Sporalgoritme - Track algorithm

En sporalgoritme er en forbedringsstrategi for radar og ekkolodd . Sporingsalgoritmer gir muligheten til å forutsi fremtidig posisjon for flere bevegelige objekter basert på historien til de individuelle posisjonene som rapporteres av sensorsystemer.

Historisk informasjon akkumuleres og brukes til å forutsi fremtidig posisjon for bruk med flytrafikkontroll, trusselestimering, bekjempelsessystemlære, våpensikting, missilveiledning og torpedosending. Posisjonsdata akkumuleres i løpet av noen minutter til noen uker.

Det er fire vanlige sporalgoritmer.

• Nærmeste nabo
• Probabilistic Data Association
• Sporing av flere hypoteser
• Interaktiv flere modeller (IMM)

Historie

De originale sporingsalgoritmene ble bygget inn i tilpasset maskinvare som ble vanlig under andre verdenskrig. Dette inkluderer oppbevaringsrør som brukes med planlagte indikatorer for stillingsindikatorer, indikatorer for rekkeviddehøyde og penn-plottingstavler som brukes til sivil luftkontroll og vannveiledelse. Den inkluderer også tilpassede analoge datamaskiner, som Mark I Fire Control Computer som brukes med radardata for å sikte våpen, missiler og torpedoer tilknyttet militær flytrafikkontroll og vannveiledelse.

Sporalgoritmer ble migrert fra analogt utstyr til digitale datamaskiner fra 1950 til 1980-tallet. Dette var nødvendig for å eliminere begrensninger som inkluderer kollisjoner i luften og andre problemer knyttet til foreldet utstyr som ble sosialisert av PATCO og USAs forsvarsdepartement . Lignende migrasjonstrender skjedde i andre land over hele verden av lignende grunner.

Moderne sivil flytrafikk og militære kampsystemer er avhengige av en tilpasset sporalgoritmer som brukes med sanntids databehandling til skjermer og perifere enheter.

Begrensning for moderne digitale datasystemer er prosesseringshastighet, input-output gjennomstrømningshastighet, antall input-output-enheter og programvarekompatibilitet med oppgraderingsdeler.

Terminologi

Sporingsalgoritmer opererer med et kartesisk koordinatsystem . Dette kalles ofte rektangulære koordinater, og er basert på nord-sør, øst-vest og høyde. Sensorene bruker et polært koordinatsystem . Dette kalles ofte sfæriske koordinater basert på høyde, peiling og rekkevidde. Noen vanlige terminologier er som følger.

Begrep	Betydning
Azimuth	Vinkel langs jordhorisonten
peiling	Vinkel langs den kunstige horisonten (dekk)
Elevation	Vinkel over eller under horisonten
Område	Avstand langs flyet som er etablert ved horisonten
Skrå rekkevidde	Avstand langs den sanne siktlinjen
ekte	Vinkel i jord koordinater med ekte nord som referanse
Slektning	Vinkelen i dekkplan koordinater ved å bruke kjøretøyets retning som referanse
rektangulære	Kartesiske koordinater vanligvis kjent som X, Y og Z
sfærisk	Polare koordinater vanligvis kjent som rekkevidde, peiling og høyde

Menneskelig grensesnitt

Brukere blir generelt presentert for flere skjermer som viser informasjon fra sporingsdata og rå detekterte signaler.

• Planlegg posisjonsindikator
• Ruller varsler for nye spor, delte spor og blir med på spor
• Omfang amplitude display
• Indikator for rekkeviddehøyde
• Vinkelfeilvisning
• Hørbare varsler (summer eller stemme)

Det hørbare varselet gjør oppmerksom på rullevarslingen. Dette vil presentere spornummeret for ting som separasjonsovertredelse (forestående kollisjon) og tapt spor som ikke ligger i nærheten av et landingsanlegg.

Rullevarslene og hørbare varsler krever ingen brukerhandlinger. Andre skjermer aktiveres for å vise tilleggsinformasjon bare når et spor er valgt av brukeren. Det primære menneskelige grensesnittet for sporingsalgoritmen er en planlagt visning av posisjonsindikatorer. Dette inneholder vanligvis fire opplysninger.

Begrep	Betydning
Rå video	Analoge deteksjonspulser fra radar- og ekkoloddsystemer
Spor	Et symbol og nummer som lar operatører entydig identifisere kjøretøyet
Leder	En linje som viser hvor kjøretøyet vil være i fremtiden.
IFF	Transponder data som viser identitet. Dette kan omfatte hastighet, høyde og kurs i kommersielle fly.

Sporalgoritmen produserer symbologi som vises på planposisjonsindikatoren.

Brukere har en pekeenhet med flere knapper som gir tilgang til sporfil gjennom planposisjonsindikatoren. Den typiske pekeenheten er en banekule, som fungerer som følger.

Begrep	Betydning
Aktiver-knappen	Ta med en markør til midten av skjermen.
Rullende ball	Brukes til å bla i markøren i nærheten av et sporsymbol eller en rå sensorvideo.
Krok-knapp	Velg sporet når markøren er på ønsket sted.
Slipp-knapp	Sett skjermen tilbake til normal driftstilstand (ikke assosiert med å slippe spor).

Hook action slår av markøren og viser tilleggsinformasjon fra sporalgoritmen. Brukeren kan utføre handlinger mens kroken er aktiv, for eksempel å kommunisere med kjøretøyet eller varsle andre brukere om kjøretøyet som er tilknyttet sporet.

Operasjon

Den nærmeste nabosporalgoritmen er beskrevet her for enkelhets skyld.

Hver nye deteksjon rapportert fra innkommende sensordata mates inn i sporalgoritmen, som brukes til å drive skjermer.

Sporalgoritmdriften avhenger av en sporfil, som inneholder historiske spordata, og et dataprogram som periodisk oppdaterer sporfilen.

Sensorinformasjon (radar-, ekkolodd- og transponderdata) blir gitt til sporalgoritmen ved bruk av et polart koordinatsystem , og dette blir konvertert til kartesisk koordinatsystem for sporalgoritmen. Den polare til kartesiske konverteringen bruker navigasjonsdata for sensorer montert på kjøretøyer, noe som eliminerer sensorposisjonsendringer forårsaket av bevegelse av skip og fly som ellers ville ødelegge spordata.

Spormodus begynner når en sensor produserer en vedvarende deteksjon i et bestemt volum av plass.

Sporalgoritmen utfører en av fire handlinger når disse nye sensordataene kommer.

Handling	Forklaring
butikk	Sensordata lagres midlertidig for fange- og sporevaluering
Miste	Lagrede sensordata kunne ikke falle innenfor sporvolum eller fange volum innen tidsgrensen (forkastet)
Capture	Sensordata faller i nærheten av tidligere sensordata som ikke er knyttet til et spor, og et nytt spor er utviklet
Spor	Sensordata faller innenfor volumet til et eksisterende spor og blir lagt til i sporhistorikken for det sporet

Hver separate gjenstand har sin egen uavhengige sporinformasjon. Dette kalles sporhistorie. Dette kan være så mye som en time for luftbårne gjenstander. Sporhistorikk for objekter under vann kan strekke seg flere uker tilbake.

Hver forskjellig type sensor produserer forskjellige typer spordata. En 2D-radar med en viftestråle gir ingen høydeinformasjon. En 4D-radar med blyantstråle vil gi radiell dopplerhastighet i tillegg til peiling, høyde og skrå rekkevidde.

butikk

Nye sensordata lagres i en begrenset periode. Dette skjer før spore, fange og slippe behandlingen.

Lagrede data må holdes i en begrenset periode for å gi tid til sammenligning med eksisterende spor. Lagrede data må også holdes lenge nok til å fullføre behandlingen som kreves for å utvikle nye spor.

Miste

Data mister raskt ethvert formål for sensorsystemer som bruker en M out of N deteksjonsstrategi. Lagrede data blir ofte droppet etter at N- skanninger har gått ut med færre M- deteksjoner innenfor et bestemt volum.

Drop-behandling skjer først etter at spor- og fangstbehandlingen har funnet sted. Slippdata kan noen ganger hentes ut fra hovedminnet og tas opp på lagringsmedier sammen med sporfil for offsite-analyse.

Capture

Fangstrategien avhenger av typen sensor.

Fangstbehandling skjer først etter at lagrede sensordata er sammenlignet med alle eksisterende spor.

Ikke-Doppler

Hver sensordeteksjon er omgitt av et fangevolum . Dette er formet som en boks. Størrelsen på fangstvolumet er omtrent den avstanden som det raskeste kjøretøyet kan reise mellom påfølgende skanninger av det samme volumet.

Sensorer (radar) skanner periodevis et volum.

Som et eksempel krever en fangstavstand på 10 miles periodiske skanninger med ikke mer enn 15 sekunder fra hverandre for å oppdage kjøretøy som kjører ved mach 3. Dette er en ytelsesbegrensning for ikke-Doppler-systemer.

Overgang til spor begynner når fangstvolumet for to deteksjoner overlapper hverandre.

${\ displaystyle {\ text {Capture (3D)}} \; {\ begynne {saker} \ venstre \ vert X ({\ text {new}}) - X (r) \ høyre \ vert <{\ text {Separasjon }} \\\ venstre \ vert Y ({\ tekst {ny}}) - Y (r) \ høyre \ vert <{\ tekst {Separasjon}} \\\ venstre \ vert Z ({\ tekst {ny}} ) -Z (r) \ høyre \ vert <{\ tekst {Separasjon}} \ slutt {saker}}}$

${\ displaystyle {\ text {Capture (2D)}} \; {\ begynne {saker} \ venstre \ vert X ({\ text {new}}) - X (r) \ høyre \ vert <{\ text {Separasjon }} \\\ venstre \ vert Y ({\ tekst {ny}}) - Y (r) \ høyre \ vert <{\ tekst {Separasjon}} \ slutt {saker}}}$

Hver nye deteksjon som ikke er parret med et spor, sammenlignes med annen oppdagelse som ennå ikke er parret med et spor (kryss sammenheng med alle lagrede data).

Overgang til spor innebærer typisk en M out of N-strategi, for eksempel minst 3 deteksjoner av maksimalt 5 skanninger.

Denne strategien produserer et stort antall falske spor på grunn av rot i nærheten av horisonten og i visciditeten til værfenomen og biologiske. Fugler, insekter, trær, bølger og stormer genererer nok sensordata til å bremse sporalgoritmen.

Overdreven falske spor ødelegger ytelsen fordi sporalgoritmens lasting vil føre til at den ikke klarer å oppdatere all informasjonen i sporfilen før sensorer begynner neste skanning begynner. Chaff er ment å nekte påvisning ved å utnytte denne svakheten.

Bevegelse av målindikasjon (MTI) brukes vanligvis for å redusere falske rotspor for å unngå å overvelde sporalgoritmen. Systemer som mangler MTI, må redusere mottakerfølsomheten eller forhindre overgang til spor i tunge rotregioner.

Doppler

Lås og radial hastighet er unikt krav til Doppler-sensorer som legger til flere lag med kompleksitet til sporalgoritmen.

Reflektorens radiale hastighet bestemmes direkte i Doppler-systemer ved å måle reflektorens frekvens over kort tidsperiode forbundet med deteksjon. Denne frekvensen blir konvertert til radial hastighet.

Reflektorens radiale hastighet bestemmes også ved å sammenligne avstanden for etterfølgende skanninger.

De to trekkes fra, og forskjellen er i snitt gjennomsnittlig.

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

Hvis den gjennomsnittlige forskjellen faller under en terskel, er signalet en lås .

Lås betyr at signalet adlyder Newtonsk mekanikk . Gyldige reflekser produserer en lås. Ugyldige signaler gjør det ikke. Ugyldige refleksjoner inkluderer ting som helikopterblad, der Doppler ikke samsvarer med hastigheten som kjøretøyet beveger seg gjennom luften. Ugyldige signaler inkluderer mikrobølger laget av kilder som er separate fra senderen, for eksempel radarstopping og bedrag .

Reflektorer som ikke gir et låsesignal, kan ikke spores ved bruk av konvensjonell teknikk. Dette betyr at tilbakekoblingssløyfen må åpnes for gjenstander som helikoptre, fordi kjøretøyets hoveddel kan være under avvisningshastigheten (bare bladene er synlige).

Overgang til spor er automatisk for deteksjoner som produserer en lås. Dette er essensielt for semi-aktiv radarhemming som krever hastighetsinformasjon oppnådd av utskytningsplattformens radar.

Overgang til spor er manuell for ikke-Newtonian signalkilder, men ytterligere signalbehandling kan brukes til å automatisere prosessen. Tilbakemelding om dopplerhastighet må deaktiveres i nærheten av reflekser som helikoptre, der måling av dopplerhastighet ikke samsvarer med kjøretøyets radiale hastighet.

Pulse-Doppler-sensordata inkluderer objektområdet, radial hastighet og låsetilstand, som er en del av beslutningslogikken som involverer sammenføyningsspor og delte spor.

Passiv

Passiv sensorinformasjon inkluderer bare vinkeldata eller -tid. Passiv lytting brukes når sporingssystemet ikke avgir energi, for eksempel med undervannssystemer, elektroniske motmålinger og prosjektilsensorer.

De tre strategiene er to-statisk, syntetisk blenderåpning og ankomsttid.

Bistatiske målinger innebærer å sammenligne data fra flere sensorer som bare kan produsere vinkeldata. Avstand identifiseres ved hjelp av parallaks .

Syntetisk blenderåpning innebærer å ta flere vinkelmålinger mens senderen manøvreres. Prosessen ligner på himmelmekanikk der bane finnes fra linje med stedsdata. Avstanden til et kjøretøy som kjører med konstant hastighet, vil falle ved separate punkter langs en rett linje som overskrider stedslinjen. Den Coriolis-effekten kan benyttes for å bestemme avstanden til denne linjen når gjenstanden holder konstant hastighet i løpet av en omdreining. Denne strategien brukes normalt med semi-aktiv radarhjemning og med undervannssystemer.

Tidsmålinger brukes til å identifisere signaler fra impulskilder, for eksempel fra prosjektiler og bomber. Bomber produserer en enkelt impuls, og stedet kan identifiseres ved å sammenligne ankomsttiden når sjokkbølgen passerer over 3 eller flere sensorer. Prosjektiler produserer en innledende impuls fra snuten med en sjokkbølge som beveger seg radialt utover vinkelrett på banen til det supersoniske prosjektilet. Sjokkbølgen fra prosjektilet ankommer før snuten sprenges for inngående brann, så begge signalene må kobles sammen med sporingsalgoritmen. Subsoniske prosjektiler avgir en sjokkbølge som ankommer etter snøstormen.

Signalutslippsignaturen må brukes til å matche vinkeldata for å oppnå sporfangst når flere signalkilder ankommer sensoren samtidig.

Spor

Alle nye sensordata blir sammenlignet med eksisterende spor først før fange- eller slippbehandling finner sted.

Sporposisjon og hastighetsinformasjon etablerer et sporvolum i en fremtidig posisjon. Nye sensordata som faller inne i sporboksen, legges til sporhistorikken for det sporet og slettes fra midlertidig lagring.

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

Under drift legges XYZ-sensormålinger for hvert kjøretøy til sporfil som er tilknyttet kjøretøyet. Dette er sporhistorikken som brukes til å holde oversikt over posisjon og hastighet. XYZ-hastighet bestemmes ved å trekke suksessive verdier og dele med tidsforskjellen mellom de to skannene.

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

Spor der kjøretøyet fortsetter å produsere en deteksjon kalles aktive spor . Sporvolumet er mye mindre enn fangstvolumet.

Sporet videreføres kort i mangel av deteksjoner. Spor uten deteksjoner blir kystspor . Hastighetsinformasjonen brukes til å flytte sporvolumet raskt gjennom rommet når sporvolumet utvides.

Nye spor som faller innenfor fangstvolumet til en kystbane, krysses i forhold til sporhistorien til det nærliggende kystsporet. Hvis posisjon og hastighet er kompatible, kombineres kystsporhistorikken med det nye sporet. Dette kalles et sammenføyningsspor .

Et nytt spor som begynner i eller nær fangstvolumet til et aktivt spor, kalles et delt spor .

Kystspor, koblet spor og delt spor utløser et operatørvarsel. For eksempel kan en banekyst skyldes en flykollisjon, så årsaken må bestemmes ellers må tilsynspersonell varsles.

Sivilt personell i flygeledere bruker ledere produsert av sporalgoritmen for å varsle piloter når den fremtidige stillingen til to spor bryter skillingsgrensen .

Spordata blir vanligvis registrert i tilfelle det er nødvendig med en undersøkelse for å fastslå årsaken til tap av fly.

Dette er et spesielt tilfelle av Kalman-filteret .

Referanse