JP2005274300A - Target tracking device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To predict a future position of a target from an observation value on the target by using a plurality of Kalman filters based on different motion models. <P>SOLUTION: This device is equipped with a Kalman filter 4 for calculating a first smoothed value and a first predictive value from observed values by using a Kalman filter based on a uniform rectilinear motion model, a Kalman filter 5 for calculating a second smoothed value and a second predictive value from the observed values by using a Kalman filter based on a meandering motion model, a motion determination processor 3 for determining the moving state of the target based on the first and second predictive values, a convergence determiner 7 for determining the converging state of the second smoothed value, and a filter output selector 8 for selecting either the first smoothed value or the second one based on the moving state and the converging state of the target. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は目標の未来位置を予測する目標追尾装置に係るものであり、特に複数の運動モデルの中から適切な運動モデルを選択する技術に関するものである。   The present invention relates to a target tracking device that predicts a future position of a target, and more particularly to a technique for selecting an appropriate motion model from a plurality of motion models.

目標追尾フィルタとして、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ(例えば非特許文献1)が知られている。このような目標追尾フィルタでは、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタの平滑位置ベクトル及び平滑速度ベクトルより、Nサンプル後の未来位置を予測するのが一般的である。   As a target tracking filter, a Kalman filter (for example, Non-Patent Document 1) based on a constant velocity linear motion model is known. In such a target tracking filter, the future position after N samples is generally predicted from the smooth position vector and smooth velocity vector of the Kalman filter based on the constant velocity linear motion model.

一方、蛇行目標に対する追尾フィルタとしては、追尾目標が蛇行して運動する場合に、加速度x"(t)を正弦関数x"(t)=ntsin(ωt+φ)で表した運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて、追尾目標の運動諸元を予測していた(例えば、特許文献1や非特許文献2)。ただしここで、xは追尾目標の位置であり、x"は時間tによる二階微分を表す(x"=d2x/dt2)。また、以下の説明において、x'は時間tによる一階微分を表すものとする(x'=dx/dt)。またntは蛇行運動の最大振幅、ωは蛇行周波数、φは位相差である。   On the other hand, as a tracking filter for a meandering target, a Kalman filter based on a motion model in which acceleration x "(t) is expressed by a sine function x" (t) = ntsin (ωt + φ) when the tracking target moves meandering is used. Thus, the motion specifications of the tracking target have been predicted (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). Here, x is the position of the tracking target, and x ″ represents the second derivative with respect to time t (x ″ = d2x / dt2). In the following description, x ′ represents a first derivative with respect to time t (x ′ = dx / dt). Also, nt is the maximum amplitude of the meandering motion, ω is the meandering frequency, and φ is the phase difference.

特開2002−189519「追跡システム、及び、追跡方法」公報 第4図、段落0038Japanese Patent Laid-Open No. 2002-189519 “Tracking System and Tracking Method” Publication FIG. 4, paragraph 0038 A. Gelb, ed.、 Applied Optimal Estimation, The M.I.T Press、 Cambridge, 1974.A. Gelb, ed., Applied Optimal Estimation, The M.I.T Press, Cambridge, 1974. "旋回(蛇行)目標追尾を行う多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ"、電子情報通信学会総合大会、B−2−21、2003年3月"Kalman filter based on multiple motion model for turning (meandering) target tracking", IEICE General Conference, B-2-21, March 2003

従来の目標追尾フィルタを用いて未来位置予測を行う場合、追尾フィルタの平滑位置ベクトル及び平滑速度ベクトルに基づき、目標の運動が所定の運動モデルに従うものと仮定して、外装法を用いて未来位置を算出する。したがって、良好な未来位置予測結果を得るには、目標の運動モデルと実際の運動が一致していることが求められる。そうでない場合、すなわち例えば、目標の運動と一致しない追尾フィルタを使用した場合や目標運動が途中で変化してしまうような場合など、目標の運動モデルと実際の運動とが食い違う場合は、Nサンプル後の未来位置予測精度は劣化してしまう。

この発明は、複数の運動モデルの中から最適な運動モデルを選択することにより、より精度の高い未来位置予測を行うことを目的とするものである。
When performing future position prediction using a conventional target tracking filter, the exterior position method is used to assume that the target motion follows a predetermined motion model based on the smooth position vector and smooth velocity vector of the tracking filter. Is calculated. Therefore, in order to obtain a good future position prediction result, it is required that the target motion model and the actual motion match. Otherwise, for example, when using a tracking filter that does not match the target motion or when the target motion changes midway, if the target motion model and the actual motion conflict, N samples The future future position prediction accuracy will deteriorate.

An object of the present invention is to perform future position prediction with higher accuracy by selecting an optimal motion model from a plurality of motion models.

この発明に係る目標追尾装置は、異なる運動モデルに基づく複数のカルマンフィルタを用いて目標の観測値から複数の平滑値を算出するとともに、これらの平滑値から適切な平滑値を選択して前記目標の未来位置を予測する目標追尾装置において、
等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて前記観測値から第1の平滑値と第1の予測値とを算出する等速直線運動カルマンフィルタ処理手段と、
蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて前記観測値から第2の平滑値と第2の予測値とを算出する蛇行運動カルマンフィルタ処理手段と、
第1及び第2の予測値に基づいて前記目標の運動状態を判別する運動判別処理手段と、
第2の平滑値の収束状況を判定する収束判定手段と、
前記運動判別処理手段が判別した前記目標の運動状態と前記収束判定手段が判定した収束状況とに基づいて、第1の平滑値と第2の平滑値とのいずれかを前記適切な平滑値として選択するフィルタ出力選択手段と、
を備えたものである。
The target tracking device according to the present invention calculates a plurality of smooth values from a target observed value using a plurality of Kalman filters based on different motion models, and selects an appropriate smooth value from these smooth values to select the target In the target tracking device that predicts the future position,
Constant velocity linear motion Kalman filter processing means for calculating a first smoothed value and a first predicted value from the observed value using a Kalman filter based on a constant velocity linear motion model;
Meandering Kalman filter processing means for calculating a second smoothed value and a second predicted value from the observed values using a Kalman filter based on a meandering motion model;
Motion discrimination processing means for discriminating the motion state of the target based on the first and second predicted values;
A convergence determining means for determining a convergence state of the second smooth value;
Based on the target motion state determined by the motion determination processing means and the convergence status determined by the convergence determination means, either the first smooth value or the second smooth value is set as the appropriate smooth value. Filter output selection means to select;
It is equipped with.

このように、この発明による目標追尾装置によれば、複数の運動モデルに基づくカルマンフィルタによって得られた平滑速度ベクトルを組み合わせて目標の運動判別を行い、未来位置予測を行う上で最も有利な追尾フィルタの出力を選択することとしたので、未来位置を予測精度を向上させることが可能となるのである。   As described above, according to the target tracking device of the present invention, the tracking filter that is most advantageous in performing future position prediction by combining the smooth velocity vectors obtained by the Kalman filter based on a plurality of motion models to perform target motion discrimination. Therefore, it is possible to improve the prediction accuracy of the future position.

以下、この発明の実施の形態について図を用いて説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1における目標追尾装置の構成を示すブロック図である。図において、観測装置1はこのシステムが未来位置予測を行う対象となる目標が放射又は反射する信号を、アンテナなどを例とするセンサにより検出し、そのセンサによって検出された信号を信号処理して探知データとして出力する装置である。このような装置の例としては電波を処理するレーダ装置があるが、音波信号を処理するソナー装置やその他の装置であってもよい。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the target tracking device according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, the observation apparatus 1 detects a signal emitted or reflected by a target for which the system performs future position prediction by a sensor such as an antenna, and performs signal processing on the signal detected by the sensor. It is a device that outputs as detection data. An example of such a device is a radar device that processes radio waves, but may be a sonar device or other device that processes sound wave signals.

追尾維持装置2は、観測装置1により得られた探知データの中から目標からの観測値として適したデータをゲート判定処理により抽出し、追尾フィルタ、例えばカルマンフィルタによる運動諸元の推定及び予測を行って、運動諸元予測値として出力する部位である。なおこの説明及び以下の説明において、部位という語はそのような処理を行う専用の回路又は素子によって構成されるものとするが、汎用のコンピュータとそのコンピュータに所定の処理を実行させるコンピュータプログラムとを組み合わせて構成するようにしても構わない。   The tracking maintenance device 2 extracts data suitable as an observation value from the target from the detection data obtained by the observation device 1 by gate determination processing, and performs estimation and prediction of motion parameters using a tracking filter, for example, a Kalman filter. This is a part that is output as a motion specification prediction value. In this description and the following description, the term “part” is assumed to be constituted by a dedicated circuit or element for performing such processing, but a general-purpose computer and a computer program for causing the computer to execute predetermined processing are used. You may make it comprise combining.

追尾維持装置2から出力された運動諸元予測値は、運動判別処理器3、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4(以下、カルマンフィルタ4)、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5(以下、カルマンフィルタ5)、多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6(以下、カルマンフィルタ6)にそれぞれ出力される。   The motion specification prediction values output from the tracking maintenance device 2 are a motion discrimination processor 3, a Kalman filter 4 based on a constant velocity linear motion model (hereinafter referred to as Kalman filter 4), and a Kalman filter 5 based on a meandering motion model (hereinafter referred to as Kalman filter 5). Are output to the Kalman filter 6 based on the multiple motion model (hereinafter referred to as the Kalman filter 6).

運動判別処理器3は、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4と、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5が出力する処理結果に基づいて、目標の運動状態を分類する部位である。なお運動判別処理器3は運動判別処理手段の例をなすものである。図2は、運動判別処理器3の詳細な構成を示すブロック図である。図において、残差2次形式算出器31−1はカルマンフィルタ4の処理結果である予測値(実際には複数の値の組み合わせから構成されるベクトル値となる場合がある)、予測誤差共分散行列、観測誤差共分散行列から残差2次形式を算出する部位である。同様に、残差2次形式算出器31−2はカルマンフィルタ5の処理結果から残差2次形式を算出する部位である。判定評価関数算出器32−1及び32−2は、算出された残差2次形式に基づいて、一定サンプリング間における平均値となる判定評価関数を算出する部位である。運動判定器33は、判定評価関数算出器32−1及び32−2より得られた判定評価関数に基づいて、目標の運動状態を判別する部位である。より具体的には、判定評価関数算出器32−1及び32−2より得られた判定評価関数を所定のしきい値と比較し、そのしきい値判定結果の組み合わせにより、目標の状態を、「等速直線運動」、「蛇行運動」、「蛇行以外のマニューバ運動」に判別するようになっている。   The motion discrimination processor 3 is a part that classifies the target motion state based on the processing results output by the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model and the Kalman filter 5 based on the meandering motion model. The motion discrimination processor 3 is an example of motion discrimination processing means. FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of the motion discrimination processor 3. In the figure, a residual quadratic form calculator 31-1 is a prediction value (which may actually be a vector value composed of a combination of a plurality of values) that is a processing result of the Kalman filter 4, and a prediction error covariance matrix. This is a part for calculating the residual quadratic form from the observation error covariance matrix. Similarly, the residual secondary form calculator 31-2 is a part that calculates the residual secondary form from the processing result of the Kalman filter 5. The determination evaluation function calculators 32-1 and 32-2 are portions that calculate a determination evaluation function that is an average value during a certain sampling based on the calculated residual quadratic form. The exercise determination unit 33 is a part that determines the target exercise state based on the determination evaluation function obtained from the determination evaluation function calculators 32-1 and 32-2. More specifically, the determination evaluation function obtained from the determination evaluation function calculators 32-1 and 32-2 is compared with a predetermined threshold, and the target state is determined by combining the threshold determination results. “Constant linear motion”, “meandering motion”, and “maneuver motion other than meandering” are discriminated.

引き続き、図1に示した構成要素を説明する。カルマンフィルタ4は等速直線運動カルマンフィルタ処理手段の例をなすものであって、等速直線運動モデルに基づいて、追尾維持装置2が出力する運動諸元予測値から各回サンプリングについて予測値、予測誤差共分散行列、観測誤差共分散行列を算出する部位である。図3は、カルマンフィルタ4の詳細な構成を示すブロック図である。図が示すように、カルマンフィルタ4は、遅延器41、予測器42、平滑器43を備えている。遅延器41は、前回サンプリングの処理結果を1サンプリングの間保持して、今回サンプリングに出力する部位である。このような処理結果には、平滑値及び平滑誤差共分散行列が含まれる。予測器42は、遅延器41より得られた1サンプリング前の平滑値及び平滑誤差共分散行列を用いて、等速直線運動モデルに基づく予測値及び予測誤差共分散行列を算出する部位である。ここで算出された予測値及び予測誤差共分散行列は、運動判別処理器3とともに後述する平滑器43に出力されるようになっている。平滑器43は、追尾維持装置2より運動諸元予測値を取得して、フィルタゲイン、平滑値及び平滑誤差共分散行列を算出する部位である。これらフィルタゲイン、平滑値及び平滑誤差共分散行列の算出にあたっては、運動諸元予測値に加えて、予測器42の処理結果が供され、さらに平滑器43の処理結果は、遅延器41に戻されるようになっている。   Subsequently, the components shown in FIG. 1 will be described. The Kalman filter 4 is an example of a constant velocity linear motion Kalman filter processing means. Based on the constant velocity linear motion model, the predicted value and the prediction error are calculated for each sampling from the motion specification predicted value output by the tracking maintaining device 2. This is a part for calculating the variance matrix and the observation error covariance matrix. FIG. 3 is a block diagram showing a detailed configuration of the Kalman filter 4. As illustrated, the Kalman filter 4 includes a delay device 41, a predictor 42, and a smoother 43. The delay unit 41 is a part that holds the processing result of the previous sampling for one sampling and outputs it for the current sampling. Such processing results include a smooth value and a smooth error covariance matrix. The predictor 42 is a part that calculates a prediction value and a prediction error covariance matrix based on a constant velocity linear motion model using the smoothing value and the smoothing error covariance matrix before one sampling obtained from the delay unit 41. The predicted value and the prediction error covariance matrix calculated here are output to the smoother 43 described later together with the motion discrimination processor 3. The smoother 43 is a part that obtains a motion specification prediction value from the tracking maintenance device 2 and calculates a filter gain, a smooth value, and a smooth error covariance matrix. In calculating the filter gain, smooth value, and smooth error covariance matrix, in addition to the motion specification prediction value, the processing result of the predictor 42 is provided, and the processing result of the smoother 43 is returned to the delay unit 41. It is supposed to be.

続いてカルマンフィルタ5の構成について説明する。カルマンフィルタ5は蛇行運動カルマンフィルタ処理手段の例をなすものであって、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタを処理する部位である。ここで蛇行運動とは、一定の直線(基準直線という)の近傍を移動する運動であって、基準直線を所定の周期で横切るような運動をいうものとする。したがって蛇行運動は基準直線を横切る周波数(蛇行周波数)と基準直線の傾き及び切片とで表現される。特にカルマンフィルタ5が基づいている蛇行運動モデルは、等速直線運動成分と正弦関数運動成分とを含んでいるものを仮定する。   Next, the configuration of the Kalman filter 5 will be described. The Kalman filter 5 is an example of meandering motion Kalman filter processing means, and is a part for processing a Kalman filter based on a meandering motion model. Here, the meandering motion is a motion that moves in the vicinity of a certain straight line (referred to as a reference straight line), and means a motion that crosses the reference straight line at a predetermined cycle. Therefore, the meandering motion is expressed by the frequency (meandering frequency) crossing the reference line, and the inclination and intercept of the reference line. In particular, the meandering motion model on which the Kalman filter 5 is based is assumed to include a constant velocity linear motion component and a sinusoidal motion component.

目標の追尾に用いる蛇行運動モデルとしては複数の蛇行周波数を予め準備しておくことが現実的である。そこでカルマンフィルタ5は蛇行周波数ω1〜ωN(Nは1以上の自然数)で蛇行する蛇行運動モデル(以降、それぞれの運動モデルをモデル1〜モデルNと呼ぶ)に基づいて、追尾維持装置2が出力する運動諸元予測値から各回サンプリングについて予測値、予測誤差共分散行列、観測誤差共分散行列を算出するようになっている。図4は、カルマンフィルタ4の詳細な構成を示すブロック図である。図が示すように、カルマンフィルタ5は所定の蛇行周波数による運動モデル毎にカルマンフィルタを処理する系統(遅延器、混合器、予測器、平滑器)を有している。例えば、蛇行周波数ωNによる運動モデルに対する処理系統5−Nは遅延器51−N、混合器52−N、予測器53−N、平滑器54−N(Nは1以上の自然数とする)を備えている。   As a meandering motion model used for target tracking, it is realistic to prepare a plurality of meandering frequencies in advance. Accordingly, the Kalman filter 5 outputs the tracking maintaining device 2 based on a meandering motion model meandering at meander frequencies ω1 to ωN (N is a natural number of 1 or more) (hereinafter, each motion model is referred to as model 1 to model N). A predicted value, a prediction error covariance matrix, and an observation error covariance matrix are calculated for each sampling from the motion specification predicted value. FIG. 4 is a block diagram showing a detailed configuration of the Kalman filter 4. As shown in the figure, the Kalman filter 5 has a system (delayer, mixer, predictor, smoother) that processes the Kalman filter for each motion model having a predetermined meandering frequency. For example, the processing system 5-N for the motion model with the meander frequency ωN includes a delay unit 51-N, a mixer 52-N, a predictor 53-N, and a smoother 54-N (N is a natural number of 1 or more). ing.

そのうち、遅延器51−Nはカルマンフィルタ4における遅延器41と同様に、前回サンプリングの処理結果を保持して、今回サンプリングに出力する部位である。混合器52−Nは、目標の蛇行運動の蛇行周波数が1次マルコフ過程に基づいて1サンプリングの間に他のモデルの蛇行周波数に遷移するとの仮定に従って、モデル1〜モデルNまでの平滑値及び平滑誤差共分散行列、信頼度計算器57より得られた事後信頼度から、混合平滑値及び混合平滑誤差共分散行列を算出する部位である。予測器53−Nは、等速直線運動と正弦関数運動の合成により表される運動モデルに基づき、混合器52−Nが算出した混合平滑値及び混合平滑誤差共分散行列を用いて、予測値及び予測誤差共分散行列を算出する部位である。平滑器54−Nは、カルマンフィルタ4の平滑器43と同様に、追尾維持装置2より運動諸元予測値を取得して、フィルタゲイン、平滑値及び平滑誤差共分散行列を算出する部位である。   Among them, the delay unit 51 -N is a part that holds the processing result of the previous sampling and outputs it to the current sampling, like the delay unit 41 in the Kalman filter 4. The mixer 52-N follows the assumption that the meander frequency of the target meander motion transitions to the meander frequency of the other model during one sampling based on the first order Markov process and This is a part for calculating the mixed smoothing value and the mixed smoothing error covariance matrix from the smoothing error covariance matrix and the posterior reliability obtained from the reliability calculator 57. The predictor 53-N uses the mixed smoothing value and the mixed smoothing error covariance matrix calculated by the mixer 52-N based on the motion model represented by the synthesis of the constant velocity linear motion and the sine function motion. And a part for calculating a prediction error covariance matrix. Similar to the smoother 43 of the Kalman filter 4, the smoother 54 -N is a part that acquires a motion specification prediction value from the tracking maintaining device 2 and calculates a filter gain, a smooth value, and a smooth error covariance matrix.

なお、図4に示したカルマンフィルタ5は、遅延器51−N、混合器52−N、予測器53−N、平滑器54−Nは、個別の蛇行周波数ごとに一つずつ別体に配置する構成としているが、これらの一部あるいは全部の部位を蛇行周波数ω1〜ωNによる運動モデル間で共有するような構成としても構わない。蛇行周波数ω1〜ωNによる運動モデル間でこれらの部位を共有する場合は、例えば、セレクタやスイッチを設けて高速にそれぞれの運動モデル間で部位の入出力を切り替えるようにすればよいのである。   In the Kalman filter 5 shown in FIG. 4, the delay unit 51 -N, the mixer 52 -N, the predictor 53 -N, and the smoother 54 -N are arranged separately for each individual meander frequency. Although it is configured, a part or all of these parts may be shared between the motion models with meandering frequencies ω1 to ωN. In the case where these parts are shared among the motion models with the meandering frequencies ω1 to ωN, for example, a selector or a switch may be provided to switch the input / output of the parts between the respective motion models at high speed.

尤度計算器56は、予測器53−1〜Nから出力される予測値及び予測誤差共分散行列と、追尾維持装置2が出力する運動諸元予測値からモデル1〜モデルNまでの尤度を算出する部位である。信頼度計算器57は、モデル1〜モデルNまでの尤度と1サンプリング前の事後信頼度とに基づき、モデル1〜モデルNまでの事後信頼度を算出する部位である。統合平滑器59は、平滑器54−1〜Nが出力した運動モデル毎の平滑値及び平滑誤差共分散行列、信頼度計算器より得られた事後信頼度に基づき、統合平滑値及び統合平滑誤差共分散行列を算出する部位である。統合予測器58は、予測器53−1〜Nが出力した運動モデル毎の予測値及び予測誤差共分散行列、信頼度計算器より得られた事後信頼度と所定のモデル推移確率より、事前信頼度、統合予測値及び統合予測誤差共分散行列を算出する部位である。なお、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタはある1軸(例えばx座標軸)上の蛇行運動を処理するので、2次元空間あるいは3次元空間用には、このような追尾フィルタを2つ又は3つ使用することになる。   Likelihood calculator 56 is the likelihood from model 1 to model N from the prediction value and prediction error covariance matrix output from predictors 53-1 to N and the motion specification prediction value output from tracking maintenance device 2. It is a part which calculates. The reliability calculator 57 is a part that calculates the posterior reliability from the model 1 to the model N based on the likelihood from the model 1 to the model N and the posterior reliability before one sampling. The integrated smoother 59 is based on the smoothed value and smoothing error covariance matrix for each motion model output from the smoothers 54-1 to N and the posterior reliability obtained from the reliability calculator, and the integrated smoothing value and the integrated smoothing error. This is a part for calculating the covariance matrix. The integrated predictor 58 uses the prediction value and prediction error covariance matrix for each motion model output from the predictors 53-1 to 53 -N, the posterior reliability obtained from the reliability calculator, and the predetermined model transition probability, and the prior reliability. This is a part for calculating the integrated prediction value and the integrated prediction error covariance matrix. Since the Kalman filter based on the meandering motion model processes meandering motion on one axis (for example, the x coordinate axis), two or three such tracking filters are used for a two-dimensional space or a three-dimensional space. It will be.

続いてカルマンフィルタ6の構成について説明する。カルマンフィルタ6は多重運動カルマンフィルタ処理手段の例をなすものであって、多重運動モデルに基づくカルマンフィルタを処理する部位である。すなわち、カルマンフィルタ6は、1つ以上の加速度α1〜αN(Nは1以上の自然数)による定数加速度モデルを用いてそれぞれの加速度ごとの予測値を算出し、モデル信頼度により旋回加速度を推定するようになっている。このような多重運動モデルに基づくカルマンフィルタを採用することで、旋回等のマニューバ運動に対する追従性能を向上することができるのである。   Next, the configuration of the Kalman filter 6 will be described. The Kalman filter 6 is an example of multi-motion Kalman filter processing means, and is a part for processing a Kalman filter based on a multi-motion model. That is, the Kalman filter 6 calculates a predicted value for each acceleration using a constant acceleration model with one or more accelerations α1 to αN (N is a natural number of 1 or more), and estimates the turning acceleration based on the model reliability. It has become. By adopting such a Kalman filter based on the multiple motion model, it is possible to improve the follow-up performance for maneuver motion such as turning.

図5は、カルマンフィルタ6の詳細な構成を示したブロック図である。図において、遅延器6は前回サンプリングの処理結果を保持して、今回サンプリングに出力する部位である。カルマンフィルタ6は加速度α1〜αNのそれぞれによる運動モデル(モデル1〜モデルNという)を用いて予測処理と平滑処理を行うが、カルマンフィルタ6の遅延器61は複数の運動モデルで共有されるようになっている。遅延器61が出力する平滑値や平滑誤差共分散行列などの前回サンプリング処理結果は、加速度α1〜αNのそれぞれの運動モデル毎の処理系統62−1〜Nに出力される。各処理系統62−1〜Nは予測器63−1〜Nをそれぞれ備えており、それぞれの加速度により表される運動モデルに基づいて、予測値及び予測誤差共分散行列を算出する部位である。   FIG. 5 is a block diagram showing a detailed configuration of the Kalman filter 6. In the figure, a delay unit 6 is a part that holds the processing result of the previous sampling and outputs it to the current sampling. The Kalman filter 6 performs a prediction process and a smoothing process using a motion model (model 1 to model N) with accelerations α1 to αN, respectively, but the delay device 61 of the Kalman filter 6 is shared by a plurality of motion models. ing. The previous sampling processing results such as the smoothed value and smoothing error covariance matrix output from the delay device 61 are output to the processing systems 62-1 to 62-N for each motion model of the accelerations α1 to αN. Each processing system 62-1 to N is provided with predictors 63-1 to N, and is a part for calculating a prediction value and a prediction error covariance matrix based on a motion model represented by each acceleration.

尤度計算器64は、予測器63−1〜63−Nが出力する予測値及び予測誤差共分散行列、追尾維持装置2から出力される運動諸元予測値からモデル1〜モデルNの尤度を算出する部位である。信頼度計算器65は、上記運動モデル毎の尤度と1サンプリング前の事後信頼度に基づき、運動モデル毎の事後信頼度を算出する部位である。統合予測器66は、遅延器61を介して得られた1サンプリング前の統合平滑値、統合平滑誤差共分散行列、信頼度計算器65が算出した事前信頼度より、統合予測器及び統合予測誤差共分散行列を算出する部位である。   The likelihood calculator 64 is the likelihood of the models 1 to N based on the prediction values and prediction error covariance matrices output from the predictors 63-1 to 63-N and the motion specification prediction values output from the tracking maintenance device 2. It is a part which calculates. The reliability calculator 65 is a part that calculates the posterior reliability for each motion model based on the likelihood for each motion model and the posterior reliability before one sampling. The integrated predictor 66 calculates the integrated predictor and the integrated prediction error based on the integrated smoothing value before sampling obtained by the delay unit 61, the integrated smoothing error covariance matrix, and the prior reliability calculated by the reliability calculator 65. This is a part for calculating the covariance matrix.

統合平滑器67は、統合予測器66が算出した統合予測値、統合予測誤差共分散行列、信頼度計算器65が算出した事後信頼度より、フィルタゲイン、統合平滑ベクトル、統合平滑誤差共分散行列を算出する部位である。算出された統合平滑ベクトル、統合平滑誤差共分散行列は遅延器61に今回サンプリングの算出結果として出力されるとともに、カルマンフィルタ6の出力結果として外部に出力されるようになっている。   The integrated smoother 67 uses the integrated prediction value calculated by the integrated predictor 66, the integrated prediction error covariance matrix, and the posterior reliability calculated by the reliability calculator 65, so that the filter gain, the integrated smooth vector, and the integrated smooth error covariance matrix. It is a part which calculates. The calculated integrated smoothing vector and integrated smoothing error covariance matrix are output to the delay unit 61 as a calculation result of the current sampling and output to the outside as an output result of the Kalman filter 6.

収束判定器7は収束判定手段の例をなすものであって、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5が算出した平滑値の安定状況(例えば、平滑速度ベクトルが安定したかどうか)を判定する部位である。等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の平滑速度ベクトルと蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルとを比較すると、追尾開始直後において蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルが安定するのに時間を要する傾向にある。このため、未収束の段階で未来位置予測に等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルを用いると、未来位置予測精度が劣化することとなる。このような問題を避けるために収束判定器7を設けて、カルマンフィルタ5が算出した平滑速度ベクトルの収束判定を行って、未収束の段階にある場合はカルマンフィルタ5が算出した平滑速度ベクトルを使用しないようにしている。   The convergence determination unit 7 is an example of a convergence determination unit, and is a part for determining a stable state of a smooth value calculated by the Kalman filter 5 based on a meandering motion model (for example, whether a smooth velocity vector is stable). . When the smooth velocity vector of the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is compared with the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model in the Kalman filter 5 based on the meandering motion model, the constant velocity in the Kalman filter 5 based on the meandering motion model immediately after the start of tracking is compared. It tends to take time for the smooth velocity vector of the linear motion model to stabilize. For this reason, if the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model is used for the future position prediction at the unconvergence stage, the future position prediction accuracy deteriorates. In order to avoid such a problem, the convergence determination unit 7 is provided to determine the convergence of the smoothing velocity vector calculated by the Kalman filter 5 and when the smoothing velocity vector calculated by the Kalman filter 5 is not used, the smoothing velocity vector is not used. I am doing so.

図6は、収束判定器7の詳細な構成を示すブロック図である。図において、速度ベクトル角度算出器71は、隣接する2個のサンプリング時刻kと時刻k−1における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルのなす角度を算出する部位である。角度評価関数算出器72は、一定のサンプリング数における角度の平均値である角度評価関数を算出する。しきい値判定器73は、しきい値を角度評価関数が下回った場合、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束したと判定する部位である。判定結果メモリ74は、角度評価関数及び収束判定結果を記憶する記憶素子又は回路である。   FIG. 6 is a block diagram illustrating a detailed configuration of the convergence determination unit 7. In the figure, a velocity vector angle calculator 71 is a part that calculates an angle formed by the smooth velocity vectors of the constant velocity linear motion model at two adjacent sampling times k and k−1. The angle evaluation function calculator 72 calculates an angle evaluation function that is an average value of angles at a constant sampling number. The threshold determination unit 73 is a part that determines that the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model has converged when the angle evaluation function falls below the threshold. The determination result memory 74 is a storage element or circuit that stores an angle evaluation function and a convergence determination result.

フィルタ出力選択器8はフィルタ出力選択手段の例をなすものであって、運動判別処理器3が出力した運動判別結果に基づき、適切な平滑値を選択する部位である。具体的に言えば、運動判別処理器3が「等速直線運動」と判定した場合は等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の平滑値を、「蛇行運動」と判定した場合は蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の平滑値を、「蛇行運動以外のマニューバ運動」と判定した場合は、多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6の平滑値を選択する部位である。なお、フィルタ出力選択器8は、収束判定器7の判定結果をも採り入れて動作するようになっており、追尾開始後、カルマンフィルタ5の平滑値が収束したと収束判定器7によって判断されるまでは、カルマンフィルタ5の算出結果を採用しないようにしている。未来位置予測器9は、フィルタ出力選択器8より得られた平滑位置及び平滑速度ベクトルより、Nサンプリング後の未来位置を外挿法により算出する部位である。   The filter output selector 8 is an example of filter output selection means, and is a part that selects an appropriate smooth value based on the motion discrimination result output by the motion discrimination processor 3. Specifically, when the motion discriminating processor 3 determines “constant linear motion”, the smooth value of the Kalman filter 4 based on the constant linear motion model is used. When the smooth value of the Kalman filter 5 is determined as “maneuver motion other than meandering motion”, the smooth value of the Kalman filter 6 based on the multiple motion model is selected. Note that the filter output selector 8 operates by incorporating the determination result of the convergence determiner 7 until the convergence determiner 7 determines that the smooth value of the Kalman filter 5 has converged after the start of tracking. Does not adopt the calculation result of the Kalman filter 5. The future position predictor 9 is a part that calculates the future position after N sampling by the extrapolation method from the smooth position and smooth velocity vector obtained from the filter output selector 8.

次に、この発明の実施の形態1による目標追尾装置の動作について説明する。これまでの説明からも理解されるように、この目標追尾装置は、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5及び多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6による追尾処理を行い、残差を用いた運動判別処理及び蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタの収束判定結果に基づき、フィルタ出力を選択し、未来位置予測を行う。以下に、各フィルタ及び収束判定器7、フィルタ出力選択器8の動作について説明する。   Next, the operation of the target tracking device according to Embodiment 1 of the present invention will be described. As can be understood from the above description, this target tracking device performs tracking processing by the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model, the Kalman filter 5 based on the meandering motion model, and the Kalman filter 6 based on the multiple motion model. Based on the result of the motion discrimination process using the difference and the convergence determination result of the Kalman filter based on the meandering motion model, the filter output is selected and the future position is predicted. The operation of each filter and convergence determination unit 7 and filter output selector 8 will be described below.

(等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ)
まずカルマンフィルタ4における処理について説明する。等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4は、各サンプリング時刻において、平滑及び予測ベクトル、平滑及び予測誤差共分散行列を算出する。北基準直交座標系における等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の運動モデルは、式(1)〜(4)によって表される。

Figure 2005274300
(Kalman filter based on constant velocity linear motion model)
First, processing in the Kalman filter 4 will be described. The Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model calculates a smooth and prediction vector and a smooth and prediction error covariance matrix at each sampling time. The motion model of the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model in the north reference orthogonal coordinate system is expressed by the equations (1) to (4).
Figure 2005274300

ここで、xkはサンプリング時刻tkの状態ベクトル、Φiはサンプリング時刻tkからtk+1への状態遷移行列、wkはサンプリング時刻tkの駆動雑音ベクトル、Γは駆動雑音変換行列、τkはサンプリング間隔、I3×3は3×3の単位行列である。なお、駆動雑音ベクトルwkは、平均0、共分散行列Qiのn変量正規分布に従う白色雑音と仮定する。 Where x k is a state vector at sampling time t k , Φ i is a state transition matrix from sampling time t k to t k + 1 , w k is a driving noise vector at sampling time t k , and Γ k is driving noise conversion A matrix, τ k is a sampling interval, and I 3 × 3 is a 3 × 3 unit matrix. Note that the driving noise vector w k is assumed to be white noise according to an n-variable normal distribution with an average of 0 and a covariance matrix Q i .

次に、北基準直交座標系におけるレーダの観測モデルは、式(5)及び式(6)によって表される。

Figure 2005274300
Next, the radar observation model in the north reference orthogonal coordinate system is expressed by Expression (5) and Expression (6).
Figure 2005274300

ここで、zkはサンプリング時刻tkの観測ベクトル、Hは観測行列、Λはレーダの観測座標系からフィルタの座標系への変換行列、νkはサンプリング時刻tkの観測雑音ベクトルである。 Here, z k is an observation vector at sampling time t k , H is an observation matrix, Λ k is a conversion matrix from the radar observation coordinate system to the filter coordinate system, and ν k is an observation noise vector at sampling time t k. .

式(1)〜(6)で示した運動モデル及び観測モデルより、以下に示す予測処理及び平滑処理のリカッチ方程式が導出される。サンプリング時刻tk-1までの追尾処理により、平滑ベクトルx^k-1(+)及び平滑誤差共分散行列Pk(+)が得られているとした場合、予測器42は、式(7)及び(8)に基づいて、予測ベクトルx^k(-)は、予測誤差共分散行列Pk(-)を算出する。

Figure 2005274300
なお、文章による説明で用いるx^という表記の^という記号は、数式上はxの上に表示されるものとする。 From the motion model and the observation model shown in the equations (1) to (6), the Riccati equation for the prediction process and the smoothing process shown below is derived. When the smoothing vector x ^ k-1 (+) and the smoothing error covariance matrix Pk (+) are obtained by the tracking process up to the sampling time t k−1 , the predictor 42 calculates the equation (7). And based on (8), the prediction vector x ^ k (−) calculates the prediction error covariance matrix P k (−).
Figure 2005274300
It should be noted that the symbol “^” in the notation “x ^” used in the explanation by text is displayed above “x” in the mathematical expression.

続いて、平滑器43は、サンプリング時刻tkに得られた観測値zkと予測ベクトル及び予測誤差共分散行列より、式(9)及び(10)に基づいて平滑ベクトルx^k(-)、平滑誤差共分散行列Pk(+)は、カルマンゲインKkを算出する。

Figure 2005274300
なお、Rkは観測誤差共分散行列である。以上が等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4における処理である。 Subsequently, the smoother 43 uses the observed value z k obtained at the sampling time t k , the prediction vector, and the prediction error covariance matrix to calculate the smooth vector x ^ k (−) based on the equations (9) and (10). The smooth error covariance matrix P k (+) calculates the Kalman gain K k .
Figure 2005274300
Rk is an observation error covariance matrix. The above is the processing in the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model.

(蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ)
蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5は、目標位置を、等速直線運動とその運動直線を軸とする正弦関数運動との和として求められる蛇行運動により表現する。図7はx−t平面における正弦関数運動モデルと等速直線運動モデル、さらには蛇行運動モデルとの関係を示す図である。符号101が示すのは正弦関数運動モデルによる目標位置の軌跡を示した曲線である。符号102は等速直線運動モデルによる目標位置の軌跡を示した直線である。そして符号103は正弦関数運動モデルと等速直線運動モデルとを合成して得た蛇行運動による軌跡を示した曲線である。このように正弦関数運動モデルと等速直線運動モデルとを合成して得た蛇行運動によって目標位置を表現することで、x軸に対する平均速度が0でない目標物の位置を精度よく表現しつつ、同時に等速直線運動では表現し得ない振動運動までも精度よく表現できるようになるのである。
(Kalman filter based on meandering motion model)
The Kalman filter 5 based on the meandering motion model expresses the target position by meandering motion obtained as the sum of constant velocity linear motion and sinusoidal motion with the motion straight line as an axis. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between a sinusoidal motion model, a constant velocity linear motion model, and a meandering motion model in the xt plane. Reference numeral 101 indicates a curve indicating a locus of a target position by a sine function motion model. Reference numeral 102 is a straight line indicating the locus of the target position by the constant velocity linear motion model. Reference numeral 103 is a curve showing a locus by meandering motion obtained by synthesizing a sine function motion model and a constant velocity linear motion model. By expressing the target position by meandering motion obtained by synthesizing the sine function motion model and the constant velocity linear motion model in this way, the position of the target whose average velocity with respect to the x axis is not zero can be expressed accurately. At the same time, even vibrational motion that cannot be expressed by constant velocity linear motion can be expressed with high accuracy.

このような蛇行運動の連続時間における運動モデルは、式(12)〜(14)によって表現される。

Figure 2005274300
ここで、x1(t)は正弦関数運動モデルによる位置成分を、x2(t)は等速直線運動モデルによる位置成分を、ntは正弦波の最大振幅を、ωは正弦波の蛇行周波数を表す。また、aは軸の時間軸に対する傾きを、bは切片を表す。 Such a motion model in the continuous time of the meandering motion is expressed by equations (12) to (14).
Figure 2005274300
Where x 1 (t) is the position component based on the sinusoidal motion model, x 2 (t) is the position component based on the constant velocity linear motion model, n t is the maximum amplitude of the sine wave, and ω is the meander of the sine wave. Represents the frequency. Further, a represents the inclination of the axis with respect to the time axis, and b represents the intercept.

図8は、式(12)〜(14)で表現される蛇行運動モデルをブロック線図として表現した図である。このブロック線図の上段は正弦関数運動モデル、下段が等速直線運動モデルを表している。蛇行関数運動モデルにおいて、蛇行を開始する時刻はランダムであり、白色ガウス雑音により表される。   FIG. 8 is a block diagram showing the meandering motion model expressed by the equations (12) to (14). The upper part of this block diagram represents a sine function motion model, and the lower part represents a constant velocity linear motion model. In the meandering function motion model, the time to start meandering is random and is represented by white Gaussian noise.

式(12)〜(14)による運動モデルを微分方程式として表現すると、式(15)及び(16)となる。

Figure 2005274300
When the motion model according to the equations (12) to (14) is expressed as a differential equation, equations (15) and (16) are obtained.
Figure 2005274300

また、微分方程式(15)、(16)を状態空間において表現すると、式(17)〜(21)となる。

Figure 2005274300
ここで、x(t)は等速直線運動成分と正弦関数運動成分の位置及び速度についての状態変数ベクトルを表す。 Further, when the differential equations (15) and (16) are expressed in the state space, the equations (17) to (21) are obtained.
Figure 2005274300
Here, x (t) represents a state variable vector regarding the position and velocity of the constant velocity linear motion component and the sinusoidal motion component.

サンプリング周期をTとし、サンプリング時刻t=kT(k=0,1,2‥)におけるx(t)の値をxkとする。t0=kT、t=(k+1)Tとすることにより、北基準直交座標系における離散時間運動モデルは式(22)〜(24)で表される

Figure 2005274300
ここで、xkはサンプリング時刻tkの状態ベクトル、Φiはサンプリング時刻tkからtk+1への状態遷移行列、wkはサンプリング時刻tkの駆動雑音ベクトル、Γkは駆動雑音変換行列である。なお、駆動雑音ベクトルwkは、平均0、共分散行列Qiのn変量正規分布に従う白色雑音と仮定する。 The sampling period is T, the value of x (t) at the sampling time t = kT (k = 0,1,2 ‥ ) and x k. By setting t 0 = kT and t = (k + 1) T, the discrete-time motion model in the north reference orthogonal coordinate system is expressed by equations (22) to (24).
Figure 2005274300
Where x k is a state vector at sampling time t k , Φ i is a state transition matrix from sampling time t k to t k + 1 , w k is a driving noise vector at sampling time t k , and Γ k is driving noise conversion It is a matrix. Note that the driving noise vector w k is assumed to be white noise according to an n-variable normal distribution with an average of 0 and a covariance matrix Q i .

次に、離散時間における目標の観測方程式は、式(25)及び(26)により表される。

Figure 2005274300
Next, the target observation equation in discrete time is expressed by equations (25) and (26).
Figure 2005274300

ここで、H1は観測行列を、Λkは観測雑音の座標変換行列、νkは観測雑音ベクトル、平均、共分散Rkの白色ガウス雑音となる。サンプリング時刻tkにおける距離、仰角、方位のそれぞれの観測雑音をνR,k、νE,k、νBy,kとした場合、νkは式(27)により与えられる。

Figure 2005274300
Here, H 1 is an observation matrix, Λ k is a coordinate transformation matrix of observation noise, ν k is an observation noise vector, white Gaussian noise with mean 0 and covariance R k . When the observation noises of the distance, the elevation angle, and the azimuth at the sampling time t k are ν R, k , ν E, k and ν By, k , ν k is given by the equation (27).
Figure 2005274300

式(12)〜(17)で与えられる運動モデル及び観測モデルから、カルマンフィルタ5のモデル1〜モデルNにおける予測処理と平滑処理のリカッチ方程式が導出される。まず平滑器54−1〜54−Nは、サンプリングkにおける運動モデル毎の平滑ベクトルx^k,a(+)及び平滑誤差共分散行列Pk,a(+)を式(28)〜(30)によって算出する。

Figure 2005274300
ここで、Kk,aはカルマンゲイン、H1は観測行列、Rkは観測誤差共分散行列、Λkはレーダの観測座標系からフィルタの座標系への座標変換行列である。平滑器54−1〜54−Nによって算出されたモデル1〜モデルNの平滑ベクトルx^k,a(-)及び平滑誤差共分散行列Pk,a(-)は、それぞれ遅延器51−1〜51−Nを経由して、混合器52−1〜52−Nに出力される一方で、統合平滑器55に出力する。 From the motion model and the observation model given by the equations (12) to (17), the Riccati equations for prediction processing and smoothing processing in the models 1 to N of the Kalman filter 5 are derived. First, the smoothers 54-1 to 54-N obtain the smoothing vector x ^ k, a (+) and the smoothing error covariance matrix P k, a (+) for each motion model at the sampling k from the equations (28) to (30). ).
Figure 2005274300
Here, K k, a is a Kalman gain, H 1 is an observation matrix, R k is an observation error covariance matrix, and Λ k is a coordinate transformation matrix from a radar observation coordinate system to a filter coordinate system. The smooth vectors x ^ k, a (−) and the smooth error covariance matrix P k, a (−) of the models 1 to N calculated by the smoothers 54-1 to 54-N are the delay units 51-1, respectively. Are output to the mixers 52-1 to 52-N via the -51-N and output to the integrated smoother 55.

混合器52−1〜52−Nは、遅延器51−1〜51−Nを介して得られた平滑ベクトルx^k,a(+)及び平滑誤差共分散行列Pk,a(+)から、モデル間の遷移を考慮した混合平滑ベクトルx^mix k-1,a(+)及び混合平滑誤差共分散行列Pmix k,a(+)を式(31)及び(32)に基づいて算出する。

Figure 2005274300
ここで、βk,b|aは逆推移確率であり、式(33)により与えられる。
Figure 2005274300
このようにして算出されたモデル1〜モデルNの混合平滑ベクトル及び混合平滑誤差共分散行列は、モデル1〜モデルNの予測器53−1〜53−Nに出力される。 The mixers 52-1 to 52-N use the smoothing vector x ^ k, a (+) and the smoothing error covariance matrix P k, a (+) obtained through the delay units 51-1 to 51-N. Calculate mixed smooth vector x ^ mix k-1, a (+) and mixed smooth error covariance matrix P mix k, a (+) based on equations (31) and (32) considering transition between models To do.
Figure 2005274300
Here, β k, b | a is the reverse transition probability and is given by equation (33).
Figure 2005274300
The mixed smooth vector and the mixed smoothing error covariance matrix of the models 1 to N calculated in this way are output to the predictors 53-1 to 53-N of the models 1 to N.

予測器53−1〜53−Nは、サンプリング時刻tk-1までの追尾処理によって得られた混合平滑ベクトルx^mix k-1,a(+)及び混合平滑誤差共分散行列Pmix k,a(+)に基づいて、サンプリングkにおけるモデル1〜モデルNの予測ベクトルx^k,a(-)及び予測誤差共分散行列Pk,a(-)を式(34)及び(35)から算出する。

Figure 2005274300
ここで、Φk-1,aは運動モデル毎の状態遷移行列、Qk-1,aは運動モデル毎の駆動雑音の誤差共分散行列を表す。Φk-1,aは、式(24)にモデル毎に設定した蛇行周波数ωを代入することにより得られる。 The predictors 53-1 to 53-N are configured to obtain the mixed smooth vector x ^ mix k-1, a (+) and the mixed smooth error covariance matrix P mix k, obtained by the tracking process up to the sampling time t k-1 . Based on a (+), prediction vectors x ^ k, a (-) and prediction error covariance matrix P k, a (-) of model 1 to model N at sampling k are obtained from equations (34) and (35). calculate.
Figure 2005274300
Here, Φ k-1, a represents a state transition matrix for each motion model, and Q k-1, a represents an error covariance matrix of drive noise for each motion model. Φ k−1, a can be obtained by substituting the meander frequency ω set for each model into the equation (24).

尤度計算器56は、予測器53−1〜53−Nが算出した運動モデル毎の予測ベクトル、予測誤差共分散行列、追尾維持装置2から出力された観測値及び尤度計算器56が算出した観測誤差共分散行列より、式(36)に基づいてそれぞれのモデルの尤度を算出する。

Figure 2005274300
ここで、g(z;a,A)は平均a、共分散行列Aの3変量正規分布のzにおける確率密度関数を表す。また、Rkは観測雑音ベクトルの共分散行列である。 The likelihood calculator 56 calculates the prediction vector for each motion model calculated by the predictors 53-1 to 53-N, the prediction error covariance matrix, the observation value output from the tracking maintaining device 2, and the likelihood calculator 56. Based on the observed error covariance matrix, the likelihood of each model is calculated based on Equation (36).
Figure 2005274300
Here, g (z; a, A) represents a probability density function at z of the trivariate normal distribution of mean a and covariance matrix A. R k is a covariance matrix of observation noise vectors.

さらに信頼度計算器57は、運動モデルの事後信頼度βk,aを式(37)より算出する。

Figure 2005274300
Further, the reliability calculator 57 calculates the posterior reliability β k, a of the motion model from the equation (37).
Figure 2005274300

ここでνk,aはフィルタ毎の尤度、β^k,a(-)は式(38)より得られる事前信頼度である。 Here, ν k, a is the likelihood for each filter, and β ^ k, a (−) is the prior reliability obtained from the equation (38).

Figure 2005274300
上記において、Pa|bは状態遷移確率、βk-1,bは1サンプリング前の事後信頼度である。このようにして算出された事後信頼度は統合平滑器55及び混合器52−1〜52−Nに出力され、事前信頼度は統合予測器58に出力される。
Figure 2005274300
In the above, P a | b is the state transition probability, and β k−1, b is the posterior reliability before one sampling. The posterior reliability calculated in this way is output to the integrated smoother 55 and the mixers 52-1 to 52-N, and the prior reliability is output to the integrated predictor 58.

統合平滑器55は、サンプリングkにおいて平滑器54−1〜54−Nが算出した平滑値x^k(+)及び平滑誤差共分散行列Pk(+)、信頼度計算器より得られる事後信頼度βk,aから、サンプリングkにおける統合平滑ベクトルx^k(+)及び統合平滑誤差共分散行列Pk(+)を式(39)及び(40)に基づいて算出する。

Figure 2005274300
ここで、βk,aは事後信頼度を表す。 The integrated smoother 55 has a smoothing value x ^ k (+) and a smoothing error covariance matrix P k (+) calculated by the smoothers 54-1 to 54-N at the sampling k, and a posteriori confidence obtained from the reliability calculator. From the degree β k, a , the integrated smooth vector x ^ k (+) and the integrated smooth error covariance matrix P k (+) at the sampling k are calculated based on the equations (39) and (40).
Figure 2005274300
Here, β k, a represents the posterior reliability.

統合平滑ベクトルx^k(+)は、等速直線運動モデルと正弦関数運動モデルの統合平滑ベクトルより構成されるため、式(41)に示すように、両ベクトルを加算したx^int,k(+)が統合平滑器55によって算出される実際の目標の平滑位置及び平滑速度ベクトルとなる。

Figure 2005274300
また、推定蛇行周波数は式(42)より算出される。
Figure 2005274300
ここで、ωaは各フィルタに事前に設定される蛇行周波数である。 Since the integrated smooth vector x ^ k (+) is composed of an integrated smooth vector of a constant velocity linear motion model and a sine function motion model, x ^ int, k obtained by adding both vectors as shown in Equation (41). (+) Is the actual target smooth position and smooth velocity vector calculated by the integrated smoother 55.
Figure 2005274300
Further, the estimated meander frequency is calculated from the equation (42).
Figure 2005274300
Here, ω a is a meander frequency set in advance for each filter.

統合予測器58は、予測器53−1〜53−Nが算出した運動モデル毎の予測ベクトルx^k,a(-)及び予測誤差共分散行列Pk,a(-)、信頼度計算器57が算出した事前信頼度β^k,a (-)より、統合予測ベクトルx^k(-)及び統合予測誤差共分散行列Pk(-)を式(43)及び(44)に基づいて算出する。

Figure 2005274300
ここで、x^k(-)は統合予測ベクトルを、Pk(-)は統合予測誤差共分散行列を、β^k,a (-)は運動モデル毎の事前信頼度を表す。以上が蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における処理である。 The integrated predictor 58 includes a prediction vector x ^ k, a (−) and a prediction error covariance matrix P k, a (−) for each motion model calculated by the predictors 53-1 to 53-N , a reliability calculator. From the prior reliability β ^ k, a (−) calculated by 57, the integrated prediction vector x ^ k (−) and the integrated prediction error covariance matrix P k (−) are based on the equations (43) and (44). calculate.
Figure 2005274300
Here, x ^ k (−) represents the integrated prediction vector, P k (−) represents the integrated prediction error covariance matrix, and β ^ k, a (−) represents the prior reliability for each motion model. The above is the processing in the Kalman filter 5 based on the meandering motion model.

多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6は、複数の定数加速度モデルに基づく予測値を算出し、各運動モデルの信頼度より加速度推定を行うとともに、統合平滑値を算出する。加速度推定を行うことで、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタと比べて、特に旋回等のマニューバ運動に対する追随性能が高いという特徴がある。カルマンフィルタ6における目標の運動モデルは、式(45)に基づいて算出される。

Figure 2005274300
ここで、xkはサンプリング時刻tkの状態ベクトル、Φkはサンプリング時刻tkからtk+1への状態遷移行列、wkはサンプリング時刻tkの駆動雑音ベクトル、ukはサンプリング時刻tkの定数加速度ベクトル、Γkは駆動雑音変換行列、Γ'kは加速度ベクトル変換行列である。なお、駆動雑音ベクトルwkは、平均0、共分散行列Qkのn変量正規分布に従う白色雑音と仮定する。 The Kalman filter 6 based on a multiple motion model calculates predicted values based on a plurality of constant acceleration models, estimates acceleration from the reliability of each motion model, and calculates an integrated smooth value. By performing the acceleration estimation, there is a feature that the tracking performance with respect to maneuver motion such as turning is particularly high as compared with the Kalman filter based on the constant velocity linear motion model. The target motion model in the Kalman filter 6 is calculated based on the equation (45).
Figure 2005274300
Here, x k the state vector of the sampling time t k, [Phi k is the state transition matrix to t k + 1 from the sampling time t k, w k is the driving noise vector sampling time t k, u k is a sampling time t k is a constant acceleration vector, Γ k is a drive noise conversion matrix, and Γ ′ k is an acceleration vector conversion matrix. Note that the driving noise vector w k is assumed to be white noise according to an n-variate normal distribution with an average of 0 and a covariance matrix Q k .

また、状態ベクトル及び状態遷移行列は式(46)及び(47)に基づいて設定される。

Figure 2005274300
観測モデルについては、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4と同様である。 Further, the state vector and the state transition matrix are set based on the equations (46) and (47).
Figure 2005274300
The observation model is the same as the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model.

これらの運動モデル及び観測モデルより、カルマンフィルタ6のモデル1〜モデルNにおける予測処理と平滑処理のリカッチ方程式が導出される。まず予測器63−1〜63−Nは、サンプリング時刻tk-1までの追尾処理により算出される統合平滑ベクトルx^k-1(+)及び統合平滑誤差共分散行列Pk(+)から、式(49)及び(50)に基づいて運動モデル毎の予測ベクトルx^k,a(-)、運動モデル毎の予測誤差共分散行列Pk,a(-)を算出する。

Figure 2005274300
ここで、αaは運動モデル毎の定数加速度ベクトルである。なお、Pk,a(-)はモデルによらず、統合予測誤差共分散行列Pk(-)と同じである。このようにして算出された運動モデル毎の予測ベクトル及び予測誤差共分散行列は、尤度計算器64に出力される。 From these motion model and observation model, the Riccati equations for prediction processing and smoothing processing in the models 1 to N of the Kalman filter 6 are derived. First, the predictors 63-1 to 63-N use the integrated smooth vector x ^ k-1 (+) and the integrated smooth error covariance matrix P k (+) calculated by the tracking process up to the sampling time t k-1. Based on the equations (49) and (50), a prediction vector x ^ k, a (−) for each motion model and a prediction error covariance matrix P k, a (−) for each motion model are calculated.
Figure 2005274300
Here, α a is a constant acceleration vector for each motion model. Note that P k, a (−) is the same as the integrated prediction error covariance matrix P k (−) regardless of the model. The prediction vector and the prediction error covariance matrix for each motion model calculated in this way are output to the likelihood calculator 64.

次に尤度計算器64は、予測器63−1〜63−Nが算出したた予測ベクトルと予測誤差共分散行列、追尾維持装置2が出力した観測値から、式(51)によってそれぞれのモデルの尤度を算出する。

Figure 2005274300
ここで、g(z;a,A)は平均a、共分散行列Aの3変量正規分布のzにおける確率密度関数を表す。また、Rkは観測雑音ベクトルの共分散行列である。 Next, the likelihood calculator 64 calculates each model from the prediction vector calculated by the predictors 63-1 to 63-N, the prediction error covariance matrix, and the observed value output from the tracking maintaining device 2 according to the equation (51). The likelihood of is calculated.
Figure 2005274300
Here, g (z; a, A) represents a probability density function at z of the trivariate normal distribution of mean a and covariance matrix A. R k is a covariance matrix of observation noise vectors.

信頼度計算器65は、尤度計算器64が算出した各モデルの尤度に基づいて、運動モデルの事後信頼度を式(52)に基づいて算出する。

Figure 2005274300
ここで、νk,aはモデル1〜モデルNの尤度、β^k,a(-)は式(53)より得られる事前信頼度である。
Figure 2005274300
ここで、Pa|bは状態遷移確率、βk-1,bは1サンプリング前の事後信頼度である。ここで算出された事後信頼度は統合平滑器67に出力され、事前信頼度は統合予測器66に出力される。 The reliability calculator 65 calculates the posterior reliability of the motion model based on the equation (52) based on the likelihood of each model calculated by the likelihood calculator 64.
Figure 2005274300
Here, ν k, a is the likelihood of model 1 to model N, and β ^ k, a (−) is the prior reliability obtained from equation (53).
Figure 2005274300
Here, P a | b is the state transition probability, and β k−1, b is the posterior reliability before one sampling. The posterior reliability calculated here is output to the integrated smoother 67, and the prior reliability is output to the integrated predictor 66.

統合予測器66は、遅延器61を介して得られた1サンプル前の統合平滑値と統合平滑誤差共分散行列、信頼度計算器65が算出した事前信頼度を用いて、サンプリングkにおける統合予測ベクトルx^k(-)及び統合予測誤差共分散行列Pk(-)を式(54)〜(56)に基づいて算出する。

Figure 2005274300
ここで、Pabはモデル遷移確率、β^k,aは事前信頼度、u^k-1(-)は予測加速度を表す。 The integrated predictor 66 uses the integrated smoothing value of one sample before obtained through the delay unit 61, the integrated smoothing error covariance matrix, and the prior reliability calculated by the reliability calculator 65 to perform integrated prediction at sampling k. The vector x ^ k (−) and the integrated prediction error covariance matrix P k (−) are calculated based on the equations (54) to (56).
Figure 2005274300
Here, P ab represents the model transition probability, β ^ k, a represents the prior reliability, and u ^ k-1 (-) represents the predicted acceleration.

統合平滑器67は、統合予測器66が算出した統合予測ベクトルx^k(-)及び統合予測誤差共分散行列Pk(-)、追尾維持装置2が算出した観測値zk、そして信頼度計算器65が算出した事後信頼度βk,aから、式(57)〜(60)に基づいて平滑処理を行う。

Figure 2005274300
ここで、Kkはカルマンゲイン、Hは観測行列、Rkは観測誤差共分散行列、Λkはレーダの観測座標系からフィルタの座標系への変換行列、u^k-1(+)は加速度推定値を表す。以上が多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6における処理である。 The integrated smoother 67 includes an integrated prediction vector x ^ k (−) and an integrated prediction error covariance matrix P k (−) calculated by the integrated predictor 66, an observed value z k calculated by the tracking maintaining device 2, and a reliability. From the posterior reliability β k, a calculated by the calculator 65, smoothing processing is performed based on the equations (57) to (60).
Figure 2005274300
Where K k is the Kalman gain, H is the observation matrix, R k is the observation error covariance matrix, Λ k is the transformation matrix from the radar observation coordinate system to the filter coordinate system, and u ^ k-1 (+) is Represents acceleration estimates. The above is the processing in the Kalman filter 6 based on the multiple motion model.

(運動判定処理)
次に運動判別処理器3の動作について説明する。等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4が算出した予測値は、運動判別処理器3の残差2次形式算出器31−1に出力される。ここで、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4が算出した予測値としては、予測ベクトル及び予測誤差共分散行列などがある。また観測誤差共分散行列についても残差2次形式算出器31−1に出力される。
(Exercise judgment processing)
Next, the operation of the motion discrimination processor 3 will be described. The predicted value calculated by the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is output to the residual quadratic form calculator 31-1 of the motion discrimination processor 3. Here, the prediction values calculated by the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model include a prediction vector and a prediction error covariance matrix. The observation error covariance matrix is also output to the residual quadratic form calculator 31-1.

すると、残差2次形式算出器31−1は式(61)〜(63)に基づいて観測誤差共分散行列より残差2次形式δk,cvを算出する。

Figure 2005274300
ここで、zkは観測ベクトル、Rkは観測誤差共分散行列、Λkはレーダの観測座標系からフィルタの座標系への変換行列を表す。また、Hは観測行列、x^k,cv(-)は等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタの統合予測ベクトル、Pk,cv(-)は統合予測誤差共分散行列を表す。 Then, the residual quadratic form calculator 31-1 calculates the residual quadratic form δ k, cv from the observation error covariance matrix based on the equations (61) to (63).
Figure 2005274300
Here, z k represents an observation vector, R k represents an observation error covariance matrix, and Λ k represents a conversion matrix from the radar observation coordinate system to the filter coordinate system. H represents an observation matrix, x ^ k, cv (-) represents an integrated prediction vector of a Kalman filter based on a constant velocity linear motion model, and Pk, cv (-) represents an integrated prediction error covariance matrix.

同様に、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の予測値及び予測誤差共分散行列、及び観測誤差共分散行列は、運動判別器3の残差2次形式算出器31−2に出力される。蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタの残差2次形式δk,wvは、式(64)〜(66)に基づいて算出される。

Figure 2005274300
ここで、zkは観測ベクトル、Rkは観測誤差共分散行列、Λkはレーダの観測座標系からフィルタの座標系への変換行列を表す。また、H1は観測行列、x^k,wv(-)は蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタの統合予測ベクトル、Pk,wv(-)は統合予測誤差共分散行列を表す。 Similarly, the predicted value, prediction error covariance matrix, and observation error covariance matrix of the Kalman filter 5 based on the meandering motion model are output to the residual quadratic form calculator 31-2 of the motion discriminator 3. The residual quadratic form δ k, wv of the Kalman filter based on the meandering motion model is calculated based on the equations (64) to (66).
Figure 2005274300
Here, z k represents an observation vector, R k represents an observation error covariance matrix, and Λ k represents a conversion matrix from the radar observation coordinate system to the filter coordinate system. H 1 represents an observation matrix, x ^ k, wv (−) represents an integrated prediction vector of a Kalman filter based on a meandering motion model, and P k, wv (−) represents an integrated prediction error covariance matrix.

蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタはある座標軸で動作するため、2次元あるいは3次元追尾を行う場合、座標軸毎に残差ベクトルεk,wvを算出し、それぞれの残差共分散を対角要素とする残差共分散行列を用いて式(66)より残差2次形式を算出する。 Since the Kalman filter based on the meandering motion model operates on a certain coordinate axis, when performing two-dimensional or three-dimensional tracking, the residual vector ε k, wv is calculated for each coordinate axis, and each residual covariance is used as a diagonal element. A residual quadratic form is calculated from Equation (66) using the residual covariance matrix.

算出された等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ及び蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタよりの残差2次形式は、それぞれの判定評価関数算出器32−1及び32−2に出力され、一定サンプル数Δにおける残差2次形式の平均値である判定評価関数μcv k及びμwv kが式(67)及び(68)によって算出される。

Figure 2005274300
ここで、αは忘却係数であって、Δとの関係として式(69)を満たす。
Figure 2005274300
The residual quadratic form from the Kalman filter based on the calculated constant velocity linear motion model and the Kalman filter based on the meandering motion model is output to the respective judgment evaluation function calculators 32-1 and 32-2, and at a constant sample number Δ. Judgment evaluation functions μ cv k and μ wv k which are average values of the residual quadratic form are calculated by the equations (67) and (68).
Figure 2005274300
Here, α is a forgetting factor, and satisfies Equation (69) as a relationship with Δ.
Figure 2005274300

運動判定器33は、式(67)及び(68)から算出された判定評価関数を取得して、しきい値判定を行う。具体的には図9に示すように、それぞれ大きさの異なる2つのしきい値を設定して、判定評価関数がしきい値を超えるか否かの判定を行う。ここで、しきい値h1としてh2よりも大きい値を設定し、またしきい値h3としてh4よりも大きい値を設定する。これは、式(67)及び(68)から算出された判定評価関数がしきい値付近で変動するために、頻繁に切り替えが繰り返されるのを防ぐためである。 The motion determiner 33 acquires the determination evaluation function calculated from the expressions (67) and (68), and performs threshold determination. Specifically, as shown in FIG. 9, two threshold values having different sizes are set, and it is determined whether or not the determination evaluation function exceeds the threshold value. Here, a value larger than h 2 is set as the threshold value h 1 , and a value larger than h 4 is set as the threshold value h 3 . This is to prevent frequent switching because the judgment evaluation function calculated from the equations (67) and (68) fluctuates in the vicinity of the threshold value.

また図10に示すように、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の判定評価関数は、等速直線運動目標に対しては小さく、蛇行や旋回目標等のマニューバ運動に対しては大きい特性がある。一方、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5は、等速直線運動及び蛇行運動に対しては小さく、それ以外の旋回等の運動に対しては増大する特性がある。   As shown in FIG. 10, the evaluation function of the Kalman filter 4 based on the constant-velocity linear motion model is small for constant-velocity linear motion targets and has large characteristics for maneuver motions such as meandering and turning targets. . On the other hand, the Kalman filter 5 based on the meandering motion model has a characteristic that it is small for constant velocity linear motion and meandering motion and increases for other motions such as turning.

このように、「蛇行運動モデルを用いたカルマンフィルタ」の残差2次形式が、等速及び蛇行運動に対しては小さく、蛇行以外のマニューバ運動に対しては大きいという性質に着目し、「等速直線運動モデルを用いたカルマンフィルタ」の残差2次形式の結果と組み合わせることによって、「等速」「蛇行」「蛇行以外のマニューバ運動」の判定を可能としているのである。   Thus, paying attention to the property that the residual quadratic form of the “Kalman filter using a meandering motion model” is small for constant speed and meandering motion and large for maneuver motions other than meandering, By combining with the result of the residual quadratic form of “Kalman filter using a fast linear motion model”, it is possible to determine “constant velocity”, “meandering”, and “maneuver motion other than meandering”.

図11は、運動判別の状態遷移図である。このようにして、図10の各フィルタの目標運動に対する判定評価関数の特性を利用し、目標の運動状態を、「等速直線運動」、「蛇行運動」、「蛇行運動以外のマニューバ運動」に判別する。判別結果は、フィルタ出力選択器8へ出力する。   FIG. 11 is a state transition diagram for motion discrimination. In this way, using the characteristics of the evaluation function for the target motion of each filter of FIG. 10, the target motion state is changed to “constant linear motion”, “meander motion”, “maneuver motion other than meander motion”. Determine. The discrimination result is output to the filter output selector 8.

このように運動判別処理器3は、各運動モデルの残差2次形式を算出するとともに、これらの各残差2次形式から運動モデルごとの判定評価関数値を求め、これらの運動モデルの判定評価関数と所定のしきい値とを比較して、前記目標の運動状態を判別することとしたので、各サンプルの値を蓄積して逐次処理により平均を算出する処理と等価となり、値が平均化されて、誤判定を抑制することができる。   As described above, the motion discrimination processor 3 calculates the residual quadratic form of each motion model, obtains a determination evaluation function value for each motion model from each of the residual quadratic forms, and determines these motion models. Since the evaluation function and a predetermined threshold value are compared to determine the target motion state, it is equivalent to the process of accumulating the values of each sample and calculating the average by sequential processing. Thus, erroneous determination can be suppressed.

(収束判定処理)
次に、収束判定器7の動作について説明する。収束判定器7は、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ4が出力する平滑速度ベクトルに対する収束判定を行う。カルマンフィルタ4は、等速直線運動モデルと正弦関数運動モデルから導出される蛇行運動に基づいて処理を行うが、追尾開始直後は観測雑音が大きい場合、両モデルを合わせた統合平滑値に係る平滑誤差は小さくても、モデル毎の平滑値は安定せず、目標運動を等速成分と正弦関数成分が分離されるのに時間を要する。このような場合、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは安定しないため、このような平滑値に基づいて未来位置予測を行うと未来予測位置が大きく変動して誤差が大きくなってしまう。
(Convergence judgment processing)
Next, the operation of the convergence determination unit 7 will be described. The convergence determination unit 7 performs convergence determination on the smooth velocity vector output from the Kalman filter 4 based on the meandering motion model. The Kalman filter 4 performs processing based on the meandering motion derived from the constant velocity linear motion model and the sinusoidal motion model. If the observation noise is large immediately after the start of tracking, the smoothing error related to the integrated smooth value combining both models is performed. Even if is small, the smooth value for each model is not stable, and it takes time to separate the constant velocity component and the sine function component of the target motion. In such a case, the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model is not stable. Therefore, if the future position prediction is performed based on such a smooth value, the future prediction position largely fluctuates and the error becomes large.

そこで、収束判定器7では、等速直線運動モデルについて、サンプリング時刻kと時刻k−1において算出される2つの平滑速度ベクトルがなす角度(平滑速度ベクトルの方向成分の時間変位)の評価関数を算出し、しきい値と比較することにより、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルについての収束判定を行う。   Therefore, the convergence determination unit 7 calculates an evaluation function of an angle (time displacement of the direction component of the smoothing velocity vector) formed by the two smoothing velocity vectors calculated at the sampling time k and the time k−1 for the constant velocity linear motion model. By calculating and comparing with a threshold value, a convergence determination is performed on the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model.

速度ベクトル角度算出器71は、図12に示すようにサンプリング時刻kにおける等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルとサンプリング時刻k−1における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルとのなす角を算出する。サンプリング時刻kにおける等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルをν^kとし、サンプリング時刻k−1における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルをν^k-1とすれば、平滑速度ベクトルν^kとν^k-1がなす角度角度θk[°]は式(70)から算出される。

Figure 2005274300
As shown in FIG. 12, the velocity vector angle calculator 71 calculates the angle formed by the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model at the sampling time k and the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model at the sampling time k−1. . If the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model at the sampling time k is ν ^ k and the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model at the sampling time k−1 is ν ^ k-1 , then the smooth velocity vector ν ^ k And the angle angle θ k [°] formed by ν ^ k−1 is calculated from the equation (70).
Figure 2005274300

続いて、角度評価関数算出器72は、角度θkを平均化して式(71)から角度評価関数μk θを算出し、しきい値判定器73へ出力する。

Figure 2005274300
Figure 2005274300
Subsequently, the angle evaluation function calculator 72 averages the angle θ k , calculates the angle evaluation function μ k θ from Expression (71), and outputs the angle evaluation function μ k θ to the threshold value determiner 73.
Figure 2005274300
Figure 2005274300

図13に、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタにより蛇行目標を追尾した場合の、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトル収束判定評価関数についてのシミュレーション結果の一例を示す。横軸は時間、縦軸は収束判定評価関数を表す。追尾開始直後における評価関数は100°以上あり、平滑速度ベクトルのふらつきが著しい。しかし、時間経過とともに急速に減少し、未来位置予測に使用可能な程度に平滑速度ベクトルが安定する。   FIG. 13 shows an example of a simulation result of the smooth velocity vector convergence determination evaluation function of the constant velocity linear motion model when the meandering target is tracked by the Kalman filter based on the meandering motion model. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the convergence evaluation function. The evaluation function immediately after the start of tracking is 100 ° or more, and the smoothing speed vector fluctuates significantly. However, it decreases rapidly with the passage of time, and the smooth velocity vector becomes stable to the extent that it can be used for future position prediction.

そこでしきい値判定器73は、角度評価関数μθ kがしきい値h5を下回る場合、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束していると判定する。その後にしきい値h6を超える場合には、再び等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束していないと判定する。なお、しきい値h5にはしきい値h6よりも小さい値が設定される。これは、上述の評価値がしきい値付近で変動する場合に、頻繁に異なる判定が繰り返されるのを防ぐためである。 Therefore, the threshold value determination unit 73 determines that the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model has converged when the angle evaluation function μ θ k is lower than the threshold value h 5 . Thereafter, when the threshold value h 6 is exceeded, it is determined again that the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model has not converged. The threshold value h 5 is set to a value smaller than the threshold value h 6 . This is to prevent frequent different determinations from being repeated when the above-described evaluation value fluctuates in the vicinity of the threshold value.

このように収束判定器7を設けて、蛇行運動モデルの安定度合いを判断することとしたので、カルマンフィルタ5の平滑値が不安定な状態でこの平滑値に基づく未来位置予測を行うことを回避し、結果として安定した未来位置予測を行うことができるのである。また蛇行運動モデルを構成する等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの方向の時間変位に基づいて蛇行運動の安定度合いを判断することとしたので、カルマンフィルタ5の平滑値の収束状況を数値化することができ、客観的かつ正確な判断が可能となったのである。   Since the convergence determination unit 7 is thus provided to determine the degree of stability of the meandering motion model, it is possible to avoid performing future position prediction based on the smooth value when the smooth value of the Kalman filter 5 is unstable. As a result, stable future position prediction can be performed. Further, since the degree of stability of the meandering motion is determined based on the time displacement in the direction of the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion component constituting the meandering motion model, the convergence state of the smooth value of the Kalman filter 5 is quantified. It was possible to make an objective and accurate judgment.

なお、上述した処理の例では、蛇行運動モデルを構成する等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの方向の、前回サンプルと今回サンプルとの間の変化(時間変位)に基づいて処理を行うこととした。しかしながら、サンプリングの間隔は前回サンプルと今回サンプルのように隣接するサンプルに限るものではないことはいうまでもない。   In the above-described processing example, the processing is performed based on the change (time displacement) between the previous sample and the current sample in the direction of the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion component constituting the meandering motion model. did. However, it goes without saying that the sampling interval is not limited to adjacent samples such as the previous sample and the current sample.

(フィルタ出力選択処理)
フィルタ出力選択器8は、運動判別処理器3が出力した運動判別結果と、収束判定器7が出力した収束状況に関する判定結果をもとに、カルマンフィルタ4〜6が出力した平滑値のうちいずれか一つを選択し、未来位置予測器9へ出力する。フィルタ出力選択器8がどのカルマンフィルタの値を選択するかについては図14に示している。図が示すように、運動判別処理器3の判定結果が等速運動である場合には、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4による平滑値を選択する。また運動判別処理器3の判定結果が蛇行運動である場合には、収束判定器7の判定結果を参照して、それが未収束である場合には、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4による平滑値を選択する。また収束である場合には、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の平滑値を選択する。運動判別処理器3の判定結果が蛇行以外のマニューバである場合には、多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6による平滑値を選択する。
(Filter output selection processing)
The filter output selector 8 is one of the smooth values output by the Kalman filters 4 to 6 based on the motion determination result output by the motion determination processor 3 and the determination result regarding the convergence state output by the convergence determiner 7. One is selected and output to the future position predictor 9. FIG. 14 shows which Kalman filter value the filter output selector 8 selects. As shown in the figure, when the determination result of the motion discrimination processor 3 is constant velocity motion, a smooth value by the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is selected. When the determination result of the motion discrimination processor 3 is a meandering motion, the determination result of the convergence determiner 7 is referred to, and when it is not converged, the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is used. Select a smooth value. In the case of convergence, the smooth value of the Kalman filter 5 based on the meandering motion model is selected. When the determination result of the motion discrimination processor 3 is a maneuver other than meandering, a smooth value by the Kalman filter 6 based on the multiple motion model is selected.

このように、追尾開始後一度も蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の平滑速度ベクトルが収束判定されない場合、運動判別処理器3により蛇行目標と判定されても蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の平滑値は選択されず、替わって等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の平滑値が未来位置予測器9に出力されるのである。   As described above, when the smoothing velocity vector of the Kalman filter 5 based on the meandering motion model is not determined to converge even after the start of tracking, the smoothing value of the Kalman filter 5 based on the meandering motion model is obtained even if the motion discrimination processor 3 determines that the target meanders. Instead, the smooth value of the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is output to the future position predictor 9 instead.

(未来位置予測)
未来位置予測器9は、フィルタ出力選択器より得られた平滑位置及び平滑速度ベクトルより、Nサンプリング後の未来位置を式(72)及び(73)より算出する。

Figure 2005274300
ここで、x^k+N(-)は未来予測値を表す。また、x^int k-1(+)はフィルタ出力選択器8により選択された追尾フィルタの平滑値を表す。さらには、TNはサンプリング時刻kからk+Nまでの時間を表す。蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の場合、各座標軸において得られた等速直線運動モデルの統合平滑値がx^int k-1(+)となる。一方、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4、及び多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6は、それぞれ統合平滑値がx^int k-1(+)となる。 (Future position prediction)
The future position predictor 9 calculates the future position after N sampling from the equations (72) and (73) from the smooth position and smooth velocity vector obtained from the filter output selector.
Figure 2005274300
Here, x ^ k + N (-) represents a predicted future value. X ^ int k-1 (+) represents the smoothing value of the tracking filter selected by the filter output selector 8. Furthermore, T N represents the time from sampling time k to k + N. In the case of the Kalman filter 5 based on the meandering motion model, the integrated smooth value of the constant velocity linear motion model obtained on each coordinate axis is x ^ int k-1 (+). On the other hand, the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model and the Kalman filter 6 based on the multiple motion model each have an integrated smooth value of x ^ int k-1 (+).

以上から明らかなように、この発明の実施の形態1における目標追尾装置によれば、目標の運動判別及び蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタにおける等速直線運動モデルの平滑速度ベクトル収束判定により、未来位置予測を行う上で最も有利な追尾フィルタの出力を選択し、サンプリング時刻kにおける平滑値に基づきNサンプル後の未来位置を予測することが可能となる。   As is apparent from the above, according to the target tracking device in the first embodiment of the present invention, the future position prediction is performed by determining the target motion and determining the smooth velocity vector convergence of the constant velocity linear motion model in the Kalman filter based on the meandering motion model. It is possible to select the output of the tracking filter that is most advantageous for performing the prediction, and to predict the future position after N samples based on the smooth value at the sampling time k.

なお、この発明の実施の形態1による目標追尾装置の特徴の一部である運動判別処理器3及び収束判定器7は多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6がない場合であっても、その効果を発揮することは明らかである。   Note that the motion discriminating processor 3 and the convergence discriminator 7 which are a part of the features of the target tracking device according to Embodiment 1 of the present invention are effective even when there is no Kalman filter 6 based on the multiple motion model. It is clear to do.

実施の形態2.
実施の形態1による目標追尾装置において、収束判定器7は、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの収束判定を行っている。等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは、追尾開始後において収束するのに時間を要するため、フィルタ選択器8は未収束の蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタの出力を選択せず、運動判別処理器3により「蛇行運動」と判定された場合であっても、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4を選択している。一方、目標の旋回等のマニューバにより、蛇行運動モデルの等速直線運動成分の方向が大きく変化する場合がありうる。この場合において、角度評価関数は一旦収束していながら、再度増大することになる。このような状態においては、運動判別処理器3により「蛇行運動」と判定されていても、平滑速度ベクトルが収束していない。したがって、フィルタ出力選択器8が蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の出力を選択したところで、良好な未来位置予測精度は得られないことになる。
Embodiment 2. FIG.
In the target tracking device according to the first embodiment, the convergence determination unit 7 determines the convergence of the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion component in the Kalman filter 5 based on the meandering motion model. Since the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model takes time to converge after the start of tracking, the filter selector 8 does not select the output of the Kalman filter based on the unconvergent meandering motion model, and the motion discrimination processor 3 Even if it is determined as “meandering motion”, the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is selected. On the other hand, the direction of the constant-velocity linear motion component of the meandering motion model may change greatly due to a maneuver such as target turning. In this case, the angle evaluation function once increases while increasing again. In such a state, even if it is determined as “meandering motion” by the motion discrimination processor 3, the smooth velocity vector has not converged. Therefore, when the filter output selector 8 selects the output of the Kalman filter 5 based on the meandering motion model, good future position prediction accuracy cannot be obtained.

そこで、このような問題を回避するために、図15に示すように角度評価関数が収束後に急増した場合には、収束判定器7により、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動成分の平滑速度ベクトルは再度未収束の状態になったと判定するようにしてもよい。この発明の実施の形態2による目標追尾装置はこのような特徴を有するものである。図16はこの発明の実施の形態2による目標追尾装置における収束判定器7の構成を示すブロック図である。図において、しきい値設定器75は新たなしきい値を設定する部位である。その他、図6と同一の符号を付した構成要素については実施の形態1と同様であるので説明を省略する。しきい値設定器75の作用によって、しきい値判定器73は、再度しきい値を下回るまでは、等速直線運動モデルにおける平滑速度ベクトルの収束判定を行わないようになる。   Therefore, in order to avoid such a problem, when the angle evaluation function increases rapidly after convergence as shown in FIG. 15, the convergence determination unit 7 causes the constant-velocity linear motion component in the Kalman filter 5 based on the meandering motion model. The smooth velocity vector may be determined to be in an unconverged state again. The target tracking device according to Embodiment 2 of the present invention has such characteristics. FIG. 16 is a block diagram showing the configuration of the convergence determination unit 7 in the target tracking device according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, a threshold value setter 75 is a part for setting a new threshold value. The other components denoted by the same reference numerals as those in FIG. 6 are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. By the action of the threshold setting unit 75, the threshold determining unit 73 does not perform the convergence determination of the smooth velocity vector in the constant velocity linear motion model until the threshold setting unit 75 falls below the threshold again.

ここで、しきい値判定器73は、角度評価関数による未収束判定を、例えば式(74)に示す不等式が満たされた場合に行うようにする。

Figure 2005274300
は現在のしきい値である。 Here, the threshold value determination unit 73 performs the non-convergence determination by the angle evaluation function when, for example, the inequality shown in Expression (74) is satisfied.
Figure 2005274300
h 7 is the current threshold value.

しきい値判定器73により未収束判定が行われた場合、しきい値設定器75は新たなしきい値を式(75)及び(76)に示すようにしきい値判定器73に対して再設定する。

Figure 2005274300
When the non-convergence determination is made by the threshold value determiner 73, the threshold value setter 75 resets the new threshold value to the threshold value determiner 73 as shown in the equations (75) and (76). To do.
Figure 2005274300

しきい値判定器73は、角度評価関数μθ kがしきい値h'5を下回る場合、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルが収束していると判定する。その後にしきい値h'6を超える場合には、再び等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束していないと判定する。また再度の未収束判定は旋回等のマニューバ運動により生じるものであるので、運動判別処理器3により「蛇行運動」と判定されている場合であっても、フィルタ出力選択器8は多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6を選択する。図17は、フィルタ出力選択器8が運動判別処理器3及び収束判定器7の判定結果に基づいてどのカルマンフィルタの平滑値を選択するかを示した図である。この図の構成については図14と同様である。 The threshold determination unit 73 determines that the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model has converged when the angle evaluation function μ θ k is lower than the threshold h ′ 5 . Thereafter, when the threshold value h ′ 6 is exceeded, it is determined again that the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model has not converged. Further, since the non-convergence determination again is caused by maneuver motion such as turning, even if the motion discrimination processor 3 determines that the “meandering motion”, the filter output selector 8 uses the multiple motion model. Based on the Kalman filter 6 is selected. FIG. 17 is a diagram showing which Kalman filter smooth value is selected by the filter output selector 8 based on the determination results of the motion determination processor 3 and the convergence determiner 7. The configuration of this figure is the same as that of FIG.

このように、運動判別処理器3により「蛇行運動」と判定され、かつ平滑速度ベクトルがまだ収束していない段階にあって、目標の旋回等のマニューバにより角度評価関数が収束した後に再度増大する場合であっても、収束判定器7におけるしきい値を適切に設定して収束判定を工夫することにより、目標の運動に適した運動モデルを選択することができるので、未来位置予測の精度を向上させることができるのである。   As described above, the motion discriminating processor 3 determines “meandering motion” and the smooth velocity vector has not yet converged, and the angle evaluation function increases again after convergence by the maneuver such as target turning. Even in this case, it is possible to select a motion model suitable for the target motion by appropriately setting the threshold value in the convergence determiner 7 and devising the convergence determination. It can be improved.

実施の形態3.
また収束判定器7における収束判定処理に、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5が算出した平滑値に加えて、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4が算出した平滑値を考慮するようにしてもよい。この発明の実施の形態3による目標追尾装置はこのような特徴を有するものである。図18はこの発明の実施の形態3による目標追尾装置の構成を示すブロック図である。図18が図1と異なる点は、図18では等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の処理結果が収束判定器7にも出力される点であり、その他については同様である。
Embodiment 3 FIG.
In addition, in the convergence determination process in the convergence determination unit 7, in addition to the smooth value calculated by the Kalman filter 5 based on the meandering motion model, the smooth value calculated by the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model may be considered. The target tracking device according to Embodiment 3 of the present invention has such features. FIG. 18 is a block diagram showing the structure of the target tracking device according to Embodiment 3 of the present invention. 18 differs from FIG. 1 in that the processing result of the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is also output to the convergence determination unit 7 in FIG. 18, and the other points are the same.

図19は、この発明の実施の形態3における目標追尾装置の収束判定器7の詳細な構成を示したブロック図である。図において速度ベクトル角度算出器71−1及び71−2は図6における速度ベクトル角度算出器71に相当するものであって、それぞれ等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタの平滑値と蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタの平滑値とを取得して処理を行うようになっている。角度評価関数算出器72−1及び72−2は、図6における角度評価関数算出器72に相当するものであって、それぞれ等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタと蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタに対して処理を行う。その他図6と同一の符号を付した構成要素については実施の形態1と同様であるので説明を省略する。   FIG. 19 is a block diagram showing a detailed configuration of convergence determination unit 7 of the target tracking device according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, velocity vector angle calculators 71-1 and 71-2 correspond to the velocity vector angle calculator 71 in FIG. 6, and are based on the smooth value of the Kalman filter based on the constant velocity linear motion model and the meandering motion model, respectively. The smoothing value of the Kalman filter is acquired and processed. The angle evaluation function calculators 72-1 and 72-2 correspond to the angle evaluation function calculator 72 in FIG. 6, and are respectively for the Kalman filter based on the constant velocity linear motion model and the Kalman filter based on the meandering motion model. Process. The other components denoted by the same reference numerals as those in FIG. 6 are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

次にこの発明の実施の形態3における目標追尾装置の収束判定器7の動作について説明する。速度ベクトル角度算出器71−1は等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の平滑速度ベクトルを取得する。また速度ベクトル角度算出器71−2は蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動成分の平滑速度ベクトルを取得する。そして蛇行運動モデルを構成する等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの方向成分の時間変位を評価することに加えて、平滑速度ベクトルの方向成分と等速直線運動モデルの方向成分との比較を行う。   Next, the operation of the convergence determination unit 7 of the target tracking device according to Embodiment 3 of the present invention will be described. The velocity vector angle calculator 71-1 acquires the smooth velocity vector of the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model. The velocity vector angle calculator 71-2 obtains a smooth velocity vector of the constant velocity linear motion component in the Kalman filter 5 based on the meandering motion model. In addition to evaluating the time displacement of the direction component of the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion component that constitutes the meandering motion model, the direction component of the smooth velocity vector and the direction component of the constant velocity linear motion model are compared. .

具体的にいえば、角度評価関数算出器72−1及び72−2は、実施の形態1と同様に式(71)に示す平滑速度ベクトルについての角度評価関数μθ k,cv及びμθ k,wvをそれぞれ算出する。そして、しきい値判定器73は、蛇行運動モデルによる平滑値が収束していると判定する場合において、平滑速度ベクトルの方向成分と等速直線運動モデルの方向成分とをさらに比較することにより、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの収束判定を相対的に行う。 Specifically, the angle evaluation function calculators 72-1 and 72-2 are angle evaluation functions μ θ k, cv and μ θ k for the smooth velocity vector shown in the equation (71) as in the first embodiment. , wv are calculated respectively. Then, when determining that the smooth value by the meandering motion model has converged, the threshold value determiner 73 further compares the direction component of the smooth velocity vector and the direction component of the constant velocity linear motion model, Relative determination of the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion component in the Kalman filter 5 based on the meandering motion model is performed.

そしてフィルタ出力選択器8は、図14に基づいて、運動判別処理器3により「蛇行運動」が判定されても追尾開始後一度も蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタの角度評価関数が、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタの角度評価関数を下回らない場合、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の出力を選択するのである。   Then, the filter output selector 8 uses the Kalman filter angle evaluation function based on the meandering motion model even if the “meandering motion” is judged by the motion discrimination processor 3 based on FIG. If the angle evaluation function of the Kalman filter based on the model does not fall below, the output of the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is selected.

このよう、この発明の実施の形態3によれば、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタの角度評価関数をも収束判定に用いるようにした。これによって、蛇行運動の基準直線(等速直線運動成分の傾きと切片によって表される直線)が変動してしまい平滑値が十分に安定していないにもかかわらず、平滑速度ベクトルの方向成分の時間変位が小さいために、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の平滑値単独では収束したと判定される場合であっても、平滑値が未収束であると判断できる。したがって、不安定な平滑値に基づいて未来位置予測をすることを回避し、より精度の高い未来位置予測が可能となるのである。   As described above, according to the third embodiment of the present invention, the angle evaluation function of the Kalman filter based on the constant velocity linear motion model is also used for the convergence determination. As a result, the reference line of the meandering motion (straight line represented by the slope and intercept of the constant velocity linear motion component) fluctuates and the smooth value is not sufficiently stable. Since the time displacement is small, even if it is determined that the smooth value alone of the Kalman filter 5 based on the meandering motion model has converged, it can be determined that the smooth value has not converged. Therefore, it is possible to avoid future position prediction based on an unstable smooth value and to perform future position prediction with higher accuracy.

実施の形態4.
なお、収束判定器7の内部でNサンプル先までの未来位置予測を行い、Nサンプル先の未来位置予測値とN−1サンプル先の未来位置予測値との距離を算出して、この距離に基づいて収束判定をするようにしてもよい。この発明の実施の形態4による目標追尾装置はこのような特徴を有するものである。
Embodiment 4 FIG.
In addition, the future position prediction up to N samples ahead is performed inside the convergence determination unit 7, the distance between the future position prediction value of N samples ahead and the future position prediction value of N−1 samples ahead is calculated, and this distance is calculated. A convergence determination may be made based on this. The target tracking device according to Embodiment 4 of the present invention has such features.

図20は、この発明の実施の形態4による目標追尾装置の収束判定器7の詳細な構成を示すブロック図である。図に示すように、この発明の実施の形態4による目標追尾装置の収束判定器7は未来位置予測器75、未来位置予測値間距離算出器76、未来位置予測値メモリ77、未来予測値間距離判定器78から構成されている。   FIG. 20 is a block diagram showing a detailed configuration of convergence determination unit 7 of the target tracking device according to Embodiment 4 of the present invention. As shown in the figure, the convergence determination unit 7 of the target tracking device according to the fourth embodiment of the present invention includes a future position predictor 75, a future position predicted value distance calculator 76, a future position predicted value memory 77, and a future predicted value interval. The distance determination unit 78 is configured.

以下にこれらの各構成要素の作用について説明する。未来位置予測器75は、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタにおける等速直線運動成分の平滑値を取得し、Nサンプル後の未来予測値を事前に算出する。ここで算出された未来予測値は未来位置予測値間距離算出器76に出力される。未来位置予測値間距離算出器76は未来位置予測器75から取得したNサンプル先の未来予測値を未来位置予測値メモリ77に蓄積するとともに、N−1サンプル先の未来位置予測値を未来位置予測値メモリ77から取得して、Nサンプル先とN−1サンプル先における未来位置予測値間のユークリッド距離を算出する。   The operation of each of these components will be described below. The future position predictor 75 acquires the smooth value of the constant velocity linear motion component in the Kalman filter based on the meandering motion model, and calculates the future predicted value after N samples in advance. The future predicted value calculated here is output to the future position predicted value distance calculator 76. The future position predicted value distance calculator 76 stores the future predicted value of N samples ahead acquired from the future position predictor 75 in the future position predicted value memory 77 and also stores the future position predicted value of N-1 samples ahead in the future position. Obtained from the predicted value memory 77, the Euclidean distance between the future position predicted values at the N sample destination and the N-1 sample destination is calculated.

続いて未来位置予測値間距離判定器78は、未来位置予測値間のユークリッド距離をしきい値と比較する。そしてこの距離がしきい値を超える場合には、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタにおける等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束していないと判定する。この結果、フィルタ出力選択器8は、図14に示したように各判定結果に基づいてどのカルマンフィルタを選択するか決定する。   Subsequently, the future position predicted value distance determination unit 78 compares the Euclidean distance between the future position predicted values with a threshold value. If this distance exceeds the threshold value, it is determined that the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model in the Kalman filter based on the meandering motion model has not converged. As a result, the filter output selector 8 determines which Kalman filter to select based on each determination result as shown in FIG.

このように、この発明の実施の形態4による目標追尾装置によれば、運動判別処理器3により蛇行運動と判定されても、追尾開始後、一度もユークリッド距離がしきい値を下回らない場合、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束していないと判定し、フィルタ出力選択器8は、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の出力を選択するようになる。   Thus, according to the target tracking device according to Embodiment 4 of the present invention, even if the Euclidean distance has never fallen below the threshold even after the tracking start, even if it is determined as the meandering motion by the motion discrimination processor 3, It is determined that the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model in the Kalman filter 5 based on the meandering motion model has not converged, and the filter output selector 8 selects the output of the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model. .

なお、上述の処理において、距離を算出するのに用いる未来位置予測値として、Nサンプル先とN−1サンプル先、のように隣接するサンプルにおける未来位置を用いることとしたが、これらは原理的に異なるサンプル時点であればよいのであり、隣接する場合に限定されるものではない。   In the above-described processing, the future position in the adjacent sample such as N sample destination and N-1 sample destination is used as the future position prediction value used for calculating the distance. However, the present invention is not limited to the case where the sample points are adjacent to each other.

この発明は、特に多様な運動を行う目標に対して各種の運動モデルを準備して目標追尾を行う目標追尾システムの処理精度を改善する上で有用である。   The present invention is particularly useful for improving the processing accuracy of a target tracking system that prepares various motion models for targets that perform various motions and performs target tracking.

この発明の実施の形態1における目標追尾装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the target tracking apparatus in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における目標追尾装置の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the target tracking apparatus in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における目標追尾装置の別の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows another detailed structure of the target tracking apparatus in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における目標追尾装置のさらに別の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows another detailed structure of the target tracking apparatus in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における目標追尾装置の別の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows another detailed structure of the target tracking apparatus in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における目標追尾装置の別の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows another detailed structure of the target tracking apparatus in Embodiment 1 of this invention. x−t平面における正弦関数運動モデルと等速直線運動モデル、蛇行運動モデルとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the sine function motion model in an xt plane, a constant velocity linear motion model, and a meandering motion model. 蛇行運動モデルをブロック線図として表現した図である。It is the figure which expressed the meandering movement model as a block diagram. 各カルマンフィルタと評価関数、しきい値との関係を表した表である。It is the table | surface showing the relationship between each Kalman filter, an evaluation function, and a threshold value. 目標の各運動に対して判定評価関数が示す特性を示した表である。It is the table | surface which showed the characteristic which a determination evaluation function shows with respect to each exercise | movement of a target. この発明の実施の形態1における目標追尾装置による運動判別の状態遷移図である。It is a state transition diagram of the exercise | movement discrimination | determination by the target tracking apparatus in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における目標追尾装置による各サンプリング間の等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルがなす角を算出する方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method to calculate the angle | corner which the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model between each sampling by the target tracking apparatus in Embodiment 1 of this invention makes. 蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタにより蛇行目標を追尾した場合の等速直線運動モデルの平滑速度ベクトル収束判定評価関数のシミュレーション結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the simulation result of the smooth velocity vector convergence determination evaluation function of the constant velocity linear motion model at the time of tracking a meandering target by the Kalman filter based on a meandering motion model. この発明の実施の形態1における目標追尾装置における運動判定処理結果と選択されるカルマンフィルタとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the exercise | movement determination process result in the target tracking apparatus in Embodiment 1 of this invention, and the selected Kalman filter. 蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタにより蛇行目標を追尾した場合の等速直線運動モデルの平滑速度ベクトル収束判定評価関数のシミュレーション結果の別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the simulation result of the smooth velocity vector convergence determination evaluation function of the constant velocity linear motion model at the time of tracking a meandering target by the Kalman filter based on a meandering motion model. この発明の実施の形態2における目標追尾装置の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the target tracking apparatus in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2における目標追尾装置における運動判定処理結果と選択されるカルマンフィルタとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the exercise | movement determination process result in the target tracking apparatus in Embodiment 2 of this invention, and the selected Kalman filter. この発明の実施の形態3における目標追尾装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the target tracking apparatus in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における目標追尾装置の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the target tracking apparatus in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態4における目標追尾装置の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the target tracking apparatus in Embodiment 4 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

4 等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ、
5 蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ、
6 多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ、
7 収束判定器、
8 フィルタ出力選択器。
4 Kalman filter based on constant velocity linear motion model,
5 Kalman filter based on the meandering motion model,
6 Kalman filter based on multiple motion model,
7 Convergence determiner,
8 Filter output selector.

Claims (7)

異なる運動モデルに基づく複数のカルマンフィルタを用いて目標の観測値から複数の平滑値を算出するとともに、これらの平滑値から適切な平滑値を選択して前記目標の未来位置を予測する目標追尾装置において、
等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて前記観測値から第1の平滑値と第1の予測値とを算出する等速直線運動カルマンフィルタ処理手段と、
蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて前記観測値から第2の平滑値と第2の予測値とを算出する蛇行運動カルマンフィルタ処理手段と、
第1及び第2の予測値に基づいて前記目標の運動状態を判別する運動判別処理手段と、
第2の平滑値の収束状況を判定する収束判定手段と、
前記運動判別処理手段が判別した前記目標の運動状態と前記収束判定手段が判定した収束状況とに基づいて、第1の平滑値と第2の平滑値とのいずれかを前記適切な平滑値として選択するフィルタ出力選択手段と、
を備えたことを特徴とする目標追尾装置。
In a target tracking device that calculates a plurality of smooth values from observed values of a target using a plurality of Kalman filters based on different motion models and predicts a future position of the target by selecting an appropriate smooth value from these smooth values ,
Constant velocity linear motion Kalman filter processing means for calculating a first smoothed value and a first predicted value from the observed value using a Kalman filter based on a constant velocity linear motion model;
Meandering Kalman filter processing means for calculating a second smoothed value and a second predicted value from the observed values using a Kalman filter based on a meandering motion model;
Motion discrimination processing means for discriminating the motion state of the target based on the first and second predicted values;
A convergence determining means for determining a convergence state of the second smooth value;
Based on the target motion state determined by the motion determination processing means and the convergence status determined by the convergence determination means, either the first smooth value or the second smooth value is set as the appropriate smooth value. Filter output selection means to select;
A target tracking device comprising:
前記運動判別処理手段は、前記第1及び第2の予測値から残差2次形式をそれぞれ算出するとともに、これらの各残差2次形式から前記各運動モデルの判定評価関数値を求め、これらの運動モデルの判定評価関数と所定のしきい値とを比較して、前記目標の運動状態を判別する、
ことを特徴とする請求項1に記載の目標追尾装置。
The motion discrimination processing means calculates a residual quadratic form from the first and second predicted values, calculates a determination evaluation function value of each motion model from each of the residual quadratic forms, and Comparing the evaluation function of the movement model of the movement model and a predetermined threshold value to determine the movement state of the target.
The target tracking device according to claim 1.
前記蛇行運動カルマンフィルタ処理手段は、正弦関数運動成分と等速直線運動成分とを含む蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて前記平滑値と予測値とを算出し、
前記収束判定手段は、前記蛇行運動モデルを構成する等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの方向の所定サンプル間における時間変位に基づいて前記第2の平滑値の収束状況を判定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の目標追尾装置。
The meandering Kalman filter processing means calculates the smooth value and the predicted value using a Kalman filter based on a meandering motion model including a sinusoidal motion component and a constant velocity linear motion component,
The convergence determination means determines a convergence state of the second smooth value based on a time displacement between predetermined samples in a direction of a smooth velocity vector of a constant velocity linear motion component constituting the meandering motion model;
The target tracking device according to claim 1.
前記収束判定手段は、前記第2の平滑値が収束したと判定した場合にあって、さらに第1の平滑値を取得して前記等速直線運動モデルの方向と前記蛇行運動モデルを構成する等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの方向との比較を行い、前記第2の平滑値の収束状況を判定する、
ことを特徴とする請求項3に記載の目標追尾装置。
In the case where it is determined that the second smooth value has converged, the convergence determination means further acquires the first smooth value to configure the direction of the constant velocity linear motion model and the meandering motion model, etc. Performing a comparison with the direction of the smooth velocity vector of the fast linear motion component to determine a convergence state of the second smooth value;
The target tracking device according to claim 3.
前記収束判定手段は、前記第2の平滑値から異なるサンプル時点における第1の未来位置と第2の未来位置とをそれぞれ予測し、これら第1の未来位置と第2の未来位置との距離を算出して、この距離に基づいて前記第2の平滑値の収束状況を判定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の目標追尾装置。
The convergence determination means predicts a first future position and a second future position at different sample times from the second smooth value, and calculates a distance between the first future position and the second future position. Calculating and determining a convergence state of the second smooth value based on the distance;
The target tracking device according to claim 1.
複数の定数加速度を有する運動を仮定する多重運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて前記観測値から平滑値と予測値とを算出する多重運動カルマンフィルタ処理手段、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の目標追尾装置。
A multi-motion Kalman filter processing means for calculating a smoothed value and a predicted value from the observed value using a Kalman filter based on a multi-motion model assuming a motion having a plurality of constant accelerations;
The target tracking device according to claim 1, further comprising:
前記収束判定手段は、前記第2の平滑値が収束したと判定した後に、前記蛇行運動モデルを構成する等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの方向が所定値を超えて変化した場合に前記第2の平滑値が未収束であると判定し、
前記フィルタ出力選択手段は、前記第2の平滑値が収束したと判定された後、前記平滑速度ベクトルの変化の結果として前記第2の平滑値が未収束であると判定された場合に、前記多重運動カルマンフィルタの平滑値を前記最適な平滑値として選択する、
ことを特徴とする請求項6に記載の目標追尾装置。
The convergence determining means determines that the second smoothing value has converged and then the first smoothing motion vector is changed when the direction of the smoothing velocity vector of the constant velocity linear motion component constituting the meandering motion model changes beyond a predetermined value. It is determined that the smooth value of 2 has not converged,
When it is determined that the second smooth value has not converged as a result of a change in the smoothing speed vector after the filter output selection unit determines that the second smooth value has converged, Selecting a smooth value of a multi-motion Kalman filter as the optimal smooth value;
The target tracking device according to claim 6.
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