Алгоритм трека - Track algorithm

Алгоритм дорожки является радар и сонар стратегии 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 боевых систем, наведении орудий, наведении ракет и доставке торпед. Данные о местоположении накапливаются в течение от нескольких минут до нескольких недель.

Есть четыре общих алгоритма отслеживания.

  • 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. Сюда входят резервуары для хранения, используемые с дисплеями индикаторов запланированного положения, дисплеями индикаторов высоты дальности 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, используемый с данными радара для прицеливания орудий, ракет и торпед, связанных с управлением военным воздушным движением и управлением водными путями.

Алгоритмы треков 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 Министерством обороны США . Аналогичные тенденции миграции наблюдались и в других странах мира по аналогичным причинам.

Современные системы гражданского воздушного движения и военные боевые системы зависят от настраиваемых алгоритмов отслеживания, используемых с вычислениями в реальном времени, подчиненными 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 частями обновления.

Терминология

Алгоритмы слежения работают с декартовой системой координат . Это часто называется прямоугольными координатами и основывается на севере-юге, востоке-западе и высоте. Датчики работают в полярной системе координат . Это часто называют сферическими координатами, основанными на высоте, пеленге и дальности. Вот некоторые общие термины.

Срок Смысл
Азимут Угол вдоль земного горизонта
Подшипник Угол по искусственному горизонту (палубе)
Высота Угол выше или ниже горизонта
Ассортимент Расстояние по плоскости, установленное горизонтом
Наклонный диапазон Расстояние по истинной прямой видимости
Правда Угол в земных координатах с истинным севером в качестве ориентира
Родственник 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.

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
Трек 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 отслеживания 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 Drop 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.

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

Информация датчиков (данные радара, сонара и транспондера) предоставляется алгоритму отслеживания с использованием полярной системы координат , и она преобразуется в декартову систему координат для алгоритма отслеживания. Полярное преобразование в декартово использует навигационные данные для датчиков, установленных на транспортных средствах, что устраняет 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
хранить Данные датчика временно сохраняются для захвата и оценки трека
Падение Сохраненные данные датчика не попали в объем трека или объем захвата в течение установленного времени (отброшены)
Захватить Данные датчика находятся рядом с данными предыдущего датчика, не связанными с треком, и создается новый трек
Трек 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.

хранить

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.

Падение

Данные быстро теряют смысл для сенсорных систем, использующих стратегию обнаружения M из N. Сохраненные данные часто удаляются после того , как истек срок N сканирований с менее чем M обнаружениями в определенном томе.

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.

Захватить

Стратегия захвата зависит от типа датчика.

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

Без допплера

Каждое обнаружение датчика окружено объемом 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 маха. Это ограничение производительности для недоплеровских систем.

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

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 в себя 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 ухудшает производительность, поскольку загрузка алгоритма трека приведет к тому, что он не сможет обновить всю информацию в файле трека до того, как датчики начнут следующее сканирование. Чафф призван отрицать обнаружение, используя эту слабость.

Индикация движущейся цели (MTI) обычно используется для уменьшения количества ложных препятствий на пути следования, 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.

Если средняя разница опускается ниже порогового значения, сигнал является блокировкой .

Замок означает, что сигнал подчиняется механике Ньютона . Действующие отражатели производят блокировку. Недействительных сигналов нет. К недействительным отражениям относятся такие вещи, как лопасти вертолета, где доплеровский эффект не соответствует скорости, с которой транспортное средство движется в воздухе. К недействительным сигналам относятся микроволны, создаваемые источниками, отдельными от передатчика, например, 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 выполняется автоматически при обнаружении блокировки. Это важно для полуактивного радиолокационного самонаведения , для которого требуется информация о скорости, полученная радиолокатором стартовой платформы.

Переход к треку выполняется вручную для неньютоновских источников сигнала, но для автоматизации процесса может использоваться дополнительная обработка 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 параллакса .

Синтетическая апертура предполагает выполнение нескольких угловых измерений во время маневрирования излучателя. Этот процесс похож на небесную механику, где орбита определяется по строке данных о местоположении. Расстояние до транспортного средства, движущегося с постоянной скоростью, будет уменьшаться в дискретных точках вдоль прямой линии, пересекающей линию площадки. Эффект Кориолиса можно использовать для определения расстояния до этой линии, когда объект сохраняет постоянную скорость во время поворота. Эта стратегия обычно используется с полуактивным радаром 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 взрыва с ударной волной, распространяющейся радиально наружу перпендикулярно траектории сверхзвукового снаряда. Ударная волна от снаряда приходит до дульного взрыва для приближающегося огня, поэтому оба сигнала должны быть объединены алгоритмом слежения. 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.

Трек

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

Информация о положении и скорости трека 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.

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.

Треки, по которым автомобиль продолжает обнаруживать, называются активными треками . Объем трека намного меньше, чем объем захвата.

Если обнаружено, что трек будет продолжен ненадолго. Треки без обнаружений становятся траекториями с выбегом . 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 дорожкой соединения .

Новая дорожка, которая начинается в или рядом с объемом захвата активной дорожки, называется разделенной дорожкой .

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 контролирующий персонал.

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

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

Это частный случай фильтра Калмана .

Ссылки