JP4083131B2

JP4083131B2 - 並列多目標追尾システム

Info

Publication number: JP4083131B2
Application number: JP2004067564A
Authority: JP
Inventors: 明男山家; 潤薮田; 幸彦剱持
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: JP2005257386A

Description

この発明は、航空機や船舶等の移動体を対象とし、レーダ等のセンサから得られる移動体の観測情報に基づき、複数の目標の探知・追尾を行う追尾装置であって、特に、追尾処理を複数のＣＰＵで分担して行う並列多目標追尾システムに関するものである。

従来、電波を送信し、その反射波を受信することで周囲の物体に関する情報を獲得するレーダ装置が知られている。例えば、捜索レーダと呼ばれるレーダ装置においては、アンテナの回転等によって周囲を順次観測して目標である移動体を探知し、探知した移動体の観測値を時系列につなげて航跡とするいわゆる追尾を行う。追尾は、基本的に予測、観測値の選択（相関）、平滑の３つの処理からなる。追尾により作成される航跡は現在の位置と速度を状態として持ち、観測の度に逐次更新される。更新は、目標が観測される予測時刻における予測諸元を予測処理により求め、予測位置の周辺で観測された観測値をその航跡の観測値として選択し、予測諸元と観測位置を用いた平滑処理により行われる。観測値には観測雑音が含まれるため、上記平滑処理で雑音成分が抑圧され、滑らかな航跡を得ることができる。上記平滑処理はカルマンフィルタの原理に基づくものが一般的である。

相関処理において、実際には、予測位置の周辺に観測値が複数得られる場合がある。例えば、不要信号（目標以外の物体である地面、雲、山などからの観測値）が多く発生する場合や、目標が近接している高密度環境の場合などである。多目標追尾では、このような場合にどの航跡にどの観測値を相関づけるかという点でさまざまなアルゴリズムが知られており、NN(Nearest Neighbor)、JPDA(Joint Probabilistic Data Association)、MHT(Multiple Hypothesis Tracking)が有名である。

上記のような多目標追尾を複数のＣＰＵで実施して負荷を分散させるという要求に対する従来の技術として、特許文献１に開示された並列多目標追尾装置がある。航跡と観測値との相関処理においては航跡と観測値との組み合わせを考慮しなければならず、高密度環境になるほど組み合わせの数が爆発的に増加して処理負荷が高くなる。上記の従来の技術はこの相関処理を並列処理できるようにしたものであった。

特開２００１−０９９９２５号公報

レーダは、観測領域に対して時計回りの方向にアンテナを回転させるなどの方法で順次観測を行う。通常、レーダの受信処理が方位角範囲であるセクタごとに実施され、観測値もセクタごとにまとめて算出される。同時追尾目標数の増加や追尾処理の高度化によって追尾処理に要求される計算負荷は高まる。一方、ＣＰＵは安価に入手できるようになってきているため、追尾処理に複数の追尾処理用ＣＰＵ（以下単に追尾ＣＰＵと呼ぶ）が使用できる可能性は高い。捜索レーダにおいて、セクタ毎に逐次入力されてくる観測値を追尾処理する場合に、追尾性能を保持したままで追尾処理を複数のＣＰＵに分散させるには、各追尾ＣＰＵの処理実施タイミングや各ＣＰＵの担当処理範囲の決定などが課題となる。従来の技術は、上記の課題への対処は示されていなかった。

この発明はこのような問題を解決するためになされたもので、捜索レーダにおいて、複数のＣＰＵを活用して効率よく追尾処理を行うための並列多目標追尾システムを得ることを目的とする。

この発明に係る並列多目標追尾システムは、移動体を追尾する１個のレーダ等のセンサから得られる観測情報の処理に際し、移動体の追尾処理用に複数の追尾処理用ＣＰＵと観測値分配手段とを備え、上記各追尾処理用ＣＰＵに一つまたは連続する複数のセクタから
なる追尾担当領域を定め、上記各追尾処理用ＣＰＵは、自己の追尾担当領域およびそれと隣接する領域の航跡データのみを保持する機能と、自己の追尾担当領域およびそれと隣接する領域の観測値を得た時点で追尾処理を開始し、追尾処理終了時に、隣接する領域の追尾処理用ＣＰＵへ追尾処理結果の航跡を転送する機能と、航跡が複数の追尾処理用ＣＰＵで重複して更新されることがないようにする担当航跡判定機能とを備え、上記観測値分配手段は、目標観測装置から得られた観測値を、得られた観測値の発生領域を担当する追尾処理用ＣＰＵ及びその両隣のセクタを担当する追尾処理用ＣＰＵへのみ転送するようにしたことを特徴とするものである。

この発明によれば、各追尾ＣＰＵは処理担当範囲を領域で定義し、領域内の航跡を更新するようにしたので、捜索領域内の全航跡の追尾処理を並列に効率よく実行できる。

実施の形態１．
図３に捜索レーダによる観測方法の例を示す。レーダ１００は観測領域に対して矢印１０１で示す時計回りの観測方向にアンテナを回転させるなどの方法で、順次観測を行う。通常、レーダの受信処理が方位角範囲（セクタ）ごとに実施されて、観測値もセクタごとにまとめて算出される。図では、セクタＳ１〜セクタＳ６を示している。なお、１０２は観測値、１０３は航跡、１０４はゲートをそれぞれ示している。

図１は本発明の実施の形態１に係る並列多目標追尾システムのブロック構成図である。本発明に係る並列多目標追尾システムは、移動体の位置を観測するレーダ等のセンサである目標観測装置１からの信号を処理する目標追尾装置２を有する。目標追尾装置２内には、目標観測装置１で得られてセクタごとに入力される観測値を、その観測値の得られたセクタを担当する追尾ＣＰＵおよびそのセクタに隣接するセクタを担当する追尾ＣＰＵに転送する観測値分配部３と、バスやＬＡＮ等の通信路４と、複数の追尾ＣＰＵ１０（＝ＣＰＵ＃１）、２０（＝ＣＰＵ＃２）・・・を備え、観測値分配部３は、追尾ＣＰＵ１０、２０・・・と通信路４で結ばれている。追尾ＣＰＵはN個（ＣＰＵ＃１、ＣＰＵ＃２・・・ＣＰＵ＃Ｎ）あるものとし、各追尾ＣＰＵは、１つあるいは連続する複数のセクタを追尾処理担当として割り当てられる。

各追尾ＣＰＵの構成は等しく、それぞれは、現観測時刻より１観測時刻前に算出しておいた平滑諸元を基に現観測時刻における目標位置、速度等の予測諸元を算出する予測処理部１１、予測処理部１１からの予測諸元に基づいて目標の存在の可能性のある領域（ゲート）を算出し、観測値分配部３から入力される観測値のうち、ゲート内の観測値を追尾目標と相関の可能性があるとして選択するゲート処理部１２、ゲート内観測値と航跡との対応付けに関わる計算を行う相関処理部１３、予測諸元および観測値に基づいて現観測時刻の目標位置や速度等の平滑諸元を算出し、航跡データとして出力する航跡更新部１４、航跡更新部１４で平滑諸元として算出される追尾航跡の航跡データを記憶する航跡データ記憶部１５を備えている。各追尾ＣＰＵが保持する航跡データは、各追尾ＣＰＵの担当セクタ内の航跡および担当セクタの前後のセクタを担当する追尾ＣＰＵが保持している航跡である。これらは区別して管理する。前後の追尾ＣＰＵの航跡データは、各追尾ＣＰＵから転送される。さらに、航跡更新部１４による処理を終了した時点の航跡データ１５を参照して、追尾ＣＰＵの担当航跡を決定する担当航跡判定部１６を備えている。

次に、図１および図３を参照して動作を説明する。
（１）各追尾ＣＰＵがどのセクタを担当するかをあらかじめ決定し、観測値分配部３がその情報を保持する。例えば、不要信号が出やすいセクタは処理負荷が高くなりがちなので、そのＣＰＵが予め分かっていれば、処理負荷が高くなりがちなので、一つのＣＰＵでそのセクタを担当し、不要信号の出ないセクタは複数まとめて一つのＣＰＵで担当する。
（２）観測値分配部３は、目標観測装置１からあるセクタの観測値が入力されると、そのセクタを担当する追尾ＣＰＵおよびその両隣のセクタを担当する追尾ＣＰＵへその観測値を転送する。
（３）各追尾ＣＰＵは、両隣の追尾ＣＰＵの担当するセクタ内の観測値がすべて転送されてきた時点で追尾処理を実行する。

例えば、追尾ＣＰＵ#１の担当セクタを｛Ｓ１｝、追尾ＣＰＵ#２の担当セクタを｛Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４｝、追尾ＣＰＵ#３の担当セクタを｛Ｓ５，Ｓ６｝とする。この場合、セクタＳ１の観測値は追尾ＣＰＵ#１と#２に転送される。セクタＳ２の観測値は追尾ＣＰＵ#１と#２へ、セクタＳ３の観測値は追尾ＣＰＵ#２へ、セクタＳ４の観測値は追尾ＣＰＵ#２と#３へ、セクタＳ５の観測値は追尾ＣＰＵ#２と#３へ、セクタＳ６の観測値は追尾ＣＰＵ#３へそれぞれ転送されることになる。

各追尾ＣＰＵの動作は以下のとおりである。
（１）予測処理部１１が、航跡データ１５内に保持してある前観測時刻における平滑諸元に基づき、担当セクタの観測値の観測時刻における予測諸元を算出する。
（２）ゲート処理部１２が、航跡毎にゲート内の観測値を求める。
（３）相関処理部１３が、どの航跡がどのゲート内観測値と相関するかについて決定をする。なお、どの航跡とも相関しない観測値は、新たに出現した目標の１個目の観測値とされたり、不要信号とみなして捨てられたりする。
（４）航跡更新部１４が、追尾担当セクタ内の航跡についてのみ平滑諸元を算出し、航跡データとして航跡データ記憶部１５に保存する。
（５）担当航跡判定部１６が、一つ前の観測時に担当セクタ内にあった航跡が担当外セクタに移動したかどうか、また、一つ前の観測時に担当セクタの隣接セクタにあった航跡が担当セクタ内に入ってきているかを判定し、航跡の移動があったと判定した場合に移動航跡を隣接ＣＰＵに教える。１スキャン（観測領域全体を観測する期間）の間に２回更新されることを防ぐために、担当航跡の移動が反映されるのは、次のスキャンからとする。
（６）平滑処理の終わった追尾ＣＰＵは、両隣の担当セクタの航跡データを隣接する追尾ＣＰＵへ転送する。

上記の例を用いると、追尾ＣＰＵ#２はセクタＳ５の観測値を得た時点で追尾処理が実行される。セクタＳ２からセクタＳ４の観測時刻の平均値を現時刻とおく。現時刻における予測諸元をセクタＳ１〜Ｓ５内の航跡について算出する。セクタＳ１の航跡が追尾ＣＰＵ#１によって更新されている必要はない。さらに、各航跡についてゲート内の観測値を選択する。相関処理において、セクタＳ１〜Ｓ５の航跡および観測値について相関づけを行う。各航跡の相関観測値を用いて平滑処理を実施し、担当セクタＳ２〜Ｓ４内の航跡についてのみ航跡データを更新する。隣接セクタであるのセクタＳ１の航跡データについては、追尾ＣＰＵ#１の追尾処理が終了して送られてくるセクタＳ１の航跡データを保持する。もうひとつの隣接セクタＳ５の航跡データについても追尾ＣＰＵ#３の追尾処理が終了して送られてくる航跡データを保持する。また、このとき担当セクタ外へ移動したと判定された航跡および担当セクタ外から移動してきた航跡については、移動先／元のセクタを担当する追尾ＣＰＵに連絡し、追尾ＣＰＵによる航跡管理を排他的に行う。

実施の形態１によれば、各追尾ＣＰＵは処理担当範囲を領域で定義し、領域内の航跡を更新するようにしたので、捜索領域内の全航跡の追尾処理を並列に実行できる。また、観測値配分部が追尾ＣＰＵの担当セクタを把握しており（知っており）、観測値の入力されたセクタと関連のある追尾ＣＰＵにのみ観測値を転送するようにしたので、観測値の転送対象を容易に判断でき、関係ないＣＰＵへ観測値を転送するような転送量の無駄を廃することができる。また、追尾処理は、更新対象領域の航跡および観測値と、その隣接領域の航跡および観測値を使用して実施するようにしたので、追尾ＣＰＵの割り当ての境界部分での追尾性能が保持される。同時に、各追尾ＣＰＵは担当セクタとその両隣のセクタ内の航跡データのみを保持するようにしたので、追尾ＣＰＵ間の通信が必要最小限に抑えることができる。

実施の形態２．
以下に、この発明の実施の形態２を説明する。図２はこの発明の実施の形態２を示すブロック構成図である。実施の形態１の図１と同様の構成部分には同じ符号を付して、再度の説明を省略する。本実施の形態２の各追尾ＣＰＵ１０、２０・・・には、各追尾ＣＰＵの処理負荷を見積もる負荷評価部１７が付加されている。また、目標追尾装置２には、負荷評価部１７からの各ＣＰＵの負荷状況に基づいて各追尾ＣＰＵの担当領域を決定する負荷分散部５と、負荷分散部５からの各追尾ＣＰＵの担当セクタ割り当てに従って観測値を該当追尾ＣＰＵに転送する観測値分配部６とが設けられている。

次に動作を説明する。以下に述べる内容以外は実施の形態１と同じである。各追尾ＣＰＵは、追尾処理終了後、負荷評価部１７が追尾ＣＰＵの処理負荷を評価して負荷分散部５へ負荷状況を転送する。処理負荷は、例えば、追尾ＣＰＵが保持している航跡データ数などに基づいて、航跡データ数が多いと負荷が高くなるように評価する。負荷分散部５は、各追尾ＣＰＵの負荷状況に基づいて各追尾ＣＰＵの担当領域を調整する。負荷の高い追尾ＣＰＵは担当セクタ数を減らすようにする。例えば、隣の追尾ＣＰＵの負荷をその担当セクタ数で割った値と、当追尾ＣＰＵの負荷を担当セクタ数で割った値とを比較して、２倍以上の差があれば、負荷の高いほうのＣＰＵに割り当てられているセクタを負荷の低いＣＰＵが担当するように変更するなどの手法が考えられる。担当の追尾ＣＰＵが変更となったセクタ内の航跡デー
タを担当が変わった追尾ＣＰＵ同士で交換する。なお、現在観測しているセクタと十分離れたセクタを担当する追尾ＣＰＵで、追尾処理中でない追尾ＣＰＵを対象とする。

実施の形態２によれば、負荷状況に応じて処理範囲を変更できるようにしたので、追尾ＣＰＵごとの負荷が分散されて、並列化の効果をさらに高めることができる。

この発明は探索レーダの追尾信号処理に適用できる。

図１はこの発明の実施の形態１に係る並列多目標追尾システムを示すブロック図である。図２はこの発明の実施の形態２に係る並列多目標追尾システムを示すブロック図である。図３は捜索レーダの観測の仕方を例示した図である。

符号の説明

１目標観測装置、２目標追尾装置、
３観測値分配部、４通信路、
５負荷分散部、６観測値分配部、
１０追尾ＣＰＵ、１１予測処理部、
１２ゲート処理部、１３相関処理部、
１４航跡更新部、１５航跡データ記憶部、
１６担当航跡判定部、１７負荷評価部、
２０追尾ＣＰＵ、１００捜索レーダ、
１０１アンテナ回転方向１０２観測値、
１０３航跡、１０４ゲート。

Claims

移動体を追尾する１個のレーダ等のセンサから得られる観測情報の処理に際し、移動体の追尾処理用に複数の追尾処理用ＣＰＵと観測値分配手段とを備え、上記各追尾処理用ＣＰＵに一つまたは連続する複数のセクタからなる追尾担当領域を定め、上記各追尾処理用ＣＰＵは、自己の追尾担当領域およびそれと隣接する領域の航跡データのみを保持する機能と、自己の追尾担当領域およびそれと隣接する領域の観測値を得た時点で追尾処理を開始し、追尾処理終了時に、隣接する領域の追尾処理用ＣＰＵへ追尾処理結果の航跡を転送する機能と、航跡が複数の追尾処理用ＣＰＵで重複して更新されることがないようにする担当航跡判定機能とを備え、上記観測値分配手段は、目標観測装置から得られた観測値を、得られた観測値の発生領域を担当する追尾処理用ＣＰＵ及びその両隣のセクタを担当する追尾処理用ＣＰＵへのみ転送するようにしたことを特徴とする並列多目標追尾システム。
上記各追尾処理用ＣＰＵは、自己の追尾担当領域内の航跡と観測値および自己の追尾担当領域と隣接する領域内の航跡および観測値を用いて自己の追尾担当領域内の航跡の更新を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の並列多目標追尾システム。
上記各追尾処理用ＣＰＵの追尾処理負荷を見積もる負荷評価手段と、負荷に応じて上記各追尾処理用ＣＰＵの追尾担当領域を変更する負荷分散手段とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の並列多目標追尾システム。