ATC Trajectory Reconstruction for Automated Evaluation of Sensor and Tracker Performance

Currently most air traffic controller decisions are based on the information provided by the ground support tools provided by automation systems, based on a network of surveillance sensors and the associated tracker. To guarantee surveillance integrity, it is clear that performance assessments of the different elements of the surveillance system are necessary. Due to the evolution suffered by the surveillance processing chain in the recent past, its complexity has been increased by the integration of new sensor types (e.g., automatic dependent surveillance-broadcast [ADS-B], Mode S radars, and wide area multilateration [WAM]), data link applications, and networking technologies. With new sensors, there is a need for system-level performance evaluations as well as methods for establishing assessment at each component of the tracking evaluation.This work was funded by contract EUROCONTROL’s TRES, by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness under grants CICYT TEC2008-06732/TEC and CYCIT TEC2011-28626, and by the Government of Madrid under grant S2009/TIC-1485 (CONTEXTS).Publicad

Joint Registration and Fusion of an Infra-Red Camera and Scanning Radar in a Maritime Context

The number of nodes in sensor networks is continually increasing, and maintaining accurate track estimates inside their common surveillance region is a critical necessity. Modern sensor platforms are likely to carry a range of different sensor modalities, all providing data at differing rates, and with varying degrees of uncertainty. These factors complicate the fusion problem as multiple observation models are required, along with a dynamic prediction model. However, the problem is exacerbated when sensors are not registered correctly with respect to each other, i.e. if they are subject to a static or dynamic bias. In this case, measurements from different sensors may correspond to the same target, but do not correlate with each other when in the same Frame of Reference (FoR), which decreases track accuracy. This paper presents a method to jointly estimate the state of multiple targets in a surveillance region, and to correctly register a radar and an Infrared Search and Track (IRST) system onto the same FoR to perform sensor fusion. Previous work using this type of parent-offspring process has been successful when calibrating a pair of cameras, but has never been attempted on a heterogeneous sensor network, nor in a maritime environment. This article presents results on both simulated scenarios and a segment of real data that show a significant increase in track quality in comparison to using incorrectly calibrated sensors or single-radar only

Multistatic Tracking with the Maximum Likelihood Probabilistic Multi-Hypothesis Tracker

Multistatic sonar tracking is a difficult proposition. The ocean environment typically features very complex propagation conditions, causing low target probabilities of detection and high clutter levels. Additionally, most sonar targets are relatively low speed, which makes it difficult to use Doppler (if available) to separate target returns from clutter returns. The Maximum Likelihood Probabilistic Data Association Tracker (ML-PDA) and the Maximum Likelihood Probabilistic Multi-Hypothesis Tracker (ML-PMHT) --- a similar algorithm to ML-PDA --- can be implemented as effective multistatic trackers. This dissertation will develop a tracking framework for these algorithms. This framework will focus mainly on ML-PMHT, which has an inherent advantage in that its log-likelihood ratio (LLR) has a simple multitarget formulation, which allows it to be implemented as a true multitarget tracker. First, this multitarget LLR will be implemented for ML-PMHT, which will give it superior performance over ML-PDA for instances where multiple targets are closely spaced with similar motion dynamics. Next, the performance of ML-PMHT will be compared when it is applied in Cartesian measurement space and in delay-bearing measurement space, where the measurement covariance is more accurately represented. Following this, a maneuver-model parameterization will be introduced that will allow ML-PDA and ML-PMHT to follow sharply maneuvering targets; their previous straight-line parameterization only allowed them to follow moderately maneuvering targets. Finally, a novel method of determining a tracking threshold for ML-PMHT will be developed by applying extreme value theory to the probabilistic properties of the clutter. This will also be done with target measurements, which will allow the issue of trackability for ML-PMHT to be explored. Probabilistic expressions for the maximum values of the LLR surface caused by both clutter and the target will be developed, which will allow for the determination of target trackability in any given scenario

Maritime Moving Target Detection, Tracking and Geocoding Using Range-Compressed Airborne Radar Data

Eine regelmäßige und großflächige überwachung des Schiffsverkehrs gewinnt zunehmend an Bedeutung, vor allem auch um maritime Gefahrenlagen und illegale Aktivitäten rechtzeitig zu erkennen. Heutzutage werden dafür überwiegend das automatische Identifikationssystem (AIS) und stationäre Radarstationen an den Küsten eingesetzt. Luft- und weltraumgestützte Radarsensoren, die unabhängig vom Wetter und Tageslicht Daten liefern, können die vorgenannten Systeme sehr gut ergänzen. So können sie beispielsweise Schiffe detektieren, die nicht mit AIS-Transpondern ausgestattet sind oder die sich außerhalb der Reichweite der stationären AIS- und Radarstationen befinden. Luftgestützte Radarsensoren ermöglichen eine quasi-kontinuierliche Beobachtung von räumlich begrenzten Gebieten. Im Gegensatz dazu bieten weltraumgestützte Radare eine große räumliche Abdeckung, haben aber den Nachteil einer geringeren temporalen Abdeckung. In dieser Dissertation wird ein umfassendes Konzept für die Verarbeitung von Radardaten für die Schiffsverkehr-überwachung mit luftgestützten Radarsensoren vorgestellt. Die Hauptkomponenten dieses Konzepts sind die Detektion, das Tracking, die Geokodierung, die Bildgebung und die Fusion mit AIS-Daten. Im Rahmen der Dissertation wurden neuartige Algorithmen für die ersten drei Komponenten entwickelt. Die Algorithmen sind so aufgebaut, dass sie sich prinzipiell für zukünftige Echtzeitanwendungen eignen, die eine Verarbeitung an Bord der Radarplattform erfordern. Darüber hinaus eignen sich die Algorithmen auch für beliebige, nicht-lineare Flugpfade der Radarplattform. Sie sind auch robust gegenüber Lagewinkeländerungen, die während der Datenerfassung aufgrund von Luftturbulenzen jederzeit auftreten können. Die für die Untersuchungen verwendeten Daten sind ausschließlich entfernungskomprimierte Radardaten. Da das Signal-Rausch-Verhältnis von Flugzeugradar-Daten im Allgemeinen sehr hoch ist, benötigen die neuentwickelten Algorithmen keine vollständig fokussierten Radarbilder. Dies reduziert die Gesamtverarbeitungszeit erheblich und ebnet den Weg für zukünftige Echtzeitanwendungen. Der entwickelte neuartige Schiffsdetektor arbeitet direkt im Entfernungs-Doppler-Bereich mit sehr kurzen kohärenten Verarbeitungsintervallen (CPIs) der entfernungskomprimierten Radardaten. Aufgrund der sehr kurzen CPIs werden die detektierten Ziele im Dopplerbereich fokussiert abgebildet. Wenn sich die Schiffe zusätzlich mit einer bestimmten Radialgeschwindigkeit bewegen, werden ihre Signale aus dem Clutter-Bereich hinausgeschoben. Dies erhöht das Verhältnis von Signal- zu Clutter-Energie und verbessert somit die Detektierbarkeit. Die Genauigkeit der Detektion hängt stark von der Qualität der von der Meeresoberfläche rückgestreuten Radardaten ab, die für die Schätzung der Clutter-Statistik verwendet werden. Diese wird benötigt, um einen Detektions-Schwellenwert für eine konstante Fehlalarmrate (CFAR) abzuleiten und die Anzahl der Fehlalarme niedrig zu halten. Daher umfasst der vorgeschlagene Detektor auch eine neuartige Methode zur automatischen Extraktion von Trainingsdaten für die Statistikschätzung sowie geeignete Ozean-Clutter-Modelle. Da es sich bei Schiffen um ausgedehnte Ziele handelt, die in hochauflösenden Radardaten mehr als eine Auflösungszelle belegen, werden nach der Detektion mehrere von einem Ziel stammende Pixel zu einem physischen Objekten zusammengefasst, das dann in aufeinanderfolgenden CPIs mit Hilfe eines Bewegungsmodells und eines neuen Mehrzielverfolgungs-Algorithmus (Multi-Target Tracking) getrackt wird. Während des Trackings werden falsche Zielspuren und Geisterzielspuren automatisch erkannt und durch ein leistungsfähiges datenbankbasiertes Track-Management-System terminiert. Die Zielspuren im Entfernungs-Doppler-Bereich werden geokodiert bzw. auf den Boden projiziert, nachdem die Einfallswinkel (DOA) aller Track-Punkte geschätzt wurden. Es werden verschiedene Methoden zur Schätzung der DOA-Winkel für ausgedehnte Ziele vorgeschlagen und anhand von echten Radardaten, die Signale von echten Schiffen beinhalten, bewertet

Mathematical Models and Monte-Carlo Algorithms for Improved Detection of Targets in the Commercial Maritime Domain

Commercial Vessel Traffic Monitoring Services (VTMSs) are widely used by port authorities and the military to improve the safety and efficiency of navigation, as well as to ensure the security of ports and marine life as a whole. Technology based on the Kalman Filtering framework is in widespread use in modern operational VTMS systems. At a research level, there has also been a significant interest in Particle Filters, which are widely researched but far less widely applied to deliver an operational advantage. The Monte-Carlo nature of Particle Filters places them as the ideal candidate for solving the highly non-linear, non-Gaussian problems encountered by modern VTMS systems. However, somewhat counter-intuitively, while Particle Filters are best suited to exploit such non-linear, non-Gaussian problems, they are most frequently used within a context that is mostly linear and Gaussian. The engineering challenge tackled by the PhD project reported in this thesis was to study and experiment with models that are well placed to capitalise on the abilities of Particle Filters and to develop solutions that make use of such models to deliver a direct operational advantage in real applications within the commercial maritime domain

Novel methods for multi-target tracking with applications in sensor registration and fusion

Maintaining surveillance over vast volumes of space is an increasingly important capability for the defence industry. A clearer and more accurate picture of a surveillance region could be obtained through sensor fusion between a network of sensors. However, this accurate picture is dependent on the sensor registration being resolved. Any inaccuracies in sensor location or orientation can manifest themselves into the sensor measurements that are used in the fusion process, and lead to poor target tracking performance. Solutions previously proposed in the literature for the sensor registration problem have been based on a number of assumptions that do not always hold in practice, such as having a synchronous network and having small, static registration errors. This thesis will propose a number of solutions to resolving the sensor registration and sensor fusion problems jointly in an efficient manner. The assumptions made in previous works will be loosened or removed, making the solutions more applicable to problems that we are likely to see in practice. The proposed methods will be applied to both simulated data, and a segment of data taken from a live trial in the field

Moving target detection in multi-static GNSS-based passive radar based on multi-Bernoulli filter

Over the past few years, the global navigation satellite system (GNSS)-based passive radar (GBPR) has attracted more and more attention and has developed very quickly. However, the low power level of GNSS signal limits its application. To enhance the ability of moving target detection, a multi-static GBPR (MsGBPR) system is considered in this paper, and a modified iterated-corrector multi-Bernoulli (ICMB) filter is also proposed. The likelihood ratio model of the MsGBPR with range-Doppler map is first presented. Then, a signal-to-noise ratio (SNR) online estimation method is proposed, which can estimate the fluctuating and unknown map SNR effectively. After that, a modified ICMB filter and its sequential Monte Carlo (SMC) implementation are proposed, which can update all measurements from multi-transmitters in the optimum order (ascending order). Moreover, based on the proposed method, a moving target detecting framework using MsGBPR data is also presented. Finally, performance of the proposed method is demonstrated by numerical simulations and preliminary experimental results, and it is shown that the position and velocity of the moving target can be estimated accuratel

Improvement of detection and tracking techniques in multistatic passive radar systems. (Mejora de técnicas de detección y seguimiento en sistemas radar pasivos multiestáticos)

Esta tesis doctoral es el resultado de una intensa actividad investigadora centrada en los sensores radar pasivos para la mejora de las capacidades de detección y seguimiento en escenarios complejos con blancos terrestres y pequeños drones. El trabajo de investigación se ha llevado a cabo en el grupo de investigación coordinado por la Dra. María Pilar Jarabo Amores, dentro del marco diferentes proyectos: IDEPAR (“Improved DEtection techniques for PAssive Radars”), MASTERSAT (“MultichAnnel paSsive radar receiver exploiting TERrestrial and SATellite Illuminators”) y KRIPTON (“A Knowledge based appRoach to passIve radar detection using wideband sPace adapTive prOcessiNg”) financiados por el Ministerio de Economía y Competitividad de España; MAPIS (Multichannel passive ISAR imaging for military applications) y JAMPAR (“JAMmer-based PAssive Radar”), financiados por la Agencia Europea de Defensa (EDA) . El objetivo principal es la mejora de las técnicas de detección y seguimiento en radares pasivos con configuraciones biestáticas y multiestaticas. En el documento se desarrollan algoritmos para el aprovechamiento de señales procedentes de distintos iluminadores de oportunidad (transmisores DVB-T, satélites DVB-S y señales GPS). Las soluciones propuestas han sido integradas en el demostrador tecnológico IDEPAR, desarrollado y actualizado bajo los proyectos mencionados, y validadas en escenarios reales declarados de interés por potenciales usuarios finales (Direccion general de armamento y material, instituto nacional de tecnología aeroespacial y la armada española). Para el desarrollo y evaluación de cadenas de las cadenas de procesado, se plantean dos casos de estudio: blancos terrestres en escenarios semiurbanos edificios y pequeños blancos aéreos en escenarios rurales y costeros. Las principales contribuciones se pueden resumir en los siguientes puntos: • Diseño de técnicas de seguimiento 2D en el espacio de trabajo rango biestático-frecuencia Doppler: se desarrollan técnicas de seguimiento para los dos casos de estudio, localización de blancos terrestres y pequeños drones. Para es último se implementan técnicas capaces de seguir tanto el movimiento del dron como su firma Doppler, lo que permite implementar técnicas de clasificación de blancos. • Diseño de técnicas de seguimiento de blancos capaces de integrar información en el espacio 3D (rango, Doppler y acimut): se diseñan técnicas basadas en procesado en dos etapas, una primera con seguimiento en 2D para el filtrado de falsas alarmas y la segunda para el seguimiento en 3D y la conversión de coordenadas a un plano local cartesiano. Se comparan soluciones basadas en filtros de Kalman para sistemas tanto lineales como no lineales. • Diseño de cadenas de procesado para sistemas multiestáticos: la información estimada del blanco sobre múltiples geometrías biestáticas es utilizada para incremento de las capacidades de localización del blanco en el plano cartesiano local. Se presentan soluciones basadas en filtros de Kalman para sistemas no lineales explotando diferentes medidas biestáticas en el proceso de transformación de coordenadas, analizando las mejoras de precisión en la localización del blanco. • Diseño de etapas de procesado para radares pasivos basados en señales satelitales de las constelaciones GPS DVB-S. Se estudian las características de las señales satelitales identificando sus inconvenientes y proponiendo cadenas de procesado que permitan su utilización para la detección y seguimiento de blancos terrestres. • Estudio del uso de señales DVB-T multicanal con gaps de transmisión entre los diferentes canales en sistemas radares pasivos. Con ello se incrementa la resolución del sistema, y las capacidades de detección, seguimiento y localización. Se estudia el modelo de señal multicanal, sus efectos sobre el procesado coherente y se proponen cadenas de procesado para paliar los efectos adversos de este tipo de señales