트랙 알고리즘

선로 알고리즘은 레이더와 음파탐지기 성능 향상 전략이다. 추적 알고리즘은 센서 시스템이 보고하는 개별 위치의 이력에 기초하여 복수의 이동 물체의 미래 위치를 예측할 수 있는 능력을 제공한다.

역사적 정보가 축적되어 항공 교통 관제, 위협 추정, 전투 시스템 교리, 사격 조준, 미사일 유도, 어뢰 전달 등에 사용할 미래의 위치를 예측하는 데 사용된다. 포지션 데이터는 몇 분에서 몇 주 사이에 축적된다.

4가지 공통 트랙 알고리즘이 있다.^[1]

• 가장 가까운 이웃
• 확률적 데이터 연결
• 다중 가설 추적
• IMM(Interactive Multiple Model)

역사

원래의 추적 알고리즘은 제2차 세계 대전 동안 보편화된 사용자 정의 하드웨어에 내장되었다. 여기에는 계획된 위치 표시기 디스플레이, 범위 높이 표시기 디스플레이, 민간 항공 교통 관제 및 수로 관리에 사용되는 펜 플롯 보드 등이 포함된다. 또한 레이더 데이터와 함께 군용 항공 교통 관제 및 수로 관리와 관련된 총, 미사일 및 어뢰를 조준하는 데 사용되는 마크 I 화력 제어 컴퓨터와 같은 맞춤형 아날로그 컴퓨터도 포함한다.

트랙 알고리즘은 1950년대부터 1980년대에 걸쳐 아날로그 장비에서 디지털 컴퓨터로 이동되었다. 이는 PATCO와 미 국방부가 사회화한 노후 장비와 연계된 공중 충돌 및 기타 문제를 포함하는 한계를 제거하기 위해 필요했다. 비슷한 이유로 전 세계 다른 나라에서도 비슷한 이주 추세가 일어났다.

현대의 민간 항공 교통과 군사 전투 시스템은 디스플레이와 주변 장치에 실시간 컴퓨팅을 슬레이브하는 데 사용되는 맞춤형 트랙 알고리즘에 의존한다.

현대적인 디지털 컴퓨팅 시스템의 제한은 처리 속도, 입출력 처리 속도, 입출력 장치 수, 업그레이드 부품과의 소프트웨어 호환성이다.

용어.

추적 알고리즘은 데카르트 좌표계로 작동한다. 이것을 흔히 직사각형 좌표라고 하며, 남북, 동서, 고도를 기준으로 한다. 센서는 극좌표계를 사용하여 작동한다. 이것을 흔히 고도, 베어링, 범위를 기준으로 한 구형 좌표라고 한다. 몇 가지 일반적인 용어는 다음과 같다.

휴먼 인터페이스

사용자는 일반적으로 트랙 데이터와 원시 감지 신호의 정보를 보여주는 여러 디스플레이를 제공한다.

• 계획위치표시기
• 새 트랙, 분할 트랙 및 결합 트랙에 대한 알림 스크롤
• 범위 진폭 표시
• 레인지 높이 표시기
• 각도 오류 표시
• 청각 경보(버저 또는 음성)

청각 경보는 스크롤 알림에 주의를 끈다. 이것은 분리 위반(충돌 충돌)과 착륙 시설 근처에 위치하지 않은 유실 선로와 같은 것에 대한 선로 번호를 제시한다.

스크롤 알림과 가청 알림에는 사용자 작업이 필요하지 않다. 다른 디스플레이는 사용자가 트랙을 선택한 경우에만 추가 정보를 표시하도록 활성화된다. 추적 알고리즘의 기본 휴먼 인터페이스는 계획된 위치 표시기 디스플레이다. 이것은 일반적으로 네 가지 정보를 제공한다.

트랙 알고리즘은 Plan Position Indicator에 표시되는 공생을 생성한다.

사용자는 Plan Position Indicator를 통해 트랙 파일에 액세스할 수 있는 여러 버튼이 있는 포인팅 장치를 가지고 있다. 대표적인 포인팅 장치는 다음과 같이 동작하는 트랙볼이다.

후크 동작은 커서를 끄고 트랙 알고리즘의 추가 정보를 표시한다. 사용자는 후크가 활성화된 상태에서 차량과 통신하거나 트랙과 관련된 차량에 대해 다른 사용자에게 알리는 등의 조치를 취할 수 있다.

작전

단순성을 위해 가장 가까운 이웃 트랙 알고리즘이 여기에 설명되어 있다.

수신 센서 데이터에서 보고된 각각의 새로운 검출은 디스플레이를 구동하는 데 사용되는 트랙 알고리즘으로 공급된다.^[2]

트랙 알고리즘 작동은 과거 트랙 데이터를 포함하는 트랙 파일과 트랙 파일을 주기적으로 업데이트하는 컴퓨터 프로그램에 따라 달라진다.^[3]

센서 정보(레이더, 소나, 트랜스폰더 데이터)는 극좌표계를 이용하여 트랙 알고리즘에 제공되며, 이는 트랙 알고리즘을 위한 데카르트 좌표계로 변환된다. 극지 변환은 차량에 탑재된 센서에 대한 항법 데이터를 사용하며, 그렇지 않으면 선로 데이터를 손상시킬 수 있는 선박과 항공기 움직임으로 인한 센서 위치 변화를 제거한다.

트랙 모드는 센서가 특정 공간 볼륨에서 지속적인 탐지를 생성할 때 시작된다.

트랙 알고리즘은 이 새로운 센서 데이터가 도착하면 네 가지 동작 중 하나를 취한다.

각각의 분리된 물체는 독자적인 트랙 정보를 가지고 있다. 이것을 트랙 역사라고 한다. 이것은 공중에 떠다니는 물체들의 경우 1시간이나 될 수 있다. 수중 물체에 대한 추적 기록은 몇 주까지 연장될 수 있다.

각각의 다른 종류의 센서는 다른 종류의 트랙 데이터를 생성한다. 팬 빔이 있는 2D 레이더는 고도 정보를 생성하지 않는다. 펜슬빔이 있는 4D 레이더는 베어링, 고도, 경사 범위 외에 방사형 도플러 속도를 생성한다.

저장하다

새로운 센서 데이터는 제한된 시간 동안 저장된다. 이는 트랙, 캡처 및 드롭 처리 전에 발생한다.

저장된 데이터는 기존 트랙과의 비교를 위해 제한된 시간 동안 보관해야 한다. 저장된 데이터는 또한 새로운 트랙을 개발하는 데 필요한 처리를 완료할 수 있을 만큼 충분히 오래 보관되어야 한다.

떨어뜨리다

N 검출 전략 중 M을 사용하는 센서 시스템의 데이터는 어떤 목적도 빠르게 상실한다. 저장된 데이터는 N 검색이 만료된 후 특정 볼륨 내에서 M보다 적은 수의 탐지로 삭제되는 경우가 많다.

드롭 처리는 트랙과 캡쳐 처리가 이루어진 후에만 이루어진다. 드롭 데이터는 때때로 메인 메모리에서 추출되어 오프사이트 분석을 위한 트랙 파일과 함께 저장 매체에 기록될 수 있다.

캡처

포획 전략은 센서의 종류에 따라 다르다.

저장된 센서 데이터를 모든 기존 트랙과 비교한 후에만 캡처 처리가 이루어진다.

비 도플러

각 센서 감지기는 캡처 볼륨에 둘러싸여 있다. 이것은 상자모양이다. 캡처 볼륨의 크기는 동일한 공간의 연속적인 스캔들 사이에서 가장 빠른 차량이 이동할 수 있는 대략적인 거리다.

센서(레이더)는 주기적으로 공간의 볼륨을 스캔한다.

예를 들어, 10마일의 포획 거리는 마하 3으로 이동하는 차량을 감지하기 위해 15초 이하의 간격을 두고 주기적으로 스캔해야 한다. 이는 비 도플러 시스템에 대한 성능 제한 사항이다.

트랙으로의 전환은 두 탐지에 대한 캡처 볼륨이 겹칠 때 시작된다.

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

${\displaystyle {\text{Capture(2D)}\;{\begin{case}\left X({\text{new})\vert <{\text}\ret Y({\text}{new})\wright\vert <{data}pret{pretainment}}}}}}}}}}}ret{{pret{pret{data.$

트랙과 쌍을 이루지 않은 각각의 새로운 검출은 트랙과 쌍을 이루지 않은 다른 검출과 비교된다(저장된 모든 데이터와의 교차 상관 관계).

추적으로의 전환은 일반적으로 최대 5개의 스캔 중 최소 3개의 탐지와 같이 N 전략 중 M을 포함한다.

이 전략은 지평선 부근의 어수선함과 날씨 현상과 생물학의 끈적임으로 인해 많은 수의 거짓 선로를 만들어낸다. 새, 곤충, 나무, 파도, 폭풍은 트랙 알고리즘을 느리게 할 수 있는 충분한 센서 데이터를 생성한다.

과도한 거짓 트랙은 트랙 알고리즘 로딩으로 인해 센서가 다음 스캔을 시작하기 전에 트랙 파일의 모든 정보를 업데이트하지 못하기 때문에 성능을 저하시킨다. 채프는 이러한 약점을 이용하여 탐지를 거부하려는 의도다.

이동 대상 표시(MTI)는 일반적으로 트랙 알고리즘의 과부하를 방지하기 위해 잘못된 클러터 트랙을 줄이는 데 사용된다. MTI가 부족한 시스템은 수신기 감도를 줄이거나 혼잡도가 심한 지역에서 선로 전환을 방지해야 한다.

도플러

잠금과 방사형 속도는 트랙 알고리즘에 복잡성의 레이어를 추가하는 도플러 센서의 고유한 요건이다.

반사경의 방사상 속도는 검출과 관련된 짧은 시간 동안 반사경의 주파수를 측정하여 도플러 시스템에서 직접 결정된다. 이 주파수는 방사형 속도로 변환된다.

반사경의 방사상 속도도 연속적인 스캔의 거리를 비교하여 결정한다.

두 개를 빼서 그 차이를 간략히 평균한다.

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

평균 차이가 임계값 아래로 떨어지면 신호가 잠금이다.

자물쇠는 신호가 뉴턴 역학에 순응한다는 것을 의미한다. 유효한 반사경은 자물쇠를 만든다. 잘못된 신호는 그렇지 않다. 잘못된 반사는 헬리콥터 날개와 같은 것으로, 도플러가 차량이 공기를 통해 이동하는 속도와 일치하지 않는 것을 포함한다. 유효하지 않은 신호는 레이더 방해나 속임수와 같이 송신기와 분리된 소스에 의해 만들어진 전자파를 포함한다.

잠금 신호가 발생하지 않는 반사경은 기존 기법을 사용하여 추적할 수 없다. 이는 차량의 주체가 거부 속도 이하(날개만 보일 뿐)가 될 수 있기 때문에 헬리콥터와 같은 물체에 대해 피드백 루프를 열어야 함을 의미한다.

잠금을 발생시키는 탐지의 경우 트랙으로의 전환은 자동으로 이루어진다. 이는 발사 플랫폼 레이더로 얻은 속도 정보가 필요한 반능동 레이더 호밍에 필수적이다.

트랙으로의 전환은 비뉴턴 신호 소스의 경우 수동이지만 프로세스를 자동화하는 데 추가 신호 처리를 사용할 수 있다. 도플러 속도 피드백은 도플러 속도 측정이 차량의 반경 속도와 일치하지 않는 헬리콥터와 같은 반사체 근처에서 비활성화해야 한다.

펄스 도플러 센서 데이터에는 결합 트랙과 분할 트랙을 포함하는 의사결정 로직의 일부인 물체 영역, 방사형 속도 및 잠금 상태가 포함된다.

수동적

패시브 센서 정보에는 각도 데이터나 시간만 포함된다. 수동 청취는 추적 시스템이 수중 시스템, 전자 대응책, 발사체 센서 등 에너지를 방출하지 않을 때 사용된다.

세 가지 전략은 정전기, 합성 조리개, 도착 시간이다.

이istatic 측정에는 각도 데이터만 생성할 수 있는 여러 센서의 데이터를 비교하는 것이 포함된다. 시차를 사용하여 거리를 식별한다.

합성 조리개에는 이미터 기동 중에 여러 각도를 측정하는 것이 포함된다. 이 과정은 현장 데이터의 선에서 궤도를 찾는 천체 역학과 유사하다. 등속도로 주행하는 차량까지의 거리는 현장 선을 교차하는 직선을 따라 이산 지점에서 떨어진다. 코리올리 효과는 물체가 회전하는 동안 일정한 속도를 유지할 때 이 선까지의 거리를 결정하는 데 사용할 수 있다. 이 전략은 일반적으로 반능동 레이더 호밍과 수중 시스템에 사용된다.

시간 측정은 발사체나 폭탄과 같은 임펄스 선원의 신호를 식별하기 위해 사용된다. 폭탄은 하나의 충동을 발생시키며, 충격파가 3개 이상의 센서를 통과할 때 도착 시간을 비교해 위치를 파악할 수 있다. 발사체는 입마개 폭발로 인해 초음속 발사체의 경로에 수직으로 반경방향으로 이동하는 충격파로 초기 임펄스를 생성한다. 발사체로부터의 충격파는 인바운드 화재를 위한 입마개 폭발 전에 도착하므로 두 신호는 추적 알고리즘으로 쌍을 이루어야 한다. 아음속 발사체는 입마개 폭발 후에 오는 충격파를 방출한다.

신호 방출 서명은 여러 신호 소스가 동시에 센서에 도착할 때 트랙 캡처를 수행하기 위해 각도 데이터를 일치시키는 데 사용되어야 한다.

트랙

모든 새로운 센서 데이터는 캡처 또는 드롭 처리가 이루어지기 전에 먼저 기존 트랙과 비교된다.

트랙 위치 및 속도 정보는 미래 위치에서 트랙 볼륨을 설정한다. 트랙 박스에 포함된 새로운 센서 데이터가 트랙의 트랙 기록에 추가되고 임시 저장소에서 삭제된다.

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

작동 중에 각 차량에 대한 XYZ 센서 측정값이 해당 차량과 연결된 트랙 파일에 추가된다. 이것은 위치와 속도를 추적하기 위해 사용되는 트랙 이력이다. XYZ 속도는 연속적인 값을 빼고 두 스캔들 사이의 시간 차이로 나누어 결정한다.

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

차량이 계속 감지하는 트랙을 활성 트랙이라고 한다. 트랙 볼륨이 캡처 볼륨보다 훨씬 작다.

그 트랙은 어떤 탐지가 없을 때 잠깐 계속된다. 탐지가 없는 트랙은 코스트 트랙이 된다. 속도 정보는 트랙 볼륨이 확장됨에 따라 공간을 통해 트랙 볼륨을 짧게 이동하는 데 사용된다.

코스트 트랙의 캡처 볼륨에 포함되는 새로운 트랙은 인근 코스트 트랙의 트랙 이력과 교차 상관된다. 위치 및 속도가 호환되면 코스트 트랙 이력이 새 트랙과 결합된다. 이것을 조인 트랙이라고 한다.

활성 트랙의 캡처 볼륨에서 또는 그 근처에서 시작하는 새로운 트랙을 분할 트랙이라고 한다.

코스트 트랙, 결합 트랙 및 분할 트랙은 운영자 경고를 트리거한다. 예를 들어, 선로 코스트는 항공기 충돌로 인해 발생할 수 있으므로, 그렇지 않으면 원인을 파악할 필요가 있다.

민간 항공교통 관제요원은 선로 알고리즘에서 생산한 지도자를 활용해 향후 2개 선로 위치가 분리 한도를 위반할 경우 조종사에게 경보를 발령한다.

트랙 데이터는 통상 항공기 손실에 대한 근본 원인을 규명하기 위해 조사가 필요한 경우에 기록된다.

이것은 칼만 필터의 특별한 경우다.

참조