nazywa się to często prostokątnymi i opiera się na osi północ-południe, wschód-zachód i wysokości. Czujniki działają w układzie współrzędnych biegunowych . Nazywa się to często współrzędnymi sferycznymi na podstawie wysokości, namiaru i zasięgu. Oto kilka powszechnych terminów.

Termin	Oznaczający
Azymut	Kąt wzdłuż horyzontu ziemi
Łożysko	Kąt wzdłuż sztucznego horyzontu (pokład)
Podniesienie	Kąt powyżej lub poniżej horyzontu
Zakres	Odległość wzdłuż płaszczyzny wyznaczonej przez horyzont
Zakres nachylenia	Odległość wzdłuż prawdziwej linii wzroku
PRAWDA	Kąt we współrzędnych ziemskich z rzeczywistą północą jako odniesieniem
Względny	Kąt we współrzędnych płaszczyzny pokładu przy użyciu kursu pojazdu jako odniesienia
Prostokątny	Współrzędne kartezjańskie zwykle znane jako X, Y i Z
Kulisty	Współrzędne biegunowe zwykle określane jako zasięg, kierunek i wysokość

Interfejs ludzki

Użytkownikom zazwyczaj przedstawia się kilka ekranów, które pokazują informacje z danych toru i wykrytych nieprzetworzonych sygnałów.

• Wskaźnik pozycji planu
• Przewijanie powiadomień o nowych ścieżkach, dzieleniu ścieżek i dołączaniu do ścieżek
• Wyświetlacz amplitudy zakresu
• Wskaźnik wysokości zasięgu
• Wyświetlanie błędu kąta
• Alerty dźwiękowe (brzęczyk lub głos)

Alarm dźwiękowy zwraca uwagę na przewijane powiadomienie. Spowoduje to wyświetlenie numeru toru dla rzeczy takich jak naruszenie separacji (zbliżająca się kolizja) i utracony tor, który nie znajduje się w pobliżu lądowiska.

Przewijane powiadomienia i alarmy dźwiękowe nie wymagają żadnych działań ze strony użytkownika. Inne wyświetlacze uaktywniają się, aby pokazać dodatkowe informacje tylko wtedy, gdy użytkownik wybierze utwór. Podstawowym interfejsem użytkownika dla algorytmu śledzenia jest wyświetlacz wskaźnika planowanej pozycji. Zazwyczaj zawiera to cztery informacje.

Termin	Oznaczający
Surowe wideo	Analogowe impulsy detekcji z systemów radarowych i sonarowych
Ścieżka	Symbol i numer umożliwiający operatorom jednoznaczną identyfikację pojazdu
Lider	Linia pokazująca miejsce, w którym pojazd będzie się znajdował w przyszłości.
IFF	Dane transpondera pokazujące tożsamość. Może to obejmować prędkość, wysokość i kurs w samolocie komercyjnym.

Algorytm ścieżki tworzy symbolikę, która jest wyświetlana na wskaźniku pozycji planu.

Użytkownicy mają do dyspozycji urządzenie wskazujące z kilkoma przyciskami, które zapewniają dostęp do pliku ścieżki za pośrednictwem wskaźnika pozycji planu. Typowym urządzeniem wskazującym jest kulka śledząca, która działa w następujący sposób.

Termin	Oznaczający
Przycisk aktywacji	Przesuń kursor na środek wyświetlacza.
Tocząca się piłka	Służy do przewijania kursora w pobliżu symbolu ścieżki lub surowego wideo z czujnika.
Przycisk haka	Wybierz utwór, gdy kursor znajdzie się w żądanym miejscu.
Upuść przycisk	Przywróć wyświetlacz do normalnego stanu roboczego (nie związanego z upuszczaniem śladów).

Akcja haka wyłącza kursor i wyświetla dodatkowe informacje z algorytmu śledzenia. Użytkownik może wykonywać czynności, gdy hak jest aktywny, na przykład komunikować się z pojazdem lub powiadamiać innych użytkowników o pojeździe powiązanym z torem.

Operacja

Dla uproszczenia opisano tutaj algorytm ścieżki najbliższego sąsiada.

Każde nowe wykrycie zgłaszane z przychodzących danych z czujników jest wprowadzane do algorytmu śledzenia, który jest używany do sterowania wyświetlaczami.

Działanie algorytmu toru zależy od pliku toru, który zawiera historyczne dane toru, oraz od programu komputerowego, który okresowo aktualizuje plik toru.

Informacje z czujników (dane radaru, sonaru i transpondera) są dostarczane do algorytmu śledzenia za pomocą biegunowego układu współrzędnych , który jest konwertowany na kartezjański układ współrzędnych dla algorytmu śledzenia. Konwersja biegunowa na kartezjańską wykorzystuje dane nawigacyjne dla czujników zamontowanych na pojazdach, co eliminuje zmiany położenia czujnika spowodowane ruchem statków i samolotów, które w przeciwnym razie mogłyby uszkodzić dane toru.

Tryb śledzenia rozpoczyna się, gdy czujnik generuje ciągłe wykrywanie w określonej objętości przestrzeni.

Algorytm śledzenia podejmuje jedno z czterech działań, gdy docierają te nowe dane z czujnika.

Działanie	Wyjaśnienie
Sklep	Dane z czujników są tymczasowo przechowywane w celu przechwytywania i oceny śledzenia
Upuszczać	Przechowywane dane z czujnika nie mieściły się w zakresie głośności ścieżki lub głośności przechwytywania w limicie czasu (odrzucone)
Schwytać	Dane z czujnika zbliżają się do poprzednich danych z czujnika niezwiązanych z torem i tworzony jest nowy tor
Ścieżka	Dane z czujnika mieszczą się w objętości istniejącej ścieżki i są dodawane do historii ścieżki dla tej ścieżki

Każdy oddzielny obiekt ma swoje własne, niezależne informacje o ścieżce. Nazywa się to historią śledzenia. W przypadku obiektów unoszących się w powietrzu może to trwać nawet godzinę. Historia śledzenia obiektów podwodnych może sięgać kilku tygodni wstecz.

Każdy inny rodzaj czujnika generuje różne rodzaje danych o torze. Radar 2D z wiązką wachlarzową nie generuje informacji o wysokości. Radar 4D z wiązką ołówkową będzie generować promieniową prędkość Dopplera oprócz namiaru, wysokości i zakresu nachylenia.

Sklep

Nowe dane z czujnika są przechowywane przez ograniczony czas. Dzieje się to przed śledzeniem, przechwytywaniem i przetwarzaniem upuszczania.

Przechowywane dane muszą być przechowywane przez ograniczony czas, aby dać czas na porównanie z istniejącymi ścieżkami. Przechowywane dane muszą być również przechowywane wystarczająco długo, aby zakończyć przetwarzanie wymagane do opracowania nowych utworów.

Upuszczać

Dane szybko tracą sens w przypadku systemów czujników wykorzystujących strategię wykrywania M z N. Przechowywane dane są często usuwane po wygaśnięciu N skanowań z mniejszą niż M wykryciami w określonym woluminie.

Przetwarzanie upuszczania ma miejsce dopiero po przetworzeniu śledzenia i przechwytywania. Dane zrzutu mogą być czasami wyodrębniane z pamięci głównej i zapisywane na nośnikach pamięci wraz z plikiem ścieżki do analizy poza terenem zakładu.

Schwytać

Strategia przechwytywania zależy od rodzaju czujnika.

Przetwarzanie przechwytywania odbywa się dopiero po porównaniu zapisanych danych z czujników ze wszystkimi istniejącymi ścieżkami.

Bez Dopplera

Każde wykrycie czujnika jest otoczone objętością przechwytywania . To ma kształt pudełka. Wielkość obszaru przechwytywania to w przybliżeniu odległość, jaką najszybszy pojazd może przebyć między kolejnymi skanami tej samej objętości przestrzeni.

Czujniki (radary) okresowo skanują objętość przestrzeni.

Na przykład odległość przechwytywania wynosząca 10 mil wymaga okresowych skanów w odstępie nie większym niż 15 sekund w celu wykrycia pojazdów poruszających się z prędkością 3 machów. Jest to ograniczenie wydajności dla systemów bez Dopplera.

Przejście do ścieżki rozpoczyna się, gdy głośność przechwytywania dla dwóch detekcji nakłada się.

${\ Displaystyle {\ tekst {przechwytywanie (3D)}} \; {\ rozpocząć {przypadki} \ lewo \ vert X ({\ tekst {nowy}}) -X (s) \ prawo \ vert <{\ tekst {Separacja }}\\\left\vert Y({\text{nowy}})-Y(s)\right\vert <{\text{Separacja}}\\\left\vert Z({\text{new}} )-Z(s)\right\vert <{\text{Separacja}}\end{przypadki}}}$

${\ Displaystyle {\ tekst {przechwytywanie (2D)}} \; {\ rozpocząć {przypadki} \ lewo \ vert X ({\ tekst {nowy}}) -X (s) \ prawo \ vert <{\ tekst {Separacja }}\\\left\vert Y({\text{nowy}})-Y(s)\right\vert <{\text{Separacja}}\end{przypadki}}}$

Każde nowe wykrycie, które nie zostało sparowane ze ścieżką, jest porównywane z każdą inną detekcją, która nie została jeszcze sparowana ze ścieżką (korelacja krzyżowa ze wszystkimi przechowywanymi danymi).

Przejście do śledzenia zazwyczaj obejmuje strategię M z N, taką jak co najmniej 3 wykrycia z maksymalnie 5 skanów.

Strategia ta generuje dużą liczbę fałszywych śladów z powodu bałaganu w pobliżu horyzontu oraz w lepkości zjawisk pogodowych i biologicznych. Ptaki, owady, drzewa, fale i burze generują wystarczającą ilość danych z czujników, aby spowolnić algorytm śledzenia.

Nadmierna liczba fałszywych ścieżek obniża wydajność, ponieważ ładowanie algorytmu śledzenia spowoduje, że nie uda się zaktualizować wszystkich informacji w pliku śledzenia, zanim czujniki rozpoczną następne skanowanie. Chaff ma na celu uniemożliwienie wykrycia poprzez wykorzystanie tej słabości.

Wskazanie ruchomego celu (MTI) jest zwykle używane w celu zmniejszenia liczby fałszywych ścieżek bałaganu, aby uniknąć przeciążenia algorytmu śledzenia. Systemy pozbawione MTI muszą zmniejszać czułość odbiornika lub uniemożliwiać przejście na tor w regionach o dużym natężeniu ruchu.

Dopplera

Blokada i prędkość radialna to wyjątkowe wymagania dla czujników Dopplera, które dodają dodatkowe warstwy złożoności do algorytmu śledzenia.

Prędkość radialną reflektora określa się bezpośrednio w systemach Dopplera, mierząc częstotliwość reflektora w krótkim okresie czasu związanym z detekcją. Częstotliwość ta jest przeliczana na prędkość radialną.

Prędkość radialną reflektora określa się również porównując odległość dla kolejnych skanów.

Obie są odejmowane, a różnica jest krótko uśredniana.

${\ Displaystyle {\ tekst {Kryteria blokady}} \; {\ rozpocząć {przypadki} \ operatorname {\ lewo \ vert \ lewo ({\ Frac {\ Delta R} {\ Delta T}} \ prawo) - \ left({\frac {C\times {\text{Częstotliwość Dopplera}}}{2\times {\text{Częstotliwość transmisji}}}}\right)\right\vert <{\text{Próg}}} \end {sprawy}}}$

Jeśli średnia różnica spadnie poniżej progu, sygnałem jest blokada .

Blokada oznacza, że ​​sygnał jest zgodny z mechaniką Newtona . Prawidłowe reflektory powodują blokadę. Nieprawidłowe sygnały nie. Nieprawidłowe odbicia obejmują takie elementy, jak śmigła helikoptera, gdzie Doppler nie odpowiada prędkości, z jaką pojazd porusza się w powietrzu. Nieprawidłowe sygnały obejmują mikrofale wytwarzane przez źródła niezależne od nadajnika, takie jak zagłuszanie radaru i oszustwa .

Reflektory, które nie wytwarzają sygnału blokady, nie mogą być śledzone przy użyciu konwencjonalnej techniki. Oznacza to, że pętla sprzężenia zwrotnego musi zostać otwarta dla obiektów takich jak helikoptery, ponieważ główny korpus pojazdu może znajdować się poniżej prędkości odrzutu (widoczne są tylko łopaty).

Przejście na ścieżkę jest automatyczne w przypadku wykrycia powodującego blokadę. Jest to niezbędne do półaktywnego naprowadzania radaru , które wymaga informacji o prędkości uzyskanych przez radar platformy startowej.

Przejście do ścieżki jest ręczne dla nieniutonowskich źródeł sygnału, ale dodatkowe przetwarzanie sygnału może być użyte do zautomatyzowania procesu. Dopplerowskie sprzężenie zwrotne prędkości musi być wyłączone w pobliżu reflektorów, takich jak helikoptery, gdzie pomiar prędkości Dopplera nie odpowiada prędkości radialnej pojazdu.

Dane czujnika pulsacyjno-dopplerowskiego obejmują obszar obiektu, prędkość radialną i stan blokady, które są częścią logiki decyzyjnej obejmującej łączenie i dzielenie ścieżek.

Bierny

Informacje z czujnika pasywnego obejmują tylko dane dotyczące kąta lub czas. Pasywne słuchanie jest używane, gdy system śledzenia nie emituje żadnej energii, na przykład w systemach podwodnych, z elektronicznymi środkami zaradczymi i czujnikami pocisków.

Trzy strategie to bistatyczna, syntetyczna apertura i czas przybycia .

Pomiary bistatyczne obejmują porównywanie danych z wielu czujników, które mogą generować tylko dane kątowe. Odległość jest identyfikowana za pomocą paralaksy .

Syntetyczna apertura polega na wykonywaniu wielu pomiarów kątowych podczas manewrów emitera. Proces ten jest podobny do mechaniki nieba , w której orbitę wyznacza się na podstawie linii danych o miejscu. Odległość do pojazdu poruszającego się ze stałą prędkością będzie się zmniejszać w dyskretnych punktach wzdłuż linii prostej przecinającej linię terenu. Efekt Coriolisa można wykorzystać do określenia odległości do tej linii, gdy obiekt utrzymuje stałą prędkość podczas zakrętu. Ta strategia jest zwykle stosowana w przypadku półaktywnego naprowadzania radaru i systemów podwodnych.

Pomiary czasu służą do identyfikacji sygnałów ze źródeł impulsowych, takich jak pociski i bomby. Bomby wytwarzają pojedynczy impuls, a lokalizację można określić, porównując czas nadejścia fali uderzeniowej, która przechodzi przez 3 lub więcej czujników. Pociski wytwarzają początkowy impuls z podmuchu wylotowego z falą uderzeniową przemieszczającą się promieniowo na zewnątrz prostopadle do toru pocisku naddźwiękowego. Fala uderzeniowa z pocisku dociera przed podmuchem wylotowym dla ognia nadlatującego, więc algorytm śledzenia musi sparować oba sygnały. Pociski poddźwiękowe emitują falę uderzeniową, która pojawia się po wystrzale.

Sygnatura emisji sygnału musi być wykorzystana do dopasowania danych kątowych, aby wykonać przechwytywanie ścieżki, gdy wiele źródeł sygnału dociera do czujnika jednocześnie.

Ścieżka

Wszystkie nowe dane z czujników są najpierw porównywane z istniejącymi ścieżkami, zanim nastąpi przechwycenie lub upuszczenie.

Informacje o pozycji i prędkości toru określają objętość toru w przyszłej pozycji. Nowe dane czujnika, które znajdują się w tym polu toru, są dołączane do historii toru dla tego toru i usuwane z pamięci tymczasowej.

${\ Displaystyle {\ tekst {Dołącz}} \; {\ rozpocząć {przypadki} {\ tekst {Rozmiar}}> \ lewo \ vert X_ {s} - (X_ {o} + V_ {x} \ cdot \ Delta T )\right\vert \\{\text{Rozmiar}}>\left\vert Y_{s}-(Y_{o}+V_{y}\cdot \Delta T)\right\vert \\{\text{ Rozmiar}}>\left\vert Z_{s}-(Z_{o}+V_{z}\cdot \Delta T)\right\vert \end{cases}}}$

Podczas pracy pomiary czujnika XYZ dla każdego pojazdu są dołączane do pliku śladu powiązanego z tym pojazdem. Jest to historia śladu używana do śledzenia pozycji i prędkości. Prędkość XYZ jest określana przez odjęcie kolejnych wartości i podzielenie przez różnicę czasu między dwoma skanami.

${\ Displaystyle {\ tekst {Prędkość}} \; {\begin{przypadki}Vx=(X_{1}-X_{0})/\Delta T\\Vy=(Y_{1}-Y_{0})/\Delta T\\Vz=(Z_{1 }-Z_{0})/\Delta T\end{przypadki}}}$

Ślady, na których pojazd nadal wykrywa, nazywane są śladami aktywnymi . Głośność ścieżki jest znacznie mniejsza niż głośność przechwytywania.

Śledzenie jest kontynuowane przez krótki czas przy braku jakichkolwiek wykrytych śladów. Ścieżki bez wykrycia stają się torami z wybiegiem . Informacje o prędkości są wykorzystywane do krótkotrwałego przemieszczania głośności ścieżki w przestrzeni, gdy głośność ścieżki jest zwiększana.

Nowe tory, które mieszczą się w obszarze przechwytywania toru z wybiegiem, są skorelowane krzyżowo z historią toru pobliskiego toru z wybiegiem. Jeśli pozycja i prędkość są zgodne, historia toru wybiegu jest łączona z nowym torem. Nazywa się to ścieżką łączenia .

Nowa ścieżka, która zaczyna się w głośności przechwytywania ścieżki aktywnej lub w jej pobliżu, jest nazywana ścieżką podzieloną .

Tor z wybiegiem, tor połączony i tor podzielony wyzwalają alert operatora. Na przykład wybrzeże toru może wynikać z kolizji statku powietrznego, dlatego należy ustalić przyczynę, w przeciwnym razie należy powiadomić personel nadzorujący.

Cywilny personel kontroli ruchu lotniczego używa liderów tworzonych przez algorytm śledzenia, aby ostrzegać pilotów, gdy przyszłe położenie dwóch torów narusza granicę separacji .

Dane trasy są zwykle rejestrowane w przypadku, gdy wymagane jest dochodzenie w celu ustalenia pierwotnej przyczyny utraty samolotu.

Jest to szczególny przypadek filtra Kalmana .