跟蹤掃描與跟蹤濾波的幾個(gè)步驟
[導(dǎo)讀]為了搜索目標(biāo)，雷達(dá)重復(fù)掃描一個(gè)或多個(gè)條形柵格。每次掃描都獨(dú)立于所有其他掃描。無(wú)論何時(shí)檢測(cè)到目標(biāo)，雷達(dá)通常都為操作員和TWS功能提供目標(biāo)距離、多普勒，方位角和俯仰角的估計(jì)。對(duì)于任何單一檢測(cè)，估計(jì)值統(tǒng)稱(chēng)為觀察值。在純搜索中，操作員必須確定當(dāng)前掃描中檢測(cè)到的目標(biāo)是否與先前掃描或掃描中檢...
為了搜索目標(biāo)，雷達(dá)重復(fù)掃描一個(gè)或多個(gè)條形柵格。每次掃描都獨(dú)立于所有其他掃描。無(wú)論何時(shí)檢測(cè)到目標(biāo)，雷達(dá)通常都為操作員和TWS功能提供目標(biāo)距離、多普勒，方位角和俯仰角的估計(jì)。對(duì)于任何單一檢測(cè)，估計(jì)值統(tǒng)稱(chēng)為觀察值。
在純搜索中，操作員必須確定當(dāng)前掃描中檢測(cè)到的目標(biāo)是否與先前掃描或掃描中檢測(cè)到的目標(biāo)相同。但是使用TWS時(shí)，這個(gè)決定是自動(dòng)做出的。
在連續(xù)掃描的過(guò)程中，TWS保持對(duì)每個(gè)有效目標(biāo)的相對(duì)飛行路徑的準(zhǔn)確跟蹤。該過(guò)程通過(guò)五個(gè)步驟迭代執(zhí)行：預(yù)處理、相關(guān)、跟蹤啟動(dòng)和刪除、濾波、和門(mén)的形成。
預(yù)處理
在該步驟中，對(duì)每個(gè)新觀察執(zhí)行兩個(gè)重要操作。首先，如果在先前掃描中檢測(cè)到具有相同距離、距離變化率和角位置的目標(biāo)，則組合觀察結(jié)果。其次，如果尚未如此引用，則將每個(gè)觀察結(jié)果轉(zhuǎn)換為固定坐標(biāo)系，例如藍(lán)色面板中描述的NED。
角度估計(jì)方便地表示為方向余弦。在這種情況下，這些是目標(biāo)方向與N，E和D軸之間的角度的余弦?？梢酝ㄟ^(guò)將它們乘以相應(yīng)的方向余弦，將范圍和距離速率投影到N，E和D軸上。
相關(guān)
此步驟確定是否應(yīng)將新觀察分配給現(xiàn)有跟蹤。根據(jù)迄今為止分配給軌道的觀測(cè)結(jié)果，跟蹤濾波器將軌道的每個(gè)參數(shù)的N，E和D分量的值精確地?cái)U(kuò)展到當(dāng)前觀察的時(shí)間。然后，過(guò)濾器在下一次觀察時(shí)預(yù)測(cè)這些組件的值。
在濾波器導(dǎo)出的精度統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，在航跡預(yù)測(cè)的每個(gè)分量周?chē)胖靡粋€(gè)縮放到測(cè)量和預(yù)測(cè)最大誤差的門(mén)，如圖31-17所示。如果下一個(gè)觀察落在航跡的所有門(mén)內(nèi)，則將觀察分配給跟蹤。
當(dāng)然，當(dāng)接收到密集間隔的觀察時(shí)，可能發(fā)生分配中的沖突。為了解決這些沖突，通過(guò)對(duì)觀測(cè)的所有分量的測(cè)量和預(yù)測(cè)之間的差異進(jìn)行歸一化和組合來(lái)計(jì)算每個(gè)觀察與跟蹤（或跟蹤）的統(tǒng)計(jì)距離。
每個(gè)跟蹤都在一個(gè)門(mén)中心，其半徑對(duì)應(yīng)于測(cè)量和預(yù)測(cè)之間的最大可能統(tǒng)計(jì)距離。
在這種情況下應(yīng)用的限制是，對(duì)于落在現(xiàn)有跟蹤的門(mén)內(nèi)的觀察，不能啟動(dòng)暫定跟蹤。因此，因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)觀察被分配給落下的航跡，所以該觀察結(jié)果被丟棄。
代表性的沖突如圖31-19所示。觀察落在兩個(gè)不同跟蹤的門(mén)內(nèi)：和。觀測(cè)和都落在跟蹤的門(mén)內(nèi)。諸如此類(lèi)的沖突通常如下解決。
?觀測(cè)被分配到跟蹤，因?yàn)樗?/span>門(mén)內(nèi)唯一的觀測(cè)值，而在其門(mén)內(nèi)有其他觀測(cè)值和。
?觀測(cè)被分配到跟蹤，因?yàn)樗嚯x門(mén)中心的距離小于的距離。
跟蹤創(chuàng)建或刪除
當(dāng)新觀察（例如圖31-19中的）不適合現(xiàn)有軌道的門(mén)時(shí)，會(huì)建立一個(gè)暫定的新軌道。如果在下一次掃描（或可能是之后的下一次掃描）中，第二次觀察與該軌跡相關(guān)，則確認(rèn)該軌跡。如果不是，則認(rèn)為觀察是虛警并且被丟棄。類(lèi)似地，如果對(duì)于給定數(shù)量的掃描，沒(méi)有新觀察與現(xiàn)有軌道相關(guān)聯(lián)，則移除軌道。
濾波：這類(lèi)似于單目標(biāo)跟蹤中執(zhí)行的濾波。基于每個(gè)跟蹤的預(yù)測(cè)和新測(cè)量之間的差異，更新跟蹤，進(jìn)行新的預(yù)測(cè)，并且導(dǎo)出觀察和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度統(tǒng)計(jì)。
門(mén)形成：根據(jù)濾波器導(dǎo)出的預(yù)測(cè)和精度統(tǒng)計(jì)，形成新的門(mén)并將其提供給相關(guān)函數(shù)。
因?yàn)闉V波，觀察目標(biāo)的時(shí)間越長(zhǎng)，新門(mén)的定位越準(zhǔn)確，并且計(jì)算的跟蹤越接近實(shí)際跟蹤。
跟蹤濾波
跟蹤濾波根據(jù)該跟蹤的雷達(dá)的測(cè)量值來(lái)估計(jì)目標(biāo)跟蹤的軌跡。由于它是一種估計(jì)，它受到測(cè)量和過(guò)程誤差的影響，但它的目的是盡可能準(zhǔn)確地確定目標(biāo)軌跡。通常使用預(yù)測(cè)和校正的組合來(lái)完成跟蹤濾波。圖31-20說(shuō)明了包含跟蹤濾波的組件。
圖31-20中的恒星表示以恒定速度移動(dòng)的目標(biāo)的一系列測(cè)量值。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，濾波器在下一次測(cè)量時(shí)預(yù)測(cè)目標(biāo)可能的位置。通過(guò)將預(yù)測(cè)位置與測(cè)量位置進(jìn)行比較，可以選擇新的平滑位置，其表示測(cè)量噪聲和過(guò)程噪聲之間的折衷（來(lái)自預(yù)測(cè)過(guò)程）。此過(guò)濾過(guò)程可以寫(xiě)為：
其中是在平滑航跡上的時(shí)間t = k處的新濾波位置。是在時(shí)間t = k的預(yù)測(cè)位置（即先前應(yīng)用濾波器的輸出），是在時(shí)間t = k時(shí)的測(cè)量位置。參數(shù)α通過(guò)將其置于更接近預(yù)測(cè)或更靠近測(cè)量的位置來(lái)控制濾波位置。然后，成為跟蹤濾波器的下一個(gè)周期中的預(yù)測(cè)。圖31-21顯示了α的選擇如何導(dǎo)致不同的行為。
當(dāng)α=1然后? 時(shí)，濾波后的位置與測(cè)量位置相同，因此通過(guò)簡(jiǎn)單地將測(cè)量結(jié)果連接在一起形成跟蹤。相反地，當(dāng)α=0然后時(shí)，忽略測(cè)量并且如果有的話(huà)將任意地形成跟蹤。對(duì)于介于0和1之間的值，濾波器僅使用位置測(cè)量。
更復(fù)雜但性能更好的濾波器使用α-β跟蹤濾波器形式，兼具位置和速度測(cè)量。
α-β跟蹤濾波器。表示簡(jiǎn)單濾波器過(guò)程的前述等式將總是具有滯后于數(shù)據(jù)的輸出，因?yàn)轭A(yù)測(cè)僅基于先前的位置測(cè)量。α-β濾波器通過(guò)額外使用多普勒或速度信息克服了這一點(diǎn)。對(duì)于速度我們有
其中是濾波的速度，是濾波速度的先前值，是更新之間的時(shí)間。和的方程被稱(chēng)為α-β跟蹤濾波器的方程，并使新的校正位置能夠通過(guò)下式得出
其中是新的校正位置，它是從先前的平滑位置和速度值導(dǎo)出的。這些方程組合在一起構(gòu)成了最常見(jiàn)的跟蹤濾波器核心的預(yù)測(cè)校正器構(gòu)造。
α和β的選擇是降低對(duì)噪聲的靈敏度和降低對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)變化（機(jī)動(dòng)）的靈敏度之間的權(quán)衡。較大的α和β值導(dǎo)致較高的跟蹤噪聲，但對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)變化的響應(yīng)性較大。通常α和β將介于0.1和0.9之間，并且它們的選擇取決于用戶(hù)要求和隨后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)約束。
對(duì)于許多跟蹤問(wèn)題，α-β跟蹤濾波器提供了足夠的解決方案。然而，對(duì)于更復(fù)雜的情況，α和β的常量取值也很有限。卡爾曼濾波器是α-β跟蹤濾波器的擴(kuò)展，其中α和β是變量，通過(guò)設(shè)置該變量可以使得測(cè)量和處理噪聲的方差最小化?？柭櫈V波器也是預(yù)測(cè)校正器形式。
在掃描時(shí)跟蹤中，通過(guò)過(guò)濾其參數(shù)來(lái)跟蹤在連續(xù)搜索掃描中檢測(cè)到的目標(biāo)，就像在單目標(biāo)跟蹤中一樣。對(duì)于每個(gè)航跡，基于濾波參數(shù)的門(mén)用于確定是否應(yīng)該將新檢測(cè)分配給現(xiàn)有航跡，或者是否應(yīng)該為它們建立新的暫定航跡以及是否應(yīng)該丟棄任何現(xiàn)有航跡。
跟蹤濾波器用來(lái)平滑、真實(shí)的估計(jì)目標(biāo)的確切位置和軌跡。α-β濾波器和卡爾曼濾波器是用于跟蹤的預(yù)測(cè)校正器方法的示例，并且在許多跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)中十分常見(jiàn)。
本文參考："Introduction to Airborne Radar 3rd"，需要電子版的請(qǐng)到更新文件夾查看。
識(shí)別上面二維碼訂閱成為永久鐵桿會(huì)員后可以下載我們公眾號(hào)過(guò)去5年多以來(lái)分享的所有資料，聯(lián)系小編微信（Zang_lxl）領(lǐng)取專(zhuān)屬的會(huì)員編號(hào)和資料下載方法，加入永久鐵桿會(huì)員技術(shù)交流群。訂閱成功后在個(gè)人中心處會(huì)顯示“永久有效”，如下圖。若你曾是永久鐵桿會(huì)員但在個(gè)人中心處未顯示的可以聯(lián)系小編告知會(huì)員編號(hào)，小編會(huì)及時(shí)給與操作。需要注意的是永久鐵桿會(huì)員是包含精品課程但不包含付費(fèi)專(zhuān)欄，全場(chǎng)通用是包含永久鐵桿會(huì)員和所有的付費(fèi)專(zhuān)欄的，請(qǐng)知悉！
在純搜索中，操作員必須確定當(dāng)前掃描中檢測(cè)到的目標(biāo)是否與先前掃描或掃描中檢測(cè)到的目標(biāo)相同。但是使用TWS時(shí)，這個(gè)決定是自動(dòng)做出的。
在連續(xù)掃描的過(guò)程中，TWS保持對(duì)每個(gè)有效目標(biāo)的相對(duì)飛行路徑的準(zhǔn)確跟蹤。該過(guò)程通過(guò)五個(gè)步驟迭代執(zhí)行：預(yù)處理、相關(guān)、跟蹤啟動(dòng)和刪除、濾波、和門(mén)的形成。
預(yù)處理
在該步驟中，對(duì)每個(gè)新觀察執(zhí)行兩個(gè)重要操作。首先，如果在先前掃描中檢測(cè)到具有相同距離、距離變化率和角位置的目標(biāo)，則組合觀察結(jié)果。其次，如果尚未如此引用，則將每個(gè)觀察結(jié)果轉(zhuǎn)換為固定坐標(biāo)系，例如藍(lán)色面板中描述的NED。
角度估計(jì)方便地表示為方向余弦。在這種情況下，這些是目標(biāo)方向與N，E和D軸之間的角度的余弦?？梢酝ㄟ^(guò)將它們乘以相應(yīng)的方向余弦，將范圍和距離速率投影到N，E和D軸上。
相關(guān)
此步驟確定是否應(yīng)將新觀察分配給現(xiàn)有跟蹤。根據(jù)迄今為止分配給軌道的觀測(cè)結(jié)果，跟蹤濾波器將軌道的每個(gè)參數(shù)的N，E和D分量的值精確地?cái)U(kuò)展到當(dāng)前觀察的時(shí)間。然后，過(guò)濾器在下一次觀察時(shí)預(yù)測(cè)這些組件的值。
在濾波器導(dǎo)出的精度統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，在航跡預(yù)測(cè)的每個(gè)分量周?chē)胖靡粋€(gè)縮放到測(cè)量和預(yù)測(cè)最大誤差的門(mén)，如圖31-17所示。如果下一個(gè)觀察落在航跡的所有門(mén)內(nèi)，則將觀察分配給跟蹤。
當(dāng)然，當(dāng)接收到密集間隔的觀察時(shí)，可能發(fā)生分配中的沖突。為了解決這些沖突，通過(guò)對(duì)觀測(cè)的所有分量的測(cè)量和預(yù)測(cè)之間的差異進(jìn)行歸一化和組合來(lái)計(jì)算每個(gè)觀察與跟蹤（或跟蹤）的統(tǒng)計(jì)距離。
每個(gè)跟蹤都在一個(gè)門(mén)中心，其半徑對(duì)應(yīng)于測(cè)量和預(yù)測(cè)之間的最大可能統(tǒng)計(jì)距離。
在這種情況下應(yīng)用的限制是，對(duì)于落在現(xiàn)有跟蹤的門(mén)內(nèi)的觀察，不能啟動(dòng)暫定跟蹤。因此，因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)觀察被分配給落下的航跡，所以該觀察結(jié)果被丟棄。
代表性的沖突如圖31-19所示。觀察落在兩個(gè)不同跟蹤的門(mén)內(nèi)：和。觀測(cè)和都落在跟蹤的門(mén)內(nèi)。諸如此類(lèi)的沖突通常如下解決。
?觀測(cè)被分配到跟蹤，因?yàn)樗?/span>門(mén)內(nèi)唯一的觀測(cè)值，而在其門(mén)內(nèi)有其他觀測(cè)值和。
?觀測(cè)被分配到跟蹤，因?yàn)樗嚯x門(mén)中心的距離小于的距離。
跟蹤創(chuàng)建或刪除
當(dāng)新觀察（例如圖31-19中的）不適合現(xiàn)有軌道的門(mén)時(shí)，會(huì)建立一個(gè)暫定的新軌道。如果在下一次掃描（或可能是之后的下一次掃描）中，第二次觀察與該軌跡相關(guān)，則確認(rèn)該軌跡。如果不是，則認(rèn)為觀察是虛警并且被丟棄。類(lèi)似地，如果對(duì)于給定數(shù)量的掃描，沒(méi)有新觀察與現(xiàn)有軌道相關(guān)聯(lián)，則移除軌道。
濾波：這類(lèi)似于單目標(biāo)跟蹤中執(zhí)行的濾波。基于每個(gè)跟蹤的預(yù)測(cè)和新測(cè)量之間的差異，更新跟蹤，進(jìn)行新的預(yù)測(cè)，并且導(dǎo)出觀察和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度統(tǒng)計(jì)。
門(mén)形成：根據(jù)濾波器導(dǎo)出的預(yù)測(cè)和精度統(tǒng)計(jì)，形成新的門(mén)并將其提供給相關(guān)函數(shù)。
因?yàn)闉V波，觀察目標(biāo)的時(shí)間越長(zhǎng)，新門(mén)的定位越準(zhǔn)確，并且計(jì)算的跟蹤越接近實(shí)際跟蹤。
跟蹤濾波
跟蹤濾波根據(jù)該跟蹤的雷達(dá)的測(cè)量值來(lái)估計(jì)目標(biāo)跟蹤的軌跡。由于它是一種估計(jì)，它受到測(cè)量和過(guò)程誤差的影響，但它的目的是盡可能準(zhǔn)確地確定目標(biāo)軌跡。通常使用預(yù)測(cè)和校正的組合來(lái)完成跟蹤濾波。圖31-20說(shuō)明了包含跟蹤濾波的組件。
圖31-20中的恒星表示以恒定速度移動(dòng)的目標(biāo)的一系列測(cè)量值。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，濾波器在下一次測(cè)量時(shí)預(yù)測(cè)目標(biāo)可能的位置。通過(guò)將預(yù)測(cè)位置與測(cè)量位置進(jìn)行比較，可以選擇新的平滑位置，其表示測(cè)量噪聲和過(guò)程噪聲之間的折衷（來(lái)自預(yù)測(cè)過(guò)程）。此過(guò)濾過(guò)程可以寫(xiě)為：
其中是在平滑航跡上的時(shí)間t = k處的新濾波位置。是在時(shí)間t = k的預(yù)測(cè)位置（即先前應(yīng)用濾波器的輸出），是在時(shí)間t = k時(shí)的測(cè)量位置。參數(shù)α通過(guò)將其置于更接近預(yù)測(cè)或更靠近測(cè)量的位置來(lái)控制濾波位置。然后，成為跟蹤濾波器的下一個(gè)周期中的預(yù)測(cè)。圖31-21顯示了α的選擇如何導(dǎo)致不同的行為。
當(dāng)α=1然后? 時(shí)，濾波后的位置與測(cè)量位置相同，因此通過(guò)簡(jiǎn)單地將測(cè)量結(jié)果連接在一起形成跟蹤。相反地，當(dāng)α=0然后時(shí)，忽略測(cè)量并且如果有的話(huà)將任意地形成跟蹤。對(duì)于介于0和1之間的值，濾波器僅使用位置測(cè)量。
更復(fù)雜但性能更好的濾波器使用α-β跟蹤濾波器形式，兼具位置和速度測(cè)量。
α-β跟蹤濾波器。表示簡(jiǎn)單濾波器過(guò)程的前述等式將總是具有滯后于數(shù)據(jù)的輸出，因?yàn)轭A(yù)測(cè)僅基于先前的位置測(cè)量。α-β濾波器通過(guò)額外使用多普勒或速度信息克服了這一點(diǎn)。對(duì)于速度我們有
其中是濾波的速度，是濾波速度的先前值，是更新之間的時(shí)間。和的方程被稱(chēng)為α-β跟蹤濾波器的方程，并使新的校正位置能夠通過(guò)下式得出
其中是新的校正位置，它是從先前的平滑位置和速度值導(dǎo)出的。這些方程組合在一起構(gòu)成了最常見(jiàn)的跟蹤濾波器核心的預(yù)測(cè)校正器構(gòu)造。
α和β的選擇是降低對(duì)噪聲的靈敏度和降低對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)變化（機(jī)動(dòng)）的靈敏度之間的權(quán)衡。較大的α和β值導(dǎo)致較高的跟蹤噪聲，但對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)變化的響應(yīng)性較大。通常α和β將介于0.1和0.9之間，并且它們的選擇取決于用戶(hù)要求和隨后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)約束。
對(duì)于許多跟蹤問(wèn)題，α-β跟蹤濾波器提供了足夠的解決方案。然而，對(duì)于更復(fù)雜的情況，α和β的常量取值也很有限。卡爾曼濾波器是α-β跟蹤濾波器的擴(kuò)展，其中α和β是變量，通過(guò)設(shè)置該變量可以使得測(cè)量和處理噪聲的方差最小化?？柭櫈V波器也是預(yù)測(cè)校正器形式。
在掃描時(shí)跟蹤中，通過(guò)過(guò)濾其參數(shù)來(lái)跟蹤在連續(xù)搜索掃描中檢測(cè)到的目標(biāo)，就像在單目標(biāo)跟蹤中一樣。對(duì)于每個(gè)航跡，基于濾波參數(shù)的門(mén)用于確定是否應(yīng)該將新檢測(cè)分配給現(xiàn)有航跡，或者是否應(yīng)該為它們建立新的暫定航跡以及是否應(yīng)該丟棄任何現(xiàn)有航跡。
跟蹤濾波器用來(lái)平滑、真實(shí)的估計(jì)目標(biāo)的確切位置和軌跡。α-β濾波器和卡爾曼濾波器是用于跟蹤的預(yù)測(cè)校正器方法的示例，并且在許多跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)中十分常見(jiàn)。
本文參考："Introduction to Airborne Radar 3rd"，需要電子版的請(qǐng)到更新文件夾查看。
識(shí)別上面二維碼訂閱成為永久鐵桿會(huì)員后可以下載我們公眾號(hào)過(guò)去5年多以來(lái)分享的所有資料，聯(lián)系小編微信（Zang_lxl）領(lǐng)取專(zhuān)屬的會(huì)員編號(hào)和資料下載方法，加入永久鐵桿會(huì)員技術(shù)交流群。訂閱成功后在個(gè)人中心處會(huì)顯示“永久有效”，如下圖。若你曾是永久鐵桿會(huì)員但在個(gè)人中心處未顯示的可以聯(lián)系小編告知會(huì)員編號(hào)，小編會(huì)及時(shí)給與操作。需要注意的是永久鐵桿會(huì)員是包含精品課程但不包含付費(fèi)專(zhuān)欄，全場(chǎng)通用是包含永久鐵桿會(huì)員和所有的付費(fèi)專(zhuān)欄的，請(qǐng)知悉！
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