Sporalgoritme - Track algorithm

En sporalgoritme er en strategi til forbedring af radar og ekkolod . Sporingsalgoritmer giver mulighed for at forudsige fremtidig placering af flere bevægelige objekter baseret på historikken for de individuelle positioner, der rapporteres af sensorsystemer.

Historisk information akkumuleres og bruges til at forudsige fremtidig position til brug med lufttrafikstyring, trusselestimering, bekæmpelsessystemlære, pistolmålretning, missilstyring og torpedo-levering. Positionsdata akkumuleres i løbet af et par minutter til et par uger.

Der er fire almindelige sporalgoritmer.

• Nærmeste nabo
• Probabilistic Data Association
• Multiple hypotese tracking
• Interaktiv multiple model (IMM)

Historie

De originale sporingsalgoritmer blev indbygget i brugerdefineret hardware, der blev almindelig under 2. verdenskrig. Dette inkluderer opbevaringsrør, der bruges med planlagte positionsindikatorskærme, rækkeviddehøjdeindikatorskærme, og penplanlægningsplader, der bruges til civilt lufttrafikstyring og vandvejsstyring. Det inkluderer også brugerdefinerede analoge computere, ligesom Mark I-brandkontrolcomputeren, der bruges med radardata til at sigte pistoler, missiler og torpedoer, der er forbundet med militær flyvekontrol og vandvejsstyring.

Sporalgoritmer blev migreret fra analogt udstyr til digitale computere fra 1950'erne til 1980'erne. Dette var nødvendigt for at fjerne begrænsninger, der inkluderer kollisioner i luften og andre problemer forbundet med forældet udstyr, der blev socialiseret af PATCO og det amerikanske forsvarsministerium . Lignende migrationstendenser forekom i andre lande over hele verden af ​​lignende grunde.

Moderne civilt flytrafik og militære kampsystemer er afhængige af en brugerdefineret sporalgoritme, der bruges til realtidskontrol, der er slavet til skærme og perifere enheder.

Begrænsning for moderne digitale computersystemer er behandlingshastighed, input-output gennemstrømningshastighed, antallet af input-output enheder og softwarekompatibilitet med opgraderingsdele.

Terminologi

Sporingsalgoritmer fungerer med et kartesisk koordinatsystem . Dette kaldes ofte rektangulære koordinater og er baseret på nord-syd, øst-vest og højde. Sensorer fungerer ved hjælp af et polært koordinatsystem . Dette kaldes ofte sfæriske koordinater baseret på elevation, pejling og rækkevidde. Nogle almindelige terminologier er som følger.

Semester	Betyder
Azimuth	Vinkel langs jordhorisonten
Leje	Vinkel langs den kunstige horisont (dæk)
Elevation	Vinkel over eller under horisonten
Rækkevidde	Afstand langs flyet etableret ved horisonten
Skrå række	Afstand langs den sande synslinie
Rigtigt	Vinkel i jord koordinaterer med sand nord som reference
I forhold	Vinkel i dækplankoordinater ved hjælp af køretøjets kurs som reference
Rektangulær	Kartesiske koordinater typisk kendt som X, Y og Z
Sfærisk	Polære koordinater typisk kendt som rækkevidde, pejling og højde

Menneskelig grænseflade

Brugere præsenteres generelt flere skærme, der viser information fra spordata og rå detekterede signaler.

• Planlægningsindikator
• Rulle underretninger om nye numre, opdelte numre og sammenføj spor
• Område amplitude display
• Områdehøjdeindikator
• Vinkelfejlvisning
• Hørbare alarmer (summer eller stemme)

Den hørbare alarm henleder opmærksomheden på rullemeddelelsen. Dette viser spornummeret for ting som separationsovertrædelse (forestående kollision) og mistet spor, der ikke er placeret i nærheden af ​​en landingsfacilitet.

Rullemeddelelser og hørbare alarmer kræver ingen brugerhandling. Andre skærme aktiveres for kun at vise yderligere oplysninger, når et spor vælges af brugeren. Den primære menneskelige grænseflade til sporingsalgoritmen er et planlagt positionsindikator display. Dette indeholder typisk fire oplysninger.

Semester	Betyder
Rå video	Analoge detekteringsimpulser fra radar- og ekkolodssystemer
Spore	Et symbol og nummer, der giver operatørerne entydigt mulighed for at identificere køretøjet
Leder	En linje, der viser, hvor køretøjet vil være i fremtiden.
IFF	Transponderdata, der viser identitet. Dette kan omfatte hastighed, højde og kurs i kommercielle fly.

Sporalgoritmen producerer symbologi, der vises på Planpositionindikatoren.

Brugere har en pegeindretning med flere knapper, der giver adgang til sporfilen gennem planpositionindikatoren. Den typiske pegeindretning er en banekugle, der fungerer som følger.

Semester	Betyder
Aktivér knap	Bring en markør til midten af ​​skærmen.
Rullende kugle	Bruges til at rulle markøren i nærheden af ​​et sporsymbol eller en rå sensorvideo.
Hook-knap	Vælg sporet, når markøren er på det ønskede sted.
Drop-knap	Vend displayet tilbage til dets normale driftstilstand (ikke forbundet med at droppe spor).

Hook-handling slukker for markøren og viser yderligere oplysninger fra sporalgoritmen. Brugeren kan udføre handlinger, mens krogen er aktiv, såsom at kommunikere med køretøjet eller underrette andre brugere om køretøjet, der er knyttet til sporet.

Operation

Den nærmeste nabosporalgoritme er beskrevet her for enkelhed.

Hver ny detektion rapporteret fra indgående sensordata indføres i sporalgoritmen, der bruges til at drive skærme.

Sporalgoritmfunktion afhænger af en sporfil, der indeholder historiske spordata, og et computerprogram, som periodisk opdaterer sporfilen.

Sensorinformation (radar-, sonar- og transponderdata) leveres til sporalgoritmen ved hjælp af et polært koordinatsystem , og dette konverteres til kartesisk koordinatsystem for sporetalgoritmen. Den polære til kartesiske konvertering bruger navigationsdata til sensorer monteret på køretøjer, hvilket eliminerer sensorpositionændringer forårsaget af skibs- og flybevægelse, der ellers ville ødelægge spordata.

Sportilstand begynder, når en sensor producerer en vedvarende detektion i et specifikt rumfang.

Sporalgoritmen udfører en af ​​fire handlinger, når disse nye sensordata ankommer.

Handling	Forklaring
butik	Sensordata gemmes midlertidigt til optagelse og sporevaluering
Dråbe	Gemte sensordata falder ikke inden for sporvolumen eller fangstvolumen inden for tidsgrænsen (kasseret)
Fange	Sensordata falder tæt på tidligere sensordata, der ikke er knyttet til et spor, og et nyt spor er udviklet
Spore	Sensordata falder inden for volumen på et eksisterende spor og føjes til sporhistorik for det pågældende spor

Hvert separat objekt har sin egen uafhængige sporinformation. Dette kaldes sporhistorie. Dette kan være op til en time for luftbårne genstande. Sporhistorik for objekter under vand kan strække sig flere uger tilbage.

Hver anden slags sensor producerer forskellige slags spordata. En 2D-radar med en ventilatorstråle giver ingen højdeinformation. En 4D-radar med blyantstråle producerer radial Doppler-hastighed ud over leje, højde og skrå række.

butik

Nye sensordata gemmes i en begrænset periode. Dette sker inden sporing, indfangning og slip af behandling.

Gemte data skal opbevares i en begrænset periode for at give tid til sammenligning med eksisterende spor. Lagrede data skal også opbevares længe nok til at fuldføre den behandling, der kræves for at udvikle nye spor.

Dråbe

Data mister hurtigt ethvert formål for sensorsystemer, der bruger en M out of N- detektionsstrategi. Gemte data falder ofte efter, at N- scanninger er udløbet med færre end M- detektioner inden for en bestemt lydstyrke.

Drop-behandling foregår kun efter spor- og capture-behandling foregår. Drop-data kan undertiden udtrækkes fra hovedhukommelsen og optages på lagringsmedier sammen med sporfilen til offsite-analyse.

Fange

Optagelsesstrategien afhænger af typen af ​​sensor.

Optagebehandling finder kun sted, når gemte sensordata er blevet sammenlignet med alle eksisterende spor.

Ikke-Doppler

Hver sensordetektion er omgivet af et optagelsesvolumen . Dette er formet som en kasse. Størrelsen på indfangningsvolumen er omtrent den afstand, som den hurtigste køretøj kan rejse mellem på hinanden følgende scanninger af det samme rumfang.

Sensorer (radar) scanner periodisk et rumfang.

Som et eksempel kræver en fangstafstand på 10 miles periodiske scanninger med ikke mere end 15 sekunder fra hinanden for at registrere køretøjer, der kører ved mach 3. Dette er en ydelsesbegrænsning for ikke-Doppler-systemer.

Overgang til spor begynder, når indfangningsvolumen for to detektioner overlapper hinanden.

${\ displaystyle {\ text {Capture (3D)}} \; {\ begin {cases} \ left \ vert X ({\ text {new}}) - X (r) \ højre \ vert <{\ text {Separation }} \\\ venstre \ vert Y ({\ tekst {ny}}) - Y (r) \ højre \ vert <{\ tekst {Separation}} \\\ venstre \ vert Z ({\ tekst {ny}} ) -Z (r) \ højre \ vert <{\ tekst {Separation}} \ slutning {cases}}}$

${\ displaystyle {\ text {Capture (2D)}} \; {\ start {cases} \ left \ vert X ({\ text {new}}) - X (r) \ højre \ vert <{\ text {Separation }} \\\ venstre \ vert Y ({\ tekst {ny}}) - Y (r) \ højre \ vert <{\ tekst {Separation}} \ slutning {cases}}}$

Hver ny detektion, der ikke er parret med et spor, sammenlignes med enhver anden detektion, der endnu ikke er parret med et spor (kryds korrelation med alle lagrede data).

Overgang til spor involverer typisk en M out of N-strategi, såsom mindst 3 detektioner ud af maksimalt 5 scanninger.

Denne strategi producerer et stort antal falske spor på grund af rod tæt ved horisonten og i viskiditeten af ​​vejrfænomen og biologiske. Fugle, insekter, træer, bølger og storme genererer nok sensordata til at bremse sporalgoritmen.

Overdreven falske spor forringer ydelsen, fordi sporalgoritmens indlæsning får den til at undlade at opdatere alle oplysningerne i sporfilen, før sensorer begynder den næste scanning begynder. Chaff er beregnet til at nægte detektering ved at udnytte denne svaghed.

Bevægelse af målindikation (MTI) bruges typisk til at reducere falske rodspor for at undgå at overvinde sporalgoritmen. Systemer, der mangler MTI, skal reducere modtagerens følsomhed eller forhindre overgang til spor i tunge rodregioner.

Doppler

Låsning og radial hastighed er unikt krav til Doppler-sensorer, der tilføjer sporalgoritmen yderligere lag med kompleksitet.

Reflektorens radiale hastighed bestemmes direkte i Doppler-systemer ved at måle reflektorens frekvens over det korte tidsrum, der er forbundet med detektering. Denne frekvens konverteres til radial hastighed.

Reflektorens radiale hastighed bestemmes også ved at sammenligne afstanden for successive scanninger.

De to trækkes fra, og forskellen beregnes kort.

${\ displaystyle {\ text {Lås kriterier}} \; {\ start {cases} \ mathrm {\ left \ vert \ left ({\ frac {\ Delta R} {\ Delta T}} \ højre) - \ venstre ( {\ frac {C \ times {\ text {Doppler Frequency}}} {2 \ times {\ text {Transmit Frequency}}}} \ right) \ right \ vert <{\ text {Threshold}}} \ slutning {cases }}}$

Hvis den gennemsnitlige forskel falder under en tærskel, er signalet en lås .

Lås betyder, at signalet adlyder Newtonsk mekanik . Gyldige reflekser producerer en lås. Ugyldige signaler gør det ikke. Ugyldige refleksioner inkluderer ting som helikopterblad, hvor Doppler ikke svarer til hastigheden, som køretøjet bevæger sig gennem luften. Ugyldige signaler inkluderer mikrobølger lavet af kilder, der er adskilt fra senderen, såsom radarstopning og bedrag .

Reflektorer, der ikke frembringer et låsesignal, kan ikke spores ved hjælp af den konventionelle teknik. Dette betyder, at feedback-sløjfen skal åbnes for genstande som helikoptere, fordi køretøjets hoveddel kan være under afvisningshastigheden (kun bladene er synlige).

Overgang til spor er automatisk til detektioner, der producerer en lås. Dette er vigtigt for semi-aktiv radarhomning, der kræver hastighedsinformation opnået ved startplatformens radar.

Overgang til spor er manuel for ikke-Newtonian signalkilder, men yderligere signalbehandling kan bruges til at automatisere processen. Doppler-hastighedsfeedback skal deaktiveres i nærheden af ​​reflektorer som helikoptere, hvor Doppler-hastighedsmåling ikke svarer til køretøjets radiale hastighed.

Puls-Doppler-sensordata inkluderer objektområde, radial hastighed og låsetilstand, som er en del af beslutningslogikken, der involverer sammenføjningsspor og opdelte spor.

Passiv

Passiv sensorinformation inkluderer kun vinkeldata eller -tid. Passiv lytning bruges, når sporingssystemet ikke udsender nogen energi, såsom med undervandssystemer, med elektroniske modforanstaltninger og med projektilsensorer.

De tre strategier er bi-statisk, syntetisk blænde og ankomsttidspunkt.

Bistatiske målinger involverer sammenligning af data fra flere sensorer, der kun kan producere vinkeldata. Afstand identificeres ved hjælp af parallax .

Syntetisk blænde involverer at udføre flere vinkelmålinger, mens emitteren manøvreres. Processen ligner himmelmekanik, hvor kredsløb findes fra linje med steddata. Afstanden til et køretøj, der kører med konstant hastighed, falder ved diskrete punkter langs en lige linje, der transiterer stedets linje. Den corioliseffekten kan anvendes til at bestemme afstanden til denne linje, når objektet har konstant hastighed under et sving. Denne strategi bruges normalt med semi-aktiv radarindretning og med undervandssystemer.

Tidsmålinger bruges til at identificere signaler fra impulskilder, f.eks. Fra projektiler og bomber. Bomber producerer en enkelt impuls, og placeringen kan identificeres ved at sammenligne ankomsttidspunktet, når chokbølgen passerer over 3 eller flere sensorer. Projektiler producerer en indledende impuls fra næsepunktet med en stødbølge, der bevæger sig radialt udad vinkelret på banen til det supersoniske projektil. Stødbølgen fra projektilet ankommer inden munden sprænges ved indgående brand, så begge signaler skal parres med sporingsalgoritmen. Subsoniske projektiler udsender en chokbølge, der ankommer efter mundtrækningen.

Signalemissionssignaturen skal bruges til at matche vinkeldata for at opnå sporfangst, når flere signalkilder ankommer sensoren samtidig.

Spore

Alle nye sensordata sammenlignes med eksisterende spor først, inden optagelse eller drop-behandling finder sted.

Sporposition og hastighedsinformation fastlægger et sporvolumen i en fremtidig position. Nye sensordata, der falder inden for det sporfelt, føjes til sporhistorikken for det pågældende spor og slettes fra midlertidig lager.

${\ displaystyle {\ text {Tilføj}} \; {\ start {cases} {\ text {Size}}> \ left \ vert X_ {s} - (X_ {o} + V_ {x} \ cdot \ Delta T ) \ højre \ vert \\ {\ tekst {Størrelse}}> \ venstre \ vert Y_ {s} - (Y_ {o} + V_ {y} \ cdot \ Delta T) \ højre \ vert \\ {\ tekst { Størrelse}}> \ venstre \ vert Z_ {s} - (Z_ {o} + V_ {z} \ cdot \ Delta T) \ højre \ vert \ end {cases}}}$

Under drift føjes XYZ-sensormålinger for hvert køretøj til den sporfil, der er knyttet til det køretøj. Dette er sporhistorikken, der bruges til at holde styr på position og hastighed. XYZ-hastighed bestemmes ved at trække successive værdier og dividere med tidsforskellen mellem de to scanninger.

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

Spor, hvor køretøjet fortsætter med at producere en detektion, kaldes aktive spor . Sporvolumen er meget mindre end fangstvolumen.

Sporet fortsættes kortvarigt i mangel af detekteringer. Spor uden detekteringer bliver kystspor . Hastighedsinformationen bruges til at bevæge sporvolumen gennem plads kort, når sporvolumen udvides.

Nye spor, der falder inden for fangstmængden af ​​et kystspor, krydses korreleret med sporhistorikken for det nærliggende kystspor. Hvis position og hastighed er kompatible, kombineres historie med kystspor med det nye spor. Dette kaldes et join track .

Et nyt spor, der begynder i eller i nærheden af ​​indfangningsvolumen for et aktivt spor kaldes et delt spor .

Kystspor, sammenføjet spor og delt spor udløser en operatøralarm. For eksempel kan en banekyst være resultatet af en flykollision, så årsagen skal fastlægges, ellers skal tilsynspersonale underrettes.

Personale i civilt luftfartskontrol bruger ledere, der er produceret af sporalgoritmen, til at advare piloter, når de to baners fremtidige placering overtræder separationsgrænsen .

Spordata registreres normalt i tilfælde af, at der kræves en undersøgelse for at fastslå den grundlæggende årsag til et flystab.

Dette er et specielt tilfælde af Kalman-filteret .

Reference