Nghiên cứu thuật toán tương quan và lọc trong bài toán bám quỹ đạo đa mục tiêu

- NGUYỄN DUY HOÀNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TƯƠNG QUAN VÀ LỌC TRONG BÀI TOÁN BÁM QUỸ ĐẠO ĐA MỤC TIÊU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – Năm 2012 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi – Nguyễn Duy Hoàng – xin cam đoan • Luận văn tốt nghiệp (LVTN) Thạc sĩ này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Hữu Đức.
- Tiếp theo, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Công nghệ thông tin và truyền thông, Viện đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường.
- 12 1.1 Giới thiệu hệ thống phòng không.
- 13 1.1.2 Hệ thống hỏa lực phòng không.
- 14 1.1.3 Hệ thống C3I.
- 14 1.2 Hệ thống bám quỹ đạo đa mục tiêu.
- 15 1.3 Các thành phần của hệ thống bám quỹ đạo đa mục tiêu.
- 18 2.1 Mô hình hệ thống.
- 18 2.1.1 Phân loại mô hình hệ thống.
- 19 2.1.2 Một số mô hình hệ thống phổ biến.
- 20 2.2 Thuật toán lọc quỹ đạo.
- 22 2.2.1 Thuật toán lọc tuyến tính Kalman.
- 22 2.2.2 Thuật toán lọc phi tuyến.
- 29 2.2.3 Thuật toán lọc phi tuyến EKF.
- 29 2.2.4 Thuật toán lọc phi tuyến UKF.
- 33 2.2.5 Thuật toán lọc đa mô hình IMM.
- 38 2.3 Thuật toán tương quan quỹ đạo.
- 42 4 2.3.1 Thuật toán tương quan quỹ đạo và thuật toán lọc.
- 43 2.3.3 Các trường hợp tương quan điểm dấu – quỹ đạo.
- 44 2.3.4 Thuật toán tương quan GNN.
- 46 2.3.5 Thuật toán tương quan JPDA.
- 53 3.1 Lựa chọn thuật toán lọc và thuật toán tương quan.
- 53 3.2 Thuật toán lọc IMM.
- 54 3.2.2 Thuật toán lọc UIMM.
- 55 3.3 Thuật toán tương quan GNN.
- 72 4.2.1 Đánh giá chất lượng thuật toán lọc.
- 72 4.2.2 Đánh giá chất lượng thuật toán tương quan.
- 73 4.2.3 Đánh giá thời gian thực hiện thuật toán.
- 77 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Chú giải ADS Air Defense System Hệ thống phòng không AWACS Airborne Warning and Control System Hệ thống chỉ huy và cảnh báo sớm trên không RADAR Radio Dectection and Ranging Đài ra-đa SAM Surface to Air Tên lửa đất đối không AAA Anti-aircraft Artillery Pháo phòng không C3I Command, Control, Communication and Intelligence Hệ thống chỉ huy, điều khiển thông tin và tình báo COP Common Operational Picture Bức tranh tác chiến IFF Identification Friend or Foe Nhận dạng địch - ta KF Kalman Filter Thuật toán lọc Kalman EKF Extended Kalman Filter Thuật toán lọc Kalman mở rộng UKF Unscented Kalman Filter Thuật toán lọc UKF IMM Interacting Multiple Model Thuật toán lọc đa mô hình UIMM Unscented Interacting Multiple Model Thuật toán lọc đa mô hình sử dụng bộ lọc UKF GNN Global Nearest Neighbor Thuật toán tương quan GNN JPDA Joint Probabilistic Data Association Thuật toán tương quan JPDA MHT Multiple Hypothesis Tracking Thuật toán tương quan đa giả thiết MHT UT Unscented Transform Phép biến đổi Unscented Transform 6 CV Constant Velocity Model Mô hình tuyến tính vận tốc hằng số CA Constant Acceleration Model Mô hình tuyến tính gia tốc hằng số CT Constant Turn Model Mô hình rẽ đều RMSE Root Mean Square Error Sai số trung bình bình phương RMSPE Root Mean Square Position Error Sai số trung bình bình phương vị trí 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1: Bảng khoảng cách thống kê Mahalanobis.
- 47 Bảng 2-2: Bảng giá trị tương quan điểm dấu - quỹ đạo.
- 48 Bảng 4-1: Bảng thống kê RMSPE cho các bộ mục tiêu giả lập.
- 73 Bảng 4-2: Bảng thống kê XSHN cho các bộ mục tiêu giả lập.
- 73 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1: Các thành phần cơ bản của hệ thống phòng không.
- 12 Hình 1-2: Hệ thống chỉ huy, điều khiển thông tin và tình báo C3I.
- 14 Hình 1-3: Hệ thống bám quỹ đạo đa mục tiêu.
- 44 Hình 2-16: Cửa sổ tìm kiếm và tương quan điểm dấu – quỹ đạo.
- 45 Hình 2-17: Vị trí thực hiện GNN trong bám quỹ đạo.
- 46 Hình 2-18: Minh họa thuật toán Munkres.
- 50 Hình 2-19: Vị trí thực hiện JPDA trong bám quỹ đạo.
- 51 Hình 3-1: Bám quỹ đạo với GNN và IMM.
- 61 Hình 4-1: Dữ liệu giả lập 20 mục tiêu bay theo đội hình.
- 63 Hình 4-2: Phóng to mô hình 20 mục tiêu bay theo đội hình.
- 64 Hình 4-3: Dữ liệu giả lập 25 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- 64 Hình 4-4: Dữ liệu giả lập 50 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- 65 Hình 4-5: Dữ liệu giả lập 100 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- 65 Hình 4-6: Dữ liệu giả lập 150 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- 66 Hình 4-7: Dữ liệu giả lập 200 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- 66 Hình 4-8: Dữ liệu giả lập 250 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- 67 Hình 4-9: Bám 20 mục tiêu bay theo kịch bản.
- 68 Hình 4-10: Bám 20 mục tiêu bay theo kịch bản.
- 68 Hình 4-11: Phóng to bám 20 mục tiêu bay theo kịch bản.
- 69 Hình 4-12: Bám 25 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- 69 Hình 4-13: Bám 50 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- 70 Hình 4-14: Bám 100 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- 70 Hình 4-15: Bám 150 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- 71 Hình 4-16: Bám 200 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- 71 Hình 4-17: Bám 250 mục tiêu bay theo mô hình ngẫu nhiên.
- Sức mạnh quốc gia bao gồm toàn bộ thực lực đảm bảo cho sự tồn tại và phát triển của quốc gia đó bao gồm các nhân tố vật chất, tinh thần, ảnh hưởng trong quan hệ quốc tế như: Lãnh thổ, tài nguyên thiên nhiên, dân số, kinh tế, khoa học công nghệ, giao thông, thông tin liên lạc, sức mạnh quân sự và quan hệ đối ngoại.
- Sức mạnh quân sự trên không thể hiện trên các loại vũ khí tiến công đường không được trang bị và hệ thống phòng không để đối phó với các cuộc tiến công đường không của đối phương Các hệ thống phòng không hiện đại bao gồm ba thành phần cơ bản là mạng lưới các sensor tình báo, hệ thống vũ khí hỏa lực và hệ thống chỉ huy và điều khiển đóng vai trò là trung tâm kết nối hai thành phần trên.
- Một trong những nhiệm vụ cơ bản của hệ thống chỉ huy điều khiển là phải xử lý chính xác các thông tin thu nhận từ các sensor tình báo, nhanh chóng đưa ra được tình trạng bay của các mục tiêu trên bầu trời.
- Nhiệm vụ này do hệ thống bám quỹ đạo, là bộ phận con của hệ thống chỉ huy điều khiển, đảm trách.
- Hệ thống bám quỹ đạo đã được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm trên thế giới, không những chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự mà còn nhanh chóng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực dân sự như theo dõi chuyển động của người qua camera, điều khiển chuyển động của rôbốt… Ở Việt Nam, việc tìm hiểu hệ thống bám vẫn còn khá hạn hẹp và phần nhiều các công trình tìm hiểu mới chỉ dừng lại ở mức bám quỹ đạo đơn mục tiêu, áp dụng cho các bài toán theo dõi chuyển 11 động của vật thể qua camera….
- Với các ứng dụng bám đơn mục tiêu, chỉ cần có thuật toán lọc là đủ đáp ứng yêu cầu.
- Với các hệ thống bám đa mục tiêu, thuật toán lọc là chưa đủ để giải quyết.
- Nó cần có sự hỗ trợ từ thuật toán tương quan để có thể giải quyết trọn vẹn vấn đề.
- Mục tiêu của luận văn là đi sâu tìm hiểu cả hai thuật toán lọc và tương quan, nghiên cứu các thuật toán đang được dùng phổ biến trên thế giới, đánh giá ưu nhược điểm của từng thuật toán và thực nghiệm xây dựng thử một thuật toán lọc là UIMM kết hợp với thuật toán tương quan GNN.
- Kết quả xây dựng được kiểm thử với các bộ mục tiêu bay giả lập trên Matlab.
- Các tham số đánh giá chất lượng của thuật toán, thời gian chạy trung bình được tính toán và phân tích, cho thấy kết quả hứa hẹn của thuật toán, phù hợp với các hệ thống bám vận hành trên môi trường di động (ô tô) có tài nguyên tính toán hạn chế trong điều kiện các sensor bắt tín hiệu tốt, ít nhiễu.
- 12 CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ Chương I sẽ trình bày tổng quan về vai trò, nhiệm vụ và các thành phần cơ bản của hệ thống phòng không, về hệ thống bám quỹ đạo đa mục tiêu và vị trí của thuật toán tương quan và thuật toán lọc trong hệ thống bám quỹ đạo.
- 1.1 Giới thiệu hệ thống phòng không.
- Hình 1-1: Các thành phần cơ bản của hệ thống phòng không 13 Song hành với sự phát triển của các phương tiện tiến công đường không, các hệ thống phòng không cũng nhanh chóng được đầu tư, phát triển nhằm bảo vệ an ninh quốc gia trước những cuộc tập kích đường không bất ngờ.
- Nhiệm vụ cơ bản của một hệ thống phòng không là: Phát hiện các phương tiện tiến công hàng không của đối phương, hướng dẫn hệ thống hỏa lực tiêu diệt các mục tiêu phát hiện được và ngăn chặn khả năng tấn công nhầm vào các phương tiện đường không của quân ta và đồng minh.
- Để đảm bảo nhiệm vụ đó, hệ thống phòng không gồm ba thành phần cơ bản là mạng lưới các sensor tình báo, hệ thống các phương tiện hỏa lực và hệ thống chỉ huy, điều khiển thông tin và tình báo, viết tắt là C3I (Command, Control, Communication and Intelligence).
- Mạng lưới sensor tình báo là một mạng kết nối các phương tiện trinh sát đường không bao gồm các đài radar (đo xa, đo cao), các máy bay trinh sát cảnh báo sớm AWACS (Airborne Warning and Control System), các trạm kiểm soát không lưu dân dụng, hệ thống vệ tinh, đài quan sát mắt, cảm biến quang thụ động và các phương tiện thu nhận thông tin khác.
- Nhiệm vụ của mạng lưới sensor tình báo là thu nhận các thông tin trinh sát đường không liên tục trong mọi điều kiện thời tiết, kịp thời phát hiện, chủ động theo dõi, xác định đúng tính chất mọi hoạt động của máy bay và phương tiện hoạt động đường không từ mọi hướng, đảm bảo quản lý vùng trời đất nước 24/7.
- Trong mạng lưới sensor tình báo, lực lượng radar là lực lượng nòng cốt, trụ cột, thể hiện sức mạnh của hệ thống phòng không nói riêng và hệ thống quốc phòng nói chung.
- Radar (Radio Dectection and Ranging) là phương tiện sử dụng sóng vô tuyến điện để phát hiện và định vị mục tiêu.
- Hệ thống dựa trên các thiết bị vô tuyến điện, bức xạ sóng điện từ ra ngoài môi trường không khí, sau đó thu lại tín hiệu phản xạ của sóng điện từ từ mục tiêu để từ đó đo đạc, tính toán xử lý tín hiệu thu được và cho ta những thông tin về số lượng, tọa độ, vận tốc, hướng bay của mục tiêu trong tầm quan sát của đài.
- 14 1.1.2 Hệ thống hỏa lực phòng không.
- Nếu như mạng lưới sensor tình báo được ví như đôi mắt, đôi tai của hệ thống phòng không thì hệ thống hỏa lực phòng không được coi là đôi tay đáp trả các hoạt động quân sự của đối phương.
- Hệ thống hỏa lực phòng không bao gồm các loại vũ khí phòng không như pháo phòng không (Anti-aircraft Artillery - AAA), tên lửa đất đối không (Surface to Air - SAM), và các máy bay chiến đấu tiêm kích, cường kích, ném bom….
- 1.1.3 Hệ thống C3I.
- Hệ thống C3I đóng vai trò kết nối mạng lưới sensor tình báo và hệ thống hỏa lực phòng không.
- Hệ thống thu thập các thông tin tình báo từ mạng lưới trinh sát, xử lý chúng.
- Từ các thông tin này, hệ thống hỗ trợ chỉ huy ra các quyết định chiến đấu.
- Các quyết định này, nhanh chóng được hệ thống truyền xuống các đơn vị hỏa lực, thực thi lệnh chiến đấu rồi báo cáo lại kết quả thực hiện lên cấp trên.
- Hình 1-2: Hệ thống chỉ huy, điều khiển thông tin và tình báo C3I.
- 15 Trong đó, phần xử lý các thông tin tình báo thu được từ mạng lưới các sensor đóng vai trò rất quan trọng.
- 1.2 Hệ thống bám quỹ đạo đa mục tiêu.
- Trong hệ thống C3I, bộ phận nhận dữ liệu trình sát mục tiêu từ mạng lưới các sensor và xử lý kết xuất ra các thông tin tình báo về các phương tiện bay được gọi là hệ thống bám quỹ đạo (Target Tracking).
- Dữ liệu đầu vào cho hệ thống này là các thông tin thô truyền về từ các trạm sensor mà chủ yếu là từ radar.
- Các thông tin thô này bao gồm các thông tin về tọa độ 2D (2 chiều Đề-các XY với các radar thường) hoặc tọa độ 3D (3 chiều Đề-các XYZ với các radar hiện đại có tích hợp đài đo cao).
- thông tin phụ trợ về vận tốc, hướng bay, loại máy bay, các thông tin nhận dạng địch-ta IFF (Identification Friend or Foe.
- Đặc điểm của các thông tin này là mang tính rời rạc (được gửi về theo từng chu kỳ), thành phần (mỗi sensor chỉ báo về một thành phần thông tin), sai số (do nhiễu đo các đài sensor) và không đồng nhất (nhiều đài sensor cùng thu nhận thông tin).
- Nhiệm vụ của hệ thống bám quỹ đạo là: Đồng nhất các thông tin từ các sensor khác loại, lọc bỏ nhiễu sai số đo từ các sensor, hợp nhất các thông tin này, cho ra các thông tin tổng hợp và liên tục về mục tiêu.
- Các thông tin này, còn được gọi là bức tranh tác chiến (COP - Common Operational Picture), nhanh chóng được gửi lên các cấp chỉ huy để hỗ trợ điều hành tác chiến 1.3 Các thành phần của hệ thống bám quỹ đạo đa mục tiêu.
- Các thông tin thô đầu vào của hệ thống bám quỹ đạo được gọi là điểm dấu (Plot, observation).
- Thông tin tổng hợp đầu ra được gọi là quỹ đạo (Track).
- Tư tưởng của hệ thống bám là kết hợp các thông tin chuyển động hiện tại (điểm dấu) với các thông tin chuyển động đã biết trước đó để đưa ra thông tin quỹ đạo mới nhất của mục tiêu.
- Hệ thống bám quỹ đạo đa mục tiêu bao gồm bốn phần chính:

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt