В этом примере показано, как сгенерировать сценарий управления воздушным движением, симулируйте радарные обнаружения от радара наблюдения аэропорта (ASR) и сконфигурируйте средство отслеживания глобального самого близкого соседа (GNN), чтобы отследить симулированные цели с помощью радарных обнаружений. Это позволяет вам оценить различные целевые сценарии, радарные требования и настройки средства отслеживания, не нуждаясь в доступе к дорогостоящему самолету или оборудованию. Этот пример покрывает целый синтетический рабочий процесс данных.
Симулируйте башню управления воздушным движением (ATC) и движущиеся цели в сценарии как платформы. Симуляция движения платформ в сценарии управляема trackingScenario.
Создайте trackingScenario и добавьте башню ATC в сценарий.
% Create tracking scenario scenario = trackingScenario; % Add a stationary platform to model the ATC tower tower = platform(scenario);
Добавьте радар наблюдения аэропорта (ASR) в башню ATC. Типичная башня ATC имеет смонтированные 15 метров радара над землей. Это радиолокационные обзоры механически в азимуте по фиксированной процентной ставке, чтобы предоставить 360 страховых защит степени около башни ATC. Перечислены общие технические требования для ASR:
Чувствительность: 0 dBsm 111 км
Механический Скан: Азимут только
Механическая частота развертки: 12,5 об/мин
Электронный скан: 'none'
Поле зрения: азимут на 1,4 градуса, вертикальное изменение на 10 градусов
Разрешение азимута: 1,4 градуса
Разрешение области значений: 135 м
Смоделируйте ASR с указанными выше техническими условиями с помощью fusionRadarSensor.
rpm = 12.5; fov = [1.4;10]; scanrate = rpm*360/60; % deg/s updaterate = scanrate/fov(1); % Hz radar = fusionRadarSensor(1,'Rotator', ... 'UpdateRate', updaterate, ... % Hz 'FieldOfView', fov, ... % [az;el] deg 'MaxAzimuthScanRate', scanrate, ... % deg/sec 'AzimuthResolution', fov(1), ... % deg 'ReferenceRange', 111e3, ... % m 'ReferenceRCS', 0, ... % dBsm 'RangeResolution', 135, ... % m 'HasINS', true, ... 'DetectionCoordinates', 'Scenario'); % Mount radar at the top of the tower radar.MountingLocation = [0 0 -15]; tower.Sensors = radar;
Наклоните радар так, чтобы он рассмотрел область, начинающуюся в 2 градусах выше горизонта. Для этого включите вертикальное изменение и установите механические пределы скана, чтобы охватить поле зрения вертикального изменения радара, начинающееся в 2 градусах выше горизонта. Поскольку trackingScenario использует Северо-восток вниз (NED) координатная система координат, отрицательные вертикальные изменения соответствуют точкам выше горизонта.
% Enable elevation scanning radar.HasElevation = true; % Set mechanical elevation scan to begin at 2 degrees above the horizon elFov = fov(2); tilt = 2; % deg radar.MechanicalElevationLimits = [-fov(2) 0]-tilt; % deg
Установите поле зрения вертикального изменения быть немного больше, чем вертикальное изменение, заполненное пределами скана. Это предотвращает растровое сканирование в вертикальном изменении и наклоняет радар, чтобы указать посреди пределов скана вертикального изменения.
radar.FieldOfView(2) = elFov+1e-3;
fusionRadarSensor область значений моделей и вертикальное изменение смещают из-за атмосферного преломления. Эти смещения становятся более явными на более низких высотах и для целей в больших расстояниях. Поскольку индекс изменений преломления (уменьшения) с высотой, радарные сигналы распространяют вдоль изогнутого контура. Это приводит к радарным целям наблюдения на высотах, которые выше, чем их истинная высота и в областях значений вне их области значений угла обзора.
Добавьте три авиалайнера в секторе управления ATC. Один авиалайнер приближается к ATC с большого расстояния, другой отбывает, и третье летит тангенциальный в башню. Смоделируйте движение этих авиалайнеров на 60-секундном интервале.
trackingScenario использует Северо-восток вниз (NED) координатная система координат. При определении waypoints для авиалайнеров ниже, z-координата соответствует вниз, таким образом, высоты над землей установлены в отрицательные величины.
% Duration of scenario sceneDuration = 60; % s % Inbound airliner ht = 3e3; spd = 900*1e3/3600; % m/s wp = [-5e3 -40e3 -ht;-5e3 -40e3+spd*sceneDuration -ht]; traj = waypointTrajectory('Waypoints',wp,'TimeOfArrival',[0 sceneDuration]); platform(scenario,'Trajectory', traj); % Outbound airliner ht = 4e3; spd = 700*1e3/3600; % m/s wp = [20e3 10e3 -ht;20e3+spd*sceneDuration 10e3 -ht]; traj = waypointTrajectory('Waypoints',wp,'TimeOfArrival',[0 sceneDuration]); platform(scenario,'Trajectory', traj); % Tangential airliner ht = 4e3; spd = 300*1e3/3600; % m/s wp = [-20e3 -spd*sceneDuration/2 -ht;-20e3 spd*sceneDuration/2 -ht]; traj = waypointTrajectory('Waypoints',wp,'TimeOfArrival',[0 sceneDuration]); platform(scenario,'Trajectory', traj);
Создайте trackerGNN сформировать дорожки из радарных обнаружений, сгенерированных от этих трех авиалайнеров. Обновите средство отслеживания с обнаружениями, сгенерированными после завершения полных 360 сканов степени в азимуте.
Средство отслеживания использует initFilter поддерживание функции, чтобы инициализировать постоянную скорость расширило Фильтр Калмана для каждого нового трека. initFilter изменяет фильтр, возвращенный initcvekf чтобы совпадать с целевыми скоростями и средством отслеживания обновляют интервал.
tracker = trackerGNN( ... 'Assignment', 'Auction', ... 'AssignmentThreshold',50, ... 'FilterInitializationFcn',@initFilter);
Вы используете trackingGlobeViewer визуализировать результаты сверху отображения карты. Вы располагаете источник локального Северо-востока вниз (NED) система координат, используемая радаром башни и средством отслеживания в позиции аэропорта Логана в Бостоне. Источник расположен в 42,36306 широтах и-71.00639 долготах и на 50 метров выше уровня моря.
origin = [42.366978, -71.022362, 50]; mapViewer = trackingGlobeViewer('ReferenceLocation',origin,... 'Basemap','streets-dark'); campos(mapViewer, origin + [0 0 1e5]); drawnow; plotScenario(mapViewer,scenario); snapshot(mapViewer);
Следующий цикл совершенствует положения платформы, пока конец сценария не был достигнут. Для каждого шага вперед в сценарии радар генерирует обнаружения от целей в его поле зрения. Средство отслеживания обновляется с этими обнаружениями после того, как радар завершил 360 сканов степени в азимуте.
% Set simulation to advance at the update rate of the radar scenario.UpdateRate = radar.UpdateRate; % Create a buffer to collect the detections from a full scan of the radar scanBuffer = {}; % Initialize the track array tracks = objectTrack.empty; % Save visualization snapshots for each scan allsnaps = {}; scanCount = 0; % Set random seed for repeatable results s = rng; rng(2020) while advance(scenario) % Update airliner positions plotPlatform(mapViewer, scenario.Platforms([2 3 4]), 'TrajectoryMode','Full'); % Generate detections on targets in the radar's current field of view [dets,config] = detect(scenario); scanBuffer = [scanBuffer;dets]; %#ok<AGROW> % Plot beam and detections plotCoverage(mapViewer,coverageConfig(scenario)) plotDetection(mapViewer,scanBuffer); % Update tracks when a 360 degree scan is complete simTime = scenario.SimulationTime; isScanDone = config.IsScanDone; if isScanDone scanCount = scanCount+1; % Update tracker [tracks,~,~,info] = tracker(scanBuffer,simTime); % Clear scan buffer for next scan scanBuffer = {}; elseif isLocked(tracker) % Predict tracks to the current simulation time tracks = predictTracksToTime(tracker,'confirmed',simTime); end % Update map and take snapshots allsnaps = snapPlotTrack(mapViewer,tracks,isScanDone, scanCount, allsnaps); end allsnaps = [allsnaps, {snapshot(mapViewer)}];
Покажите первый снимок состояния, взятый при завершении второго скана радара.
figure
imshow(allsnaps{1});
Предыдущий рисунок показывает сценарий в конце вторых 360 сканов степени радара. Радарные обнаружения, показавшие голубыми точками, присутствуют для каждого из симулированных авиалайнеров. На данном этапе средство отслеживания было уже обновлено одним полным сканом радара. Внутренне, средство отслеживания инициализировало дорожки для каждого из авиалайнеров. Эти дорожки покажут после обновления после этого скана, когда дорожки будут продвинуты на подтвержденный, удовлетворяя требование подтверждения средства отслеживания 2 хитов из 3 обновлений.
Следующие два снимка состояния показывают отслеживание исходящего авиалайнера.
figure
imshow(allsnaps{2});
figure
imshow(allsnaps{3});
Предыдущие рисунки показывают изображение дорожки прежде и сразу после обновлений средства отслеживания после второго скана радара. Обнаружение на рисунке перед обновлением средства отслеживания используется, чтобы обновить и подтвердить инициализированную дорожку от обнаружения предыдущего скана для этого авиалайнера. Следующий рисунок показывает положение и скорость подтвержденной дорожки. Неопределенность в оценке положения дорожки показывается желтым эллипсом. Только после двух обнаружений средство отслеживания установило точную оценку положения и скорости исходящего авиалайнера. Истинная высота авиалайнера составляет 4 км, и она перемещается на север на уровне 700 км/час.
figure
imshow(allsnaps{4});
figure
imshow(allsnaps{5});
Состояние дорожки исходящего авиалайнера курсируется в конец третьего скана и показанное на рисунке выше наряду с новым обнаружением для авиалайнера. Заметьте, как неопределенность дорожки выросла, поскольку она была обновлена на предыдущем рисунке. Дорожку после того, как это было обновлено с обнаружением, показывают на следующем рисунке. Вы замечаете, что неопределенность в положении дорожки уменьшается после обновления. Неопределенность дорожки растет между обновлениями и уменьшается каждый раз, когда она обновляется с новым измерением. Вы также замечаете, что после третьего обновления, дорожка находится сверх истинного положения авиалайнера.
figure
imshow(allsnaps{6});
Итоговый рисунок показывает состояние дорожек всех трех авиалайнеров в конце сценария. Существует точно одна дорожка для каждого из этих трех авиалайнеров. Те же номера дорожек присвоены каждому из авиалайнеров на целое время сценария, указав, что ни одна из этих дорожек не была пропущена во время сценария. Предполагаемые дорожки тесно совпадают с истинным положением и скоростью авиалайнеров.
truthTrackTable = tabulateData(scenario, tracks) %#ok<NOPTS>truthTrackTable=3×4 table
TrackID Altitude Heading Speed
True Estimated True Estimated True Estimated
_______ _________________ _________________ _________________
"T1" 4000 4051 90 90 700 710
"T2" 4000 4070 0 359 300 300
"T3" 3000 3057 0 359 900 908
Визуализируйте дорожки в 3D, чтобы получить лучший смысл предполагаемых высот.
% Reposition and orient the camera to show the 3-D nature of the map camPosition = origin + [0.367, 0.495, 1.5e4]; camOrientation = [235, -17, 0]; % Looking south west, 17 degrees below the horizon campos(mapViewer, camPosition); camorient(mapViewer, camOrientation); drawnow
Рисунок ниже показывает 3-D карту сценария. Вы видите симулированные струи в белых треугольниках с их траекториями, изображенными как белые линии. Радарный луч показывается синим конусом с синими точками, представляющими радарные обнаружения. Дорожки отображают желтым, оранжевым цветом, и синие, и их информация перечислена в их соответствующем цвете. По причине 3-D отображения некоторые маркеры могут быть скрыты позади других.
Можно использовать следующие средства управления на карте, чтобы получить другие взгляды на сцену:
Чтобы панорамировать карту, вы щелкаете левой кнопкой по мыши и перетаскиваете карту.
Чтобы вращать карту, при удержании ctrl кнопки, вы щелкаете левой кнопкой по мыши и перетаскиваете карту.
Чтобы увеличить и уменьшить масштаб карты, вы используете колесико прокрутки мыши.
snapshot(mapViewer);
В этом примере показано, как сгенерировать сценарий управления воздушным движением, симулируйте радарные обнаружения от радара наблюдения аэропорта (ASR) и сконфигурируйте средство отслеживания глобального самого близкого соседа (GNN), чтобы отследить симулированные цели с помощью радарных обнаружений. В этом примере вы изучили, как основанная на истории логика средства отслеживания продвигает дорожки. Вы также изучили, как неопределенность дорожки растет, когда дорожка курсируется и уменьшается, когда дорожка обновляется новым обнаружением.
initFilter
Эта функция изменяет функциональный initcvekf обрабатывать более высокие скоростные цели, такие как авиалайнеры в сценарии ATC.
function filter = initFilter(detection) filter = initcvekf(detection); classToUse = class(filter.StateCovariance); % Airliners can move at speeds around 900 km/h. The velocity is % initialized to 0, but will need to be able to quickly adapt to % aircraft moving at these speeds. Use 900 km/h as 1 standard deviation % for the initialized track's velocity noise. spd = 900*1e3/3600; % m/s velCov = cast(spd^2,classToUse); cov = filter.StateCovariance; cov(2,2) = velCov; cov(4,4) = velCov; filter.StateCovariance = cov; % Set filter's process noise to match filter's update rate scaleAccelHorz = cast(1,classToUse); scaleAccelVert = cast(1,classToUse); Q = blkdiag(scaleAccelHorz^2, scaleAccelHorz^2, scaleAccelVert^2); filter.ProcessNoise = Q; end
tabulateData
Эта функция возвращает таблицу, сравнивающую основную истину и дорожки
function truthTrackTable = tabulateData(scenario, tracks) % Process truth data platforms = scenario.Platforms(2:end); % Platform 1 is the radar numPlats = numel(platforms); trueAlt = zeros(numPlats,1); trueSpd = zeros(numPlats,1); trueHea = zeros(numPlats,1); for i = 1:numPlats traj = platforms{i}.Trajectory; waypoints = traj.Waypoints; times = traj.TimeOfArrival; trueAlt(i) = -waypoints(end,3); trueVel = (waypoints(end,:) - waypoints(end-1,:)) / (times(end)-times(end-1)); trueSpd(i) = norm(trueVel) * 3600 / 1000; % Convert to km/h trueHea(i) = atan2d(trueVel(1),trueVel(2)); end trueHea = mod(trueHea,360); % Associate tracks with targets atts = [tracks.ObjectAttributes]; tgtInds = [atts.TargetIndex]; % Process tracks assuming a constant velocity model numTrks = numel(tracks); estAlt = zeros(numTrks,1); estSpd = zeros(numTrks,1); estHea = zeros(numTrks,1); truthTrack = zeros(numTrks,7); for i = 1:numTrks estAlt(i) = -round(tracks(i).State(5)); estSpd(i) = round(norm(tracks(i).State(2:2:6)) * 3600 / 1000); % Convert to km/h; estHea(i) = round(atan2d(tracks(i).State(2),tracks(i).State(4))); estHea(i) = mod(estHea(i),360); platID = tgtInds(i); platInd = platID - 1; truthTrack(i,:) = [tracks(i).TrackID, trueAlt(platInd), estAlt(i), trueHea(platInd), estHea(i), ... trueSpd(platInd), estSpd(i)]; end % Organize the data in a table names = {'TrackID','TrueAlt','EstimatedAlt','TrueHea','EstimatedHea','TrueSpd','EstimatedSpd'}; truthTrackTable = array2table(truthTrack,'VariableNames',names); truthTrackTable = mergevars(truthTrackTable, (6:7), 'NewVariableName', 'Speed', 'MergeAsTable', true); truthTrackTable.(6).Properties.VariableNames = {'True','Estimated'}; truthTrackTable = mergevars(truthTrackTable, (4:5), 'NewVariableName', 'Heading', 'MergeAsTable', true); truthTrackTable.(4).Properties.VariableNames = {'True','Estimated'}; truthTrackTable = mergevars(truthTrackTable, (2:3), 'NewVariableName', 'Altitude', 'MergeAsTable', true); truthTrackTable.(2).Properties.VariableNames = {'True','Estimated'}; truthTrackTable.TrackID = "T" + string(truthTrackTable.TrackID); end
snapPlotTrack
Этот указатели на функцию, перемещающиеся камеру, беря соответствующие снимки состояния и обновляя зрительный ряд дорожки.
function allsnaps = snapPlotTrack(mapViewer,tracks,isScanDone, scanCount,allsnaps) % Save snapshots during first 4 scans if isScanDone && any(scanCount == [2 3]) newsnap = snapshot(mapViewer); allsnaps = [allsnaps, {newsnap}]; %move camera if scanCount == 2 % Show the outbound airliner campos(mapViewer, [42.5650 -70.8990 7e3]); drawnow newsnap = snapshot(mapViewer); allsnaps = [allsnaps, {newsnap}]; end end % Update display with current track positions plotTrack(mapViewer,tracks, 'LabelStyle','ATC'); if isScanDone && any(scanCount == [2 3]) % Take a snapshot of confirmed track drawnow newsnap = snapshot(mapViewer); allsnaps = [allsnaps, {newsnap}]; % Reset Camera view to full scene if scanCount == 3 origin = [42.366978, -71.022362, 50]; campos(mapViewer, origin + [0 0 1e5]); drawnow end end end