主要内容

多目标跟踪简介“，

背景

跟踪对自主系统的制导、导航和控制至关重要。跟踪系统估计目标(目标数量及其状态)，并通过检测(运动参数和属性)评估感兴趣区域的态势环境，并随时间跟踪这些目标。最简单的跟踪系统是无杂波环境中的单目标跟踪(STT)系统，该系统只假设感兴趣区域中的一个目标。STT不需要数据分配或关联，因为独立目标的检测可以直接提供给估计器或用于估计目标状态的过滤器。

现代跟踪系统通常涉及多目标跟踪(MTT)系统，其中一个或多个传感器从多个目标产生多个检测，并使用一个或多个跟踪来估计这些目标的状态。MTT必须将检测分配给航迹，然后才能使用检测更新航迹。MTT分配问题具有挑战性，因为以下几个因素:

  • 目标或检测分布——如果目标是稀疏分布的，那么将目标与相应的检测关联起来相对容易。然而，如果目标或检测是密集分布的，分配就会变得模糊，因为将目标分配给一个检测或附近的检测几乎不会在成本上产生任何差异。

  • 被发现的概率(Pd)的传感器-Pd描述如果目标在传感器的视场内，则该目标被传感器检测到的概率。如果Pd的值很小，那么在传感器扫描过程中，真正的目标可能不会产生任何检测。因此，由真实目标所代表的航迹可能会窃取其他航迹的检测。

  • 传感器分辨率——传感器分辨率决定了传感器区分来自两个目标的检测的能力。如果传感器分辨率较低，那么两个接近的目标可能只产生一次探测。这违反了通常的假设，即每个检测只能分配到一个轨道，并导致轨道之间不可解决的分配冲突。

  • 传感器的杂波或虚警率—虚警引入了额外的可能分配，因此增加了数据分配的复杂性。

  • 目标和检测的数量——可能分配的数量随着目标和检测数量的增加呈指数增长。因此，获得最优分配需要更多的计算。

MTT系统的组成部分

跟踪系统要素

图中给出了一个简单递归MTT系统的功能元素的结构表示[1]．在现实世界的应用程序中，这些元素的功能可能会大量重叠。然而，这种表示方式提供了一种方便的分区，以引入MTT系统中的典型功能。

为了解释这个图，假设跟踪器保持了来自前一次扫描的确认或暂定跟踪。现在，系统考虑是否根据从传感器接收到的任何新探测到的轨迹进行更新。将检测分配到相应的轨道:

  1. 内部过滤器(如卡尔曼过滤器)预测从上一步到当前步骤的确认或试探性轨迹。

  2. 跟踪器使用预测估计和协方差在预测轨迹周围形成一个验证门。

  3. 落在轨道门内的检测被认为是分配到轨道的候选者。

  4. 分配算法(基于特定的跟踪器，如GNN或TOMHT)确定跟踪到检测的关联。

  5. 基于分配，跟踪器执行跟踪维护，包括初始化、确认和删除:

    • 未分配的观测可以启动新的试探性轨迹。

    • 如果轨道的质量满足确认标准，则临时轨道被确认。

    • 低质量的音轨会根据删除标准进行删除。

  6. 新的轨迹集(暂定和确认)被预测到下一个扫描步骤，以形成验证门。

检测

检测一个集合术语是用来指报告输出中包含的所有观察到或测量到的数量(参见objectDetection例如)从传感器。一般来说，观测结果可能包含测量的运动学量(如距离、视线和距离-速率)和测量的属性(如目标类型、识别号和形状)。检测还应包含获得测量值的时间。

对于点目标跟踪，从单个传感器扫描接收到的检测最多可以包含来自每个目标的一个观测结果。这个假设大大简化了分配问题。一个传感器可以对其视野内的目标产生零检测，因为检测的概率，Pd的值通常小于1。此外，每个传感器都可以产生与真实目标不对应的虚警检测。

高分辨率传感器可能会对每个目标产生多个检测，这需要将检测划分为一个具有代表性的检测，然后再提供给基于分配的跟踪器(如trackerGNN，trackerJPDA,trackerTOMHT)．看到基于雷达和摄像机的公路车辆扩展目标跟踪了解更多细节。

门控和分配

有关门控和分配的详细信息，请参见跟踪系统分配方法导论，其中全面介绍了赋值方法。本节只介绍三种基于赋值的跟踪器中使用的门控和赋值的基础知识，trackerGNN，trackerJPDA,trackerTOMHT．

门控是一种筛选机制，用于确定哪些检测是更新现有轨道的有效候选。门控的目的是减少在轨迹检测分配中不必要的计算。利用预测状态及其相关的协方差形成预测航迹的验证门，使具有高关联概率的检测落在航迹的验证门内。只有在轨迹门内的检测才被考虑与轨迹分配。

门控之后，赋值函数确定要进行哪些track-to-detection赋值。在工具箱中的三个跟踪器中使用三种赋值方法:

  • trackerGNN—全局最近数据关联。基于似然理论，GNN方法的目标是最小化考虑所有跟踪到检测分配的总体距离函数。

  • trackerJPDA-联合概率数据关联。JPDA方法应用了软分配，这样在轨迹的验证门内的检测都可以基于它们的关联概率对轨迹做出加权贡献。

  • trackerTOMHT-面向轨迹的多假设跟踪。与GNN和JPDA不同，MHT是一种延迟决策方法，它允许将困难的数据关联情况推迟到接收到更多的信息。

使用哪个跟踪器的决定取决于目标的类型和可用的计算资源:

  • GNN算法是最简单的。它具有较低的计算成本，可以在跟踪稀疏分布的目标时获得良好的性能。

  • JPDA算法需要更多的计算成本，也适用于大间距目标。它通常在杂波环境中比GNN表现更好。

  • TOMHT跟踪器需要大量的计算资源，通常在所有三种跟踪器中性能最好，特别是对于分布密集的目标。

有关更多详细信息，请参见在模糊度下跟踪距离近的目标这三种跟踪器的比较示例。

跟踪维护

航迹维护是指航迹发起、确认和删除的功能。

跟踪起始．当一个检测没有分配给一个现有的轨道时，可能需要创建一个新的轨道:

  • GNN方法在未分配到现有轨道的观测数据上启动新的试探性轨道。

  • JPDA方法在分配概率低于指定阈值的观测上开始新的试探性跟踪。

  • MHT方法在与现有航迹的距离大于指定阈值的观测数据上启动新的试探性航迹。跟踪器使用后续数据来确定哪些新启动的跟踪是有效的。

跟踪确认．一旦形成了一个试探性的音轨，确认逻辑就会确定音轨的状态。工具箱中使用了三种轨道确认逻辑:

  • 历史逻辑:如果一个航迹至少被分配给一个检测，则该航迹被确认米上一次的更新N更新。的具体值米而且N．trackerGNN而且trackerJPDA使用这个逻辑。

  • 轨迹评分逻辑:轨迹评分高于指定阈值时，轨迹被确认。音轨得分越高，音轨越有可能是有效的。分数是轨迹来自真实目标的概率与轨迹为假的概率之比。trackerGNN而且trackerTOMHT使用这个逻辑。

  • 综合逻辑:如果一条轨迹的综合存在概率高于阈值，则该轨迹被确认。trackerJPDA使用这个逻辑。

记录删除．如果一个音轨在合理的时间内没有更新，它就会被删除。履带删除条件与履带确认条件类似:

  • 历史逻辑:如果一个音轨至少没有被分配给某个检测，则该音轨将被删除P最近的时间R更新。

  • 音轨评分逻辑:如果音轨的评分从最大评分下降到指定的阈值，则删除音轨。

  • 综合逻辑:当一条轨迹的综合存在概率低于指定的阈值时，该轨迹将被删除。

有关更多详细信息，请参见履带逻辑导论的例子。

过滤

跟踪滤波器的主要功能有:

  1. 预测到当前时间的轨迹。

  2. 计算从预测轨迹到检测的距离，以及门控和分配的相关可能性。

  3. 使用指定的检测修正预测的轨迹。

传感器融合和跟踪工具箱™提供了多个跟踪过滤器，可与三种基于分配的跟踪器(trackerGNN，trackerJPDA,trackerTOMHT)．有关这些过滤器的全面介绍，请参见估计滤波器简介．

跟踪指标

传感器融合和跟踪工具箱提供了在已知真相的情况下分析跟踪性能的工具:

  • 你可以用trackAssignmentMetrics评估轨道分配和维护的性能。trackAssignmentMetrics提供诸如轨迹交换的数量、发散步骤的数量和冗余分配的数量等索引。

  • 你可以用trackErrorMetrics评估跟踪的准确性。trackErrorMetrics提供多个均方根(RMS)误差值，以数值形式说明跟踪器的精度性能。

  • 你可以用trackOSPAMetric计算最优子模式分配度量。trackErrorMetrics提供三个标量错误组件——定位错误、标签错误和基数错误，以评估跟踪性能。

Non-Assignment-Based追踪器

trackerGNN，trackerJPDA,trackerTOMHT是基于分配的跟踪器，这意味着需要进行从跟踪到检测的分配。该工具箱还提供了一个基于随机有限集(RFS)的跟踪器，trackerPHD．您可以使用它的支持特性万博1manbetxggiwphd跟踪扩展对象和gmphd跟踪扩展对象和点目标。

另请参阅

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参考文献

[1]布莱克曼，S.和R.波波利。现代跟踪系统的设计与分析。Artech House雷达图书馆，波士顿，1999年。

[2] Musicki D.和R. Evans。联合综合概率数据协会:JIPDA。航空航天和电子系统IEEE汇刊。2004年第3期第40卷第1093 -1099页。

[3]魏士曼j.r ..多假设跟踪计算效率版本的逐步描述。在国际光学与光子学学会1992年，《中华人民共和国学报》第1698卷第228 - 301页。