Algoritmo de seguimiento

Un algoritmo de seguimiento es una estrategia para mejorar el rendimiento del radar y el sonar . Estos algoritmos permiten predecir la posición futura de múltiples objetos en movimiento basándose en el historial de posiciones individuales reportadas por los sistemas de sensores. La información histórica se acumula y se utiliza para predecir la posición futura, lo que resulta útil para el control del tráfico aéreo, la estimación de amenazas, la doctrina de sistemas de combate, el apuntamiento de armas, la guía de misiles y el lanzamiento de torpedos. Los datos de posición se acumulan durante periodos que van desde unos minutos hasta varias semanas.

Un sistema de seguimiento necesita pasar por cuatro fases de actualización:

• Asociar una colección de ecos (gráfico) con una pista existente ( asociación de gráfico a pista )
• Actualiza la pista con este último gráfico ( suavizado de pista ).
• Generar nuevas pistas con cualquier trazado que no esté asociado a pistas existentes ( inicio de pista ).
• Eliminar cualquier ruta que no se haya actualizado, o predecir su nueva ubicación en función del rumbo y la velocidad anteriores ( mantenimiento de ruta ).

Cada ruta suele tener una posición, una dirección, una velocidad y un identificador único.

Hay dos algoritmos comunes para la conversión de trazado a pista: ^{[ 1 ]}

• Vecino más cercano
• Asociación de datos probabilísticos

Y dos para suavizar la pista:

• Seguimiento de hipótesis múltiples
• Modelo Múltiple Interactivo (IMM)

Los algoritmos de seguimiento originales se integraron en hardware personalizado que se popularizó durante la Segunda Guerra Mundial. Esto incluye tubos de almacenamiento utilizados con pantallas indicadoras de posición planificada, pantallas indicadoras de altitud y alcance, y pizarras de trazado utilizadas para el control del tráfico aéreo civil y la gestión de vías navegables. También incluye computadoras analógicas personalizadas, como la computadora de control de tiro Mark I, utilizada con datos de radar para apuntar cañones, misiles y torpedos asociados con el control del tráfico aéreo militar y la gestión de vías navegables.

Los algoritmos de seguimiento se migraron de equipos analógicos a computadoras digitales entre las décadas de 1950 y 1980. Esto fue necesario para eliminar limitaciones como colisiones en el aire y otros problemas relacionados con equipos obsoletos distribuidos por PATCO y el Departamento de Defensa de los Estados Unidos . Se observaron tendencias de migración similares en otros países del mundo por razones parecidas.

Los sistemas modernos de control del tráfico aéreo civil y de combate militar dependen de algoritmos de seguimiento personalizados que utilizan computación en tiempo real sincronizada con pantallas y periféricos.

Las limitaciones de los sistemas informáticos digitales modernos son la velocidad de procesamiento, la tasa de transferencia de datos de entrada/salida, el número de dispositivos de entrada/salida y la compatibilidad del software con las piezas de actualización.

Los algoritmos de seguimiento operan con un sistema de coordenadas cartesianas . Este sistema se suele denominar coordenadas rectangulares y se basa en las direcciones norte-sur, este-oeste y la altitud. Los sensores operan utilizando un sistema de coordenadas polares . Este sistema se suele denominar coordenadas esféricas y se basa en la elevación, el rumbo y el alcance. A continuación se presenta una terminología común.

Por lo general, a los usuarios se les presentan varias pantallas que muestran información de los datos de seguimiento y las señales detectadas sin procesar.

• Indicador de posición del plan
• Notificaciones desplazables para pistas nuevas, pistas divididas y pistas unidas
• Visualización de amplitud de rango
• Indicador de altura de alcance
• Visualización de error de ángulo
• Alertas sonoras (zumbador o voz)

La alerta sonora llama la atención sobre la notificación desplazable. Esta mostrará el número de pista en casos como violación de la separación (colisión inminente) y pérdida de pista cuando no se encuentra cerca de una instalación de aterrizaje.

Las notificaciones desplazables y las alertas sonoras no requieren ninguna acción por parte del usuario. Otras pantallas se activan para mostrar información adicional solo cuando el usuario selecciona una ruta. La interfaz principal para el algoritmo de seguimiento es un indicador de posición planificada. Este suele mostrar cuatro datos.

El algoritmo de seguimiento genera una simbología que se muestra en el indicador de posición del plano.

Los usuarios disponen de un dispositivo señalador con varios botones que permite acceder al archivo de seguimiento a través del indicador de posición del plano. El dispositivo señalador típico es una bola de seguimiento, que funciona de la siguiente manera.

La acción de gancho desactiva el cursor y muestra información adicional del algoritmo de seguimiento. El usuario puede realizar acciones mientras el gancho está activo, como comunicarse con el vehículo o notificar a otros usuarios sobre el vehículo asociado al seguimiento.

Aquí se describe, por simplicidad, el algoritmo de seguimiento del vecino más cercano.

Cada nueva detección reportada a partir de los datos entrantes de los sensores se introduce en el algoritmo de seguimiento, que se utiliza para controlar las pantallas. ^{[ 2 ]}

El funcionamiento del algoritmo de seguimiento depende de un archivo de seguimiento, que contiene datos históricos de seguimiento, y de un programa informático que actualiza periódicamente dicho archivo. ^{[ 3 ]}

La información de los sensores (datos de radar, sonar y transpondedor) se proporciona al algoritmo de seguimiento mediante un sistema de coordenadas polares , que posteriormente se convierte a coordenadas cartesianas . Esta conversión utiliza datos de navegación de los sensores instalados en los vehículos, lo que elimina los cambios de posición de los sensores causados ​​por el movimiento de barcos y aeronaves, que de otro modo distorsionarían los datos de seguimiento.

El modo de seguimiento se activa cuando un sensor produce una detección sostenida en un volumen específico del espacio.

El algoritmo de seguimiento toma una de cuatro acciones cuando llegan estos nuevos datos del sensor.

Cada objeto tiene su propia información de seguimiento independiente. Esto se denomina historial de seguimiento. En el caso de objetos aéreos, este historial puede abarcar hasta una hora. Para objetos submarinos, el historial de seguimiento puede extenderse varias semanas.

Cada tipo de sensor produce diferentes tipos de datos de seguimiento. Un radar 2D con haz en abanico no produce información de altitud. Un radar 4D con haz estrecho producirá velocidad Doppler radial además de rumbo, elevación y alcance oblicuo .

Los nuevos datos de los sensores se almacenan durante un período de tiempo limitado. Esto ocurre antes del procesamiento de seguimiento, captura y lanzamiento.

Los datos almacenados deben conservarse durante un tiempo limitado para permitir la comparación con las pistas existentes. Asimismo, deben conservarse el tiempo suficiente para completar el procesamiento necesario para desarrollar nuevas pistas.

Los datos pierden rápidamente su utilidad en los sistemas de sensores que emplean una estrategia de detección M de N. Los datos almacenados suelen descartarse tras N escaneos con menos de M detecciones dentro de un volumen determinado.

El procesamiento de los datos descartados se realiza únicamente después del procesamiento de seguimiento y captura. En ocasiones, los datos descartados pueden extraerse de la memoria principal y grabarse en un medio de almacenamiento junto con el archivo de seguimiento para su análisis externo.

La estrategia de captura depende del tipo de sensor.

El procesamiento de la captura se realiza únicamente después de que los datos almacenados del sensor se hayan comparado con todas las trayectorias existentes.

Antes de capturar o descartar cualquier dato nuevo de los sensores, este se compara primero con los datos existentes.

La información sobre la posición y la velocidad de la trayectoria establece un volumen de trayectoria en una posición futura. Los nuevos datos de los sensores que se encuentren dentro de ese recuadro de trayectoria se añaden al historial de la trayectoria y se eliminan del almacenamiento temporal.

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

Durante el funcionamiento, las mediciones de los sensores XYZ de cada vehículo se añaden al archivo de seguimiento correspondiente. Este historial de seguimiento se utiliza para registrar la posición y la velocidad. La velocidad XYZ se determina restando valores sucesivos y dividiendo el resultado por la diferencia de tiempo entre las dos mediciones.

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

Las trayectorias en las que el vehículo continúa produciendo una detección se denominan trayectorias activas . El volumen de la trayectoria es mucho menor que el volumen de captura.

El seguimiento continúa brevemente en ausencia de detecciones. Los seguimientos sin detecciones se convierten en seguimientos inerciales . La información de velocidad se utiliza para desplazar brevemente el volumen del seguimiento a través del espacio a medida que este se expande.

Las nuevas trayectorias que caen dentro del volumen de captura de una trayectoria de inercia se correlacionan con el historial de la trayectoria de inercia cercana. Si la posición y la velocidad son compatibles, el historial de la trayectoria de inercia se combina con la nueva trayectoria. Esto se denomina trayectoria de unión .

Una nueva pista que comienza dentro o cerca del volumen de captura de una pista activa se denomina pista dividida .

Las vías que se desvían, se unen o se dividen activan una alerta para el operador. Por ejemplo, una vía que se desvía puede ser consecuencia de una colisión de aeronaves, por lo que es necesario determinar la causa; de lo contrario, se debe notificar al personal de supervisión.

El personal civil de control de tráfico aéreo utiliza los datos de referencia generados por el algoritmo de seguimiento para alertar a los pilotos cuando la posición futura de dos trayectorias infringe el límite de separación .

Los datos de seguimiento se registran habitualmente en caso de que sea necesaria una investigación para determinar la causa principal de la pérdida de una aeronave.

Este es un caso especial del filtro de Kalman .