Un algoritmo de seguimiento es una estrategia de mejora del rendimiento del radar y el sonar . Los algoritmos de seguimiento proporcionan la capacidad de predecir la posición futura de múltiples objetos en movimiento basándose en el historial de las posiciones individuales que informan los sistemas de sensores.
La información histórica se acumula y se utiliza para predecir la posición futura, que se utiliza en el control del tráfico aéreo, la estimación de amenazas, la doctrina del sistema de combate, la puntería de los cañones, la guía de misiles y el lanzamiento de torpedos. Los datos de posición se acumulan en un lapso que va desde unos minutos hasta unas semanas.
Hay cuatro algoritmos de seguimiento comunes. [1]
Los algoritmos de seguimiento originales se incorporaron a hardware personalizado que se volvió común durante la Segunda Guerra Mundial. Esto incluye tubos de almacenamiento utilizados con pantallas indicadoras de posición planificada, pantallas indicadoras de altura de alcance y tableros de trazado de líneas utilizados para el control del tráfico aéreo civil y la gestión de vías navegables. También incluye computadoras analógicas personalizadas, como la computadora de control de fuego Mark I utilizada con datos de radar para apuntar armas, misiles y torpedos asociados con el control del tráfico aéreo militar y la gestión de vías navegables.
Los algoritmos de seguimiento se trasladaron de equipos analógicos a computadoras digitales entre los años 1950 y 1980. Esto fue necesario para eliminar limitaciones como las colisiones en el aire y otros problemas relacionados con equipos obsoletos que fueron socializados por PATCO y el Departamento de Defensa de los Estados Unidos . Se produjeron tendencias de migración similares en otros países del mundo por razones similares.
El tráfico aéreo civil moderno y los sistemas de combate militar dependen de algoritmos de seguimiento personalizados utilizados con computación en tiempo real conectada a pantallas y periféricos.
Las limitaciones de los sistemas informáticos digitales modernos son la velocidad de procesamiento, la tasa de rendimiento de entrada-salida, la cantidad de dispositivos de entrada-salida y la compatibilidad del software con piezas de actualización.
Los algoritmos de seguimiento funcionan con un sistema de coordenadas cartesianas , que suele denominarse coordenadas rectangulares y se basa en norte-sur, este-oeste y altitud. Los sensores funcionan con un sistema de coordenadas polares , que suele denominarse coordenadas esféricas y se basa en la elevación, el rumbo y el alcance. A continuación se muestra una terminología común.
Generalmente, a los usuarios se les presentan varias pantallas que muestran información de los datos de la pista y las señales detectadas sin procesar.
La alerta audible llama la atención sobre la notificación que se desplaza. Esto mostrará el número de pista en el caso de situaciones como violación de separación (colisión inminente) y pérdida de pista que no se encuentre cerca de una instalación de aterrizaje.
Las notificaciones de desplazamiento y las alertas audibles no requieren ninguna acción del usuario. Otras pantallas se activan para mostrar información adicional solo cuando el usuario selecciona una pista. La interfaz humana principal para el algoritmo de seguimiento es una pantalla indicadora de posición planificada. Esta normalmente muestra cuatro datos.
El algoritmo de seguimiento produce simbología que se muestra en el indicador de posición del plan.
Los usuarios disponen de un dispositivo señalador con varios botones que proporciona acceso al archivo de pista 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 la pista. El usuario puede realizar acciones mientras el gancho está activo, como comunicarse con el vehículo o notificar a otros usuarios sobre el vehículo asociado con la pista.
Aquí se describe el algoritmo de seguimiento del vecino más cercano para simplificar.
Cada nueva detección informada a partir de los datos entrantes del sensor se incorpora al 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 del seguimiento, y de un programa informático que actualiza periódicamente el archivo de seguimiento. [3]
La información de los sensores (datos de radar, sonar y transpondedor) se proporciona al algoritmo de seguimiento mediante un sistema de coordenadas polares , y se convierte al sistema de coordenadas cartesianas para el algoritmo de seguimiento. La conversión de polar a cartesiana utiliza datos de navegación para sensores montados en vehículos, lo que elimina los cambios de posición de los sensores causados por el movimiento de barcos y aeronaves que, de otro modo, corromperían los datos de seguimiento.
El modo de seguimiento comienza cuando un sensor produce una detección sostenida en un volumen específico de espacio.
El algoritmo de seguimiento realiza una de cuatro acciones cuando llegan estos nuevos datos del sensor.
Cada objeto tiene su propia información de trayectoria independiente, llamada historial de trayectoria. Puede llegar a durar hasta una hora en el caso de objetos aéreos, mientras que en el caso de objetos submarinos, el historial de trayectoria puede remontarse a varias semanas.
Cada tipo de sensor produce distintos tipos de datos de trayectoria. Un radar 2D con un haz en abanico no produce información de altitud. Un radar 4D con un haz en lápiz producirá velocidad Doppler radial además de rumbo, elevación y rango oblicuo.
Los datos nuevos de los sensores se almacenan durante un período de tiempo limitado. Esto ocurre antes del procesamiento del seguimiento, la captura y la eliminación.
Los datos almacenados deben conservarse durante un tiempo limitado para poder compararlos con las pistas existentes. También deben conservarse durante el tiempo suficiente para completar el procesamiento necesario para desarrollar nuevas pistas.
Los datos pierden rápidamente su propósito para los sistemas de sensores que utilizan una estrategia de detección M de N. Los datos almacenados suelen descartarse después de que hayan expirado N escaneos con menos de M detecciones dentro de un volumen específico.
El procesamiento de las pistas se lleva a cabo solo después de que se haya procesado la pista y la captura. En ocasiones, los datos de las pistas se pueden extraer de la memoria principal y grabar en un medio de almacenamiento junto con el archivo de pista para su análisis externo.
La estrategia de captura depende del tipo de sensor.
El procesamiento de captura se lleva a cabo solo después de que los datos del sensor almacenados se hayan comparado con todas las pistas existentes.
Cada detección de sensor está rodeada por un volumen de captura . Este tiene forma de caja. El tamaño del volumen de captura es aproximadamente la distancia que puede recorrer el vehículo más rápido entre escaneos sucesivos de ese mismo volumen de espacio.
Los sensores (radar) escanean un volumen de espacio periódicamente.
Por ejemplo, una distancia de captura de 10 millas requiere escaneos periódicos con una separación de no más de 15 segundos para detectar vehículos que viajan a una velocidad de Mach 3. Esta es una limitación de rendimiento para los sistemas que no son Doppler.
La transición al seguimiento comienza cuando el volumen de captura de dos detecciones se superpone.
Cada nueva detección que no esté emparejada con una pista se compara con todas las demás detecciones que aún no estén emparejadas con una pista (correlación cruzada con todos los datos almacenados).
La transición al seguimiento generalmente implica una estrategia M de N, como al menos 3 detecciones de un máximo de 5 escaneos.
Esta estrategia produce una gran cantidad de pistas falsas debido a la interferencia cerca del horizonte y a la viscosidad de los fenómenos meteorológicos y biológicos. Las aves, los insectos, los árboles, las olas y las tormentas generan suficientes datos de los sensores como para ralentizar el algoritmo de seguimiento.
El exceso de pistas falsas degrada el rendimiento porque la carga del algoritmo de pistas hará que no se actualice toda la información en el archivo de pistas antes de que los sensores comiencen el siguiente escaneo. Chaff tiene como objetivo impedir la detección aprovechando esta debilidad.
La indicación de objetivo móvil (MTI) se utiliza normalmente para reducir los rastros de interferencias falsas y evitar sobrecargar el algoritmo de rastreo. Los sistemas que carecen de MTI deben reducir la sensibilidad del receptor o evitar la transición al rastreo en regiones con interferencias intensas.
El bloqueo y la velocidad radial son requisitos exclusivos de los sensores Doppler que agregan capas adicionales de complejidad al algoritmo de seguimiento.
La velocidad radial del reflector se determina directamente en los sistemas Doppler midiendo la frecuencia del reflector durante el breve lapso de tiempo asociado con la detección. Esta frecuencia se convierte en velocidad radial.
La velocidad radial del reflector también se determina comparando la distancia de exploraciones sucesivas.
Se restan los dos y se promedia brevemente la diferencia.
Si la diferencia promedio cae por debajo de un umbral, entonces la señal es un bloqueo .
El bloqueo significa que la señal obedece a la mecánica newtoniana . Los reflectores válidos producen un bloqueo. Las señales no válidas no lo hacen. Las reflexiones no válidas incluyen cosas como las palas de un helicóptero, donde el efecto Doppler no se corresponde con la velocidad a la que se mueve el vehículo por el aire. Las señales no válidas incluyen microondas producidas por fuentes independientes del transmisor, como interferencias y engaños de radar .
Los reflectores que no producen una señal de bloqueo no se pueden rastrear con la técnica convencional. Esto significa que el circuito de retroalimentación debe abrirse para objetos como helicópteros porque el cuerpo principal del vehículo puede estar por debajo de la velocidad de rechazo (solo se ven las aspas).
La transición a la trayectoria es automática para las detecciones que producen un bloqueo. Esto es esencial para la orientación por radar semiactiva que requiere información de velocidad obtenida por el radar de la plataforma de lanzamiento.
La transición a la trayectoria es manual para las fuentes de señales no newtonianas, pero se puede utilizar un procesamiento de señal adicional para automatizar el proceso. La retroalimentación de velocidad Doppler debe desactivarse en las proximidades de reflectores como helicópteros, donde la medición de velocidad Doppler no coincide con la velocidad radial del vehículo.
Los datos del sensor de pulso Doppler incluyen el área del objeto, la velocidad radial y el estado de bloqueo, que son parte de la lógica de decisión que implica unir pistas y dividir pistas.
La información del sensor pasivo incluye únicamente datos de ángulo o tiempo. La escucha pasiva se utiliza cuando el sistema de seguimiento no emite energía, como en el caso de los sistemas submarinos, las contramedidas electrónicas y los sensores de proyectiles.
Las tres estrategias son biestática, apertura sintética y tiempo de llegada .
Las mediciones biestáticas implican la comparación de datos de varios sensores que solo pueden generar datos angulares. La distancia se identifica mediante el paralaje .
La apertura sintética implica tomar múltiples mediciones angulares mientras el emisor maniobra. El proceso es similar a la mecánica celeste , donde la órbita se determina a partir de los datos de la línea de visión. La distancia a un vehículo que viaja a velocidad constante disminuirá en puntos discretos a lo largo de una línea recta que atraviesa la línea de visión. El efecto Coriolis se puede utilizar para determinar la distancia a esta línea cuando el objeto mantiene una velocidad constante durante un giro. Esta estrategia se utiliza normalmente con el rastreo por radar semiactivo y con sistemas submarinos.
Las mediciones de tiempo se utilizan para identificar señales de fuentes de impulso, como proyectiles y bombas. Las bombas producen un solo impulso y la ubicación se puede identificar comparando el tiempo de llegada a medida que la onda de choque pasa por 3 o más sensores. Los proyectiles producen un impulso inicial a partir de la explosión de la boca del cañón con una onda de choque que viaja radialmente hacia afuera perpendicular a la trayectoria del proyectil supersónico. La onda de choque del proyectil llega antes de la explosión de la boca del cañón para el fuego entrante, por lo que ambas señales deben ser emparejadas por el algoritmo de seguimiento. Los proyectiles subsónicos emiten una onda de choque que llega después de la explosión de la boca del cañón.
La firma de emisión de señal se debe utilizar para hacer coincidir los datos angulares y lograr la captura de la pista cuando varias fuentes de señal llegan al sensor simultáneamente.
Todos los datos nuevos de los sensores se comparan primero con las pistas existentes antes de que se realice el procesamiento de captura o caída.
La información de velocidad y posición de la pista establece un volumen de pista en una posición futura. Los datos nuevos de los sensores que se incluyen en ese cuadro de pista se agregan al historial de la pista correspondiente y se eliminan del almacenamiento temporal.
Durante el funcionamiento, las mediciones del sensor XYZ de cada vehículo se añaden al archivo de recorrido asociado a ese vehículo. Este es el historial de recorrido que se utiliza para realizar un seguimiento de la posición y la velocidad. La velocidad XYZ se determina restando valores sucesivos y dividiéndolos por la diferencia de tiempo entre los dos escaneos.
Las pistas en las que el vehículo continúa produciendo una detección se denominan pistas activas . El volumen de la pista es mucho menor que el volumen de captura.
La pista continúa brevemente en ausencia de detecciones. Las pistas sin detecciones se convierten en pistas de inercia . La información de velocidad se utiliza para mover el volumen de la pista a través del espacio brevemente a medida que se expande.
Las nuevas pistas que se encuentran dentro del volumen de captura de una pista de desvío se correlacionan de forma cruzada con el historial de pistas de la pista de desvío cercana. Si la posición y la velocidad son compatibles, el historial de pistas de desvío se combina con la nueva pista. Esto se denomina pista de unión .
Una nueva pista que comienza en o cerca del volumen de captura de una pista activa se denomina pista dividida .
La trayectoria de marcha por inercia, la trayectoria unida y la trayectoria dividida activan una alerta del operador. Por ejemplo, una trayectoria de marcha por inercia puede ser consecuencia de una colisión de aeronaves, por lo que es necesario determinar la causa; de lo contrario, es necesario notificar al personal supervisor.
El personal de control de tráfico aéreo civil utiliza los líderes producidos por el algoritmo de seguimiento para alertar a los pilotos cuando la posición futura de dos seguimientos viola el límite de separación .
Los datos de seguimiento generalmente se registran en caso de que se requiera una investigación para establecer la causa raíz de la pérdida de una aeronave.
Este es un caso especial del filtro Kalman .
