Алгоритм отслеживания

Алгоритм отслеживания — это радаров и гидролокаторов стратегия повышения производительности . Алгоритмы отслеживания обеспечивают возможность прогнозировать будущее положение нескольких движущихся объектов на основе истории отдельных положений, сообщаемых сенсорными системами.

Историческая информация накапливается и используется для прогнозирования будущей позиции для использования в управлении воздушным движением, оценке угрозы, доктрине боевой системы, прицеливании орудия, наведении ракет и доставке торпед. Данные о местоположении накапливаются в течение периода от нескольких минут до нескольких недель.

Существует четыре распространенных алгоритма отслеживания.

• Ближайший сосед
• Ассоциация вероятностных 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 трубки для хранения, используемые с индикаторами планового положения, индикаторами высоты дальности и досками для рисования, используемыми для управления гражданским воздушным движением и управлением водными путями. Он также включает в себя специальные аналоговые компьютеры, такие как компьютер управления огнем Mark I, используемый с радиолокационными данными для наведения 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, в том числе столкновений в воздухе и других проблем, связанных с устаревшим оборудованием, о котором сообщили PATCO и Министерство обороны США . Аналогичные миграционные тенденции наблюдались и в других странах мира по тем же причинам.

Современное гражданское воздушное движение и военные боевые системы зависят от специальных 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 модернизируемыми частями.

Терминология

Алгоритмы отслеживания работают в декартовой системе координат . Их часто называют прямоугольными координатами, и они основаны на координатах север-юг, восток-запад и высоте. Датчики работают с использованием полярной системы координат . Их часто называют сферическими координатами, основанными на высоте, пеленге и дальности. Некоторая общая терминология такова.

Срок	Значение
Азимут	Угол вдоль земного горизонта
Несущий	Угол по авиагоризонту (палубе)
Высота	Угол выше или ниже горизонта
Диапазон	Расстояние по плоскости, установленной горизонтом
Наклонный диапазон	Расстояние по истинной прямой видимости
Истинный	Угол в земных координатах с истинным севером в качестве ссылки
Родственник	Угол в координатах плоскости палубы 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, пеленг 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 угловой ошибки
• Звуковые оповещения (зуммер или голос)

Звуковое оповещение привлекает внимание к уведомлению о прокрутке. Здесь будет указан номер пути для таких вещей, как нарушение эшелонирования (надвигающееся столкновение) и потеря пути, не расположенная рядом с посадочной площадкой.

Уведомления о прокрутке и звуковые оповещения не требуют действий пользователя. Другие дисплеи активируются для отображения дополнительной информации только тогда, когда пользователь выбирает трек. Основным человеческим интерфейсом для алгоритма слежения является отображение индикатора запланированного положения. Обычно это содержит четыре части информации.

Срок	Значение
Необработанное видео	Аналоговые импульсы обнаружения от радиолокационных и гидролокационных систем
Отслеживать	Символ и номер, позволяющие операторам однозначно идентифицировать транспортное средство.
Лидер	Линия, показывающая, где автомобиль будет находиться в будущем.
МКФ	Данные транспондера, подтверждающие личность. Это может включать скорость, высоту и курс коммерческого самолета.

Алгоритм отслеживания создает символы, которые отображаются на индикаторе положения на плане.

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

Срок	Значение
Активировать кнопку	Подведите курсор к центру дисплея.
Катящийся шар	Используется для прокрутки курсора возле символа дорожки или необработанного видео с датчика.
Кнопка-крючок	Выберите дорожку, как только курсор окажется в нужном месте.
Кнопка сброса	Верните дисплей в нормальное рабочее состояние (не связанное с выпадением дорожек).

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

Операция

Алгоритм отслеживания ближайшего соседа описан здесь для простоты.

Каждое новое обнаружение, полученное на основе входящих данных датчиков, 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) передается в алгоритм отслеживания с использованием полярной системы координат , которая преобразуется в декартову систему координат для алгоритма отслеживания. При преобразовании полярной системы в декартовую используются навигационные данные датчиков, установленных на транспортных средствах, что исключает изменения положения датчиков, вызванные движением корабля и самолета, которые в противном случае могли бы исказить данные пути.

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

Алгоритм отслеживания выполняет одно из четырех действий при поступлении новых данных датчика.

Действие	Объяснение
Магазин	Данные датчиков временно сохраняются для захвата и оценки отслеживания.
Уронить	Сохраненные данные датчика не попали в объем дорожки или объем захвата в течение установленного срока (отбрасываются)
Захватывать	Данные датчика совпадают с предыдущими данными датчика, не связанными с треком, и создается новый трек.
Отслеживать	Данные датчиков попадают в объем существующего трека и добавляются в историю трека для этого трека.

Каждый отдельный объект имеет свою независимую информацию о треке. Это называется историей треков. Для воздушных объектов это может занять до часа. История отслеживания подводных объектов может длиться несколько недель.

Каждый тип датчика генерирует разные типы данных трека. 2D-радар с веерным лучом не дает информации о высоте. 4D-радар с карандашным лучом будет определять радиальную доплеровскую скорость в дополнение к азимуту, углу места и наклонной дальности.

Магазин

Данные новых датчиков хранятся в течение ограниченного периода времени. Это происходит перед обработкой отслеживания, захвата и удаления.

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 всякую ценность для сенсорных систем, использующих M из N. стратегию обнаружения Сохраненные данные часто удаляются после того, как N сканирований истекли, и менее M. в определенном томе было обнаружено

Обработка удаления происходит только после обработки отслеживания и захвата. Данные падения иногда могут быть извлечены из основной памяти и записаны на носитель вместе с файлом дорожки для удаленного анализа.

Захватывать

Стратегия захвата зависит от типа датчика.

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

Недопплеровский

Каждый датчик обнаружения окружен объемом захвата . Он имеет форму коробки. Размер объема захвата примерно равен расстоянию, которое может преодолеть самое быстрое транспортное средство между последовательными сканированиями одного и того же объема пространства.

Датчики (радары) периодически сканируют объем пространства.

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

Переход на трекинг начинается при перекрытии объемов захвата для двух детекций.

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

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

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

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

Эта стратегия приводит к большому количеству ложных следов из-за помех у горизонта, а также из-за нестабильности погодных и биологических явлений. Птицы, насекомые, деревья, волны и штормы генерируют достаточно данных с датчиков, чтобы замедлить алгоритм отслеживания.

Чрезмерное количество ложных треков снижает 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. Цель Chaff — воспрепятствовать обнаружению, используя эту слабость.

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

допплер

Фиксация и радиальная скорость являются уникальными требованиями для доплеровских датчиков, которые усложняют алгоритм 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.

Два вычитаются, и разница кратко усредняется.

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

Если средняя разница падает ниже порога, то это сигнал блокировки .

Блокировка означает, что сигнал подчиняется механике Ньютона . Действующие отражатели производят блокировку. Недействительные сигналы этого не делают. К недопустимым отражениям относятся такие вещи, как лопасти вертолета, где доплеровское значение не соответствует скорости движения транспортного средства по воздуху. К недействительным сигналам относятся микроволны, создаваемые источниками, отдельными от передатчика, например радиолокационные помехи и обман .

Отражатели, не генерирующие сигнал захвата, не могут быть отслежены традиционными методами. Это означает, что контур обратной связи должен быть открыт для таких объектов, как вертолеты, поскольку основная часть транспортного средства может иметь скорость ниже скорости отклонения (видны только лопасти).

Переход к отслеживанию происходит автоматически при обнаружении, вызывающем блокировку. Это важно для полуактивного радиолокационного самонаведения , для которого требуется информация о скорости, полученная радаром стартовой платформы.

Переход к отслеживанию осуществляется 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 импульсно-доплеровского датчика включают площадь объекта, радиальную скорость и состояние захвата, которые являются частью логики принятия решения, включающей объединение и разделение треков.

Пассивный

Информация пассивного датчика включает в себя только данные об угле или времени. Пассивное прослушивание используется, когда система слежения не излучает никакой энергии, например, в подводных системах, электронных средствах противодействия и датчиках 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 аналогичен небесной механике , где орбита находится по данным линии местности. Расстояние до транспортного средства, движущегося с постоянной скоростью, будет находиться в отдельных точках вдоль прямой линии, пересекающей линию объекта. Эффект Кориолиса можно использовать для определения расстояния до этой линии, когда объект сохраняет постоянную скорость во время поворота. Эта стратегия обычно используется с полуактивным радиолокационным самонаведением и подводными системами.

Измерения времени используются для идентификации сигналов от источников импульсов, например от снарядов и бомб. Бомбы производят одиночный импульс, и местоположение можно определить, сравнивая время прибытия, когда ударная волна проходит через 3 или более датчиков. Снаряды производят первоначальный импульс от дульного взрыва с ударной волной, распространяющейся радиально наружу, перпендикулярно траектории сверхзвукового снаряда. Ударная волна от снаряда приходит до дульного выстрела для приближающегося огня, поэтому оба сигнала должны быть объединены алгоритмом слежения. Дозвуковые снаряды испускают ударную волну, возникающую после дульного выстрела.

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

Отслеживать

Все новые данные датчиков сначала сравниваются с существующими треками, прежде чем происходит обработка захвата или удаления.

Информация о положении трека и скорости определяет объем трека в будущей позиции. Новые данные датчика, попадающие в этот блок отслеживания, добавляются в историю отслеживания для этого трека и удаляются из временного хранилища.

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

Во время работы измерения датчиков 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.

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

Треки, по которым транспортное средство продолжает обнаруживать, называются активными треками . Громкость трека намного меньше громкости захвата.

Отслеживание продолжается ненадолго при отсутствии каких-либо обнаружений. Треки, которые не были обнаружены, становятся треками с выбегом . Информация о скорости используется для кратковременного перемещения объема трека в пространстве по мере увеличения объема трека.

Новые треки, попадающие в объем захвата выехавшего пути, перекрестно коррелируют с историей пути ближайшего выехавшего пути. Если положение и скорость совместимы, то история пройденного пути объединяется с новым маршрутом. Это называется объединенной дорожкой .

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

Выбег по пути, объединенный путь и разделенный путь вызывают оповещение оператора. Например, вылет на трассу может возникнуть в результате столкновения воздушного судна, поэтому необходимо определить причину, в противном случае необходимо уведомить руководящий персонал.

Гражданский персонал управления воздушным движением использует указатели, создаваемые алгоритмом пути, для предупреждения пилотов, когда будущее положение двух путей нарушает предел разделения .

Данные о маршрутах обычно записываются в случае необходимости расследования для установления основной причины потери самолета.

Это частный случай фильтра Калмана .