O problema de rastreio de aviões ágeis, sob altas acelerações, utilizando-se de filtros recursivos de estimação, necessita de modelos suficientemente sofisticados para a determinação de trajetórias com precisão desejável. Como conseqüência, surge a complexidade do algoritmo de estimação, que suscita métodos mais elaborados e com maior demanda de recursos computacionais, tanto para o tratamento de não linearidades do modelo quanto para a manipulação de um número maior de variáveis de estado que o caracterizam. Os modelos bidimensionais considerados para o rastreio de aviões civis em sistemas de controle de tráfego aéreo mostram-se insuficientes para o tratamento de manobras tridimensionais com consideráveis variações de altitude. Os modelos tridimensionais de curva constante, de curva plana variável e de curva coordenada possuem degradação de desempenho para alvos que perfazem curvas não planas e com razão de curva variável. O modelo de dinâmica de vôo de corpo rígido, para três dimensões, é relativamente complexo para constituir a base de um filtro de estimação prático e requer a observação da atitude do alvo, de forma colaborativa ou por imageamento, além de algum conhecimento a priori de parâmetros aerodinâmicos. O presente trabalho resolve as limitações dos modelos constantes da literatura utilizando um modelo de dinâmica de vôo de um ponto de massa que leva em conta características aerodinâmicas típicas para o movimento longitudinal. Este tratamento fornece um modelo dinâmico com um nível de detalhamento capaz de representar bem as manobras arrojadas, sem torná-lo complexo o suficiente para inviabilizar a realização do filtro. Este modelo é utilizado para o desenvolvimento de um filtro de estimação não linear, baseado no filtro de Kalman-Bucy estendido (EKBF). O filtro leva em conta a equação de estado em tempo contínuo e a equação de medida em tempo discreto, uma vez que a dinâmica de alvos ágeis é muito bem descrita em tempo contínuo, enquanto que a trajetória observada pelo sensor é essencialmente digital. Duas extensões deste filtro são estudadas: (i) o uso de termos de segunda ordem na aproximação do modelo conforme a teoria de Daum; e (ii) o emprego de uma rede neural acoplada ao filtro, treinada iterativamente, para a compensação de erros de modelagem e de cálculos das estimativas (NEKBF). As avaliações de desempenho qualitativa e quantitativa do modelo proposto, bem como das duas variações, é feita por meio de métodos sistemáticos de aferição de não linearidades, efeitos de bias, precisão e robustez. Conclui-se que o filtro proposto é suficientemente preciso para ser aplicado em sistemas de defesa e, com as extensões propostas, apresenta a robustez adequada para o rastreio de alvos em combate.

Este trabalho analisa o uso da técnica Track-Before-Detect (TBD) em Sistemas Radar que necessitam detectar e rastrear alvos. A técnica TBD presumindo a presença de um alvo em uma varredura Radar propaga a posição deste alvo (rastreio o alvo) em sucessivas varreduras e utilizando uma métrica, que utiliza o sinal eco nas posições presumidas, decide se o pretenso alvo é de fato verdadeiro (detecta o alvo). Uma vez detectado um alvo, considerado agora verdadeiro, as suas as sucessivas posições, conhecidas a priori (antes da detecção), são confirmadas. Deste modo, o rastreio foi feito antes da detecção, origem do nome da metodologia. Faz-se a implementação da técnica programando um processador TBD baseado em técnicas de programação dinâmica, de modo a minimizar a carga computacional. A implementação realizada deriva de uma aplicação TBD utilizada para seqüências de quadros de imagens ópticas. Utiliza-se também o Filtro de Kalman como uma alternativa da predição da trajetória do alvo nas sucessivas varreduras do Radar. Avalia-se o desempenho do TBD implementado em um cenário de interesse naval, onde um míssil e um caça bombardeio são monitorados por um sistema Radar de uma embarcação.

O efeito de multitrajeto é quase inevitável na maioria dos sistemas de comunicação, como por exemplo no GPS, o que ocasiona erros na determinação da pseudodistância. São analisados os erros de atraso de rastreamento de código (valores: médio, rms, máximo e mínimo absoluto) para canal especular, para receptores coerente e não-coerente, confirmando os resultados da literatura. Como contribuições são apresentados e analisados os erros de atraso de rastreamento para canal difuso (distribuição de probabilidade de amplitudes Rice), utilizando-se receptor não-coerente com desvanecimento lento e rápido. O modelo de canal especular simulado consiste de dois trajetos, um direto e outro refletido por um obstáculo fixo ou móvel. Para a simulação do canal difuso tem-se a presença de diversos trajetos refletidos obedecendo a uma distribuição de probabilidade de amplitudes Rayleigh ou Rice, esta última, quando se considera o trajeto direto. Foram analisados, modelados e simulados circuito de rastreamento coerente e não-coerente, e os canais com desvanecimento lento e rápido.

É desenvolvido um receptor por software para GPS, fundamentada na análise do ambiente de operação de cada um de seus segmentos e que pode utilizar dados digitalizados ou simulados para testar todos os processos que podem vir a ser utilizados nos receptores implementados por firmware e hardware. O receptor desenvolvido, pela facilidade computacional existente e o atual estado da arte, pode ser programado em um computador convencional.No sistema desenvolvido, o sinal é condicionado e processado antes da entrada no receptor GPS por software. É mostrado que o sistema desenvolvido é uma ferramenta util na análise de sistemas de aumentação ou melhoramento baseados em técnicas de minimização ou eliminação de ruídos e interferências, especialmente os de multitrajetos.Foram simulados vários tipos de sinais em visada direta em diferentes ambientes de ruído (SNR) e usados para avaliar os processos de aquisição e rastreamento do receptor por software. Os resultados são apresentados e analisados. Os algoritmos sugeridos na literatura se amostram vulneráveis na presença de ruído e foram modificados e avaliados sob as mesmas condições e mostraram-se mais robustos e eficientes na presença de ruído.Pelos resultados conclui-se que o receptor por software é também uma ferramenta didática útil para formação de recursos humanos nas áreas de Telecomunicações e GNSS.

Em um cenário de guerra, informações concretas de localização do alvo e de identificação, de fácil entendimento e precisão são peças chaves na tomada de decisões. Informações de vários sensores vindas de locais, fontes e formatos diferentes são geradas e devem ser apresentadas de forma clara e objetiva a um operador, que irá de acordo com a análise destas informações, coordenar uma ação que resulte em uma operação com maior chance de sucesso. Neste caso, a localização de possíveis alvos e o rastreio dos mesmos é de crucial importância na tentativa de identificar uma possível ameaça ou um acompanhamento dos movimentos do inimigo. Utilizando dois tipos de sensores, radar e sensores passivos, é possível obter um rastreio mais preciso de certo alvo e a eliminar alvos falsos. Isto melhora a qualidade e confiabilidade das informações apresentadas ao operador, o que torna a tomada de decisão mais segura e a ação mais certeira. Este trabalho apresenta uma técnica de rastreio passivo de alvos utilizando dois sensores passivos que medem o azimute e a elevação da onda eletromagnética emitida por um alvo. Utilizando um modelo dinâmico que descreve as variáveis de estado de um alvo aéreo manobrável e um modelo não linear de medidas, que relaciona o estado do alvo, em coordenadas cartesianas, com as medidas angulares dos sensores, mostra-se como um filtro estendido de Kalman pode ser utilizado para a estimativa da trajetória do alvo quando se usa equações de triangulação para a determinação da localização. Os resultados das simulações são analisados em termos de do erro de predição da trajetória para alvos com diferentes manobrabilidades e da precisão de medidas angulares dos sensores passivos.

Orientador: João Bosco Ribeiro do Val / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-25T04:12:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Frencl_VictorBaptista_D.pdf: 1574127 bytes, checksum: 86e39d74bf9c9e7734aa764b39aaac1a (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O problema de rastreamento de alvos é tratado de diversas formas na literatura, seja elaborando modelos matemáticos mais eficientes na reprodução da dinâmica de movimentos, seja na construção de filtros estocásticos que realizem estimativa de estados, como de posição e velocidade. Quando se trata do rastreamento em que os alvos de interesse são diversos indivíduos em movimento, a literatura não possui estudos específicos. Dessa forma, o objetivo principal da tese é aprofundar o conhecimento de rastreamento de indivíduos. Neste cenário, existe um número elevado e variável de alvos, que podem surgir de forma espontânea, agrupar-se ou separar-se, além de alarmes falsos imersos nas medidas. Estudou-se a teoria dos Conjuntos Aleatórios Finitos, cujo tratamento matemático se dá através do chamado Cálculo Multi-Alvo. Os filtros estocásticos também foram estudados sobre este ponto de vista, sendo os filtros PHD e GM-PHD os principais. Criada essa base teórica, três propostas baseadas nesse problema foram apresentadas: Modelos de Movimentação de Indivíduos, Simulador de Trajetórias de Indivíduos e Modelos Dinâmicos para Filtragem Estocástica. A primeira das propostas consiste em construir perfis probabilísticos de movimentação para cada um dos indivíduos. A segunda envolve a criação de um simulador de trajetórias de indivíduos que seja o mais verossímil possível em relação às trajetórias reais de uma pessoa, em cenários com variações de terreno, classificados pela dificuldade de locomoção. E finalmente, a terceira proposta tem como objetivo criar um modelo dinâmico combinado e modificado em relação a modelos encontrados na literatura para ser inserido no processo de filtragem estocástica. Ao final, alguns testes e simulações foram realizados, de tal forma a testar o desempenho de filtros e analisar o comportamento dos modelos matemáticos e dos perfis probabilísticos propostos / Abstract: The problem of target tracking is handled in different ways in the literature, either developing more efficient mathematical models to reproduce the dynamics of movements, or building stochastic filters that perform state estimation, such as position and velocity. When it comes to target tracking where the targets of interest are many individuals in motion, the literature lacks on specific studies. Thus, the main objective of the thesis is to deepen the knowledge of individuals tracking. In this scenario, there is a large and variable number of targets, which may arise spontaneously, group together or separate, in addition to measures immersed in false alarms. A study of the Random Finite Sets theory was made, whose mathematical treatment is through the so-called Multi-Target Calculus. Stochastic filters were also studied on this point of view, where the PHD and the GM-PHD filters are the main ones. After created the theoretical basis, three proposals based on this problem were presented: Motion Models for Individuals, a Simulator for Individuals Trajectories and Dynamic Models for Stochastic Filtering. The first proposal is based on building a motion probabilistic shape for each individual. The second proposal involves the creation of a trajectory simulator for individuals to be as plausible as possible to the real movements of a person, in scenarios with variations of terrain, ranked by locomotion difficulty. And finally, the third proposal aims to create a combined and modified dynamic model from models found in the literature, to be inserted in the stochastic filters. Finally, several tests and simulations were made in such a way to test the filters performances and analyze the behavior of the proposed mathematical models and the motion probabilistic shapes / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

Esta tese apresenta o protótipo de um sistema embarcado para veículos terrestres (automóveis, ônibus, caminhões) a partir de uma Central de Controle de Operações (CCO). Este sistema embarcado tem 3 funções básicas: 1) enviar dados de telemetria sobre o veículo (tal como a posição e velocidade do veículos obtidos de um receptor GPS, status de subsistemas do veículo, mensagens de alerta ou emergência) para a CCO, 2) enviar comandos a partir da CCO para algum subsistema do veículo (por exemplo, bloquear um veículo que saiu da rota), 3) permitir troca de mensagens de texto entre o condutor do veículo e o operador da CCO. Este protótipo tem a seguinte plataforma de hardware: 1) computador de bordo com processador Intel 386Ex; 2) uma placa de entradas e saídas digitais que atua como subsistemas do veículo; 3) um receptor GPS; 4) um palmtop que atua como interface com o condutor e 5) um modem GSM/GPRS. Para esta plataforma foram escolhidos o sistema operacional XDOS e o kernel eRTOS para suporte à programação multithreads. O compilador Borland C 4.51 foi utilizado como ferramenta de desenvolvimento. O software do sistema embarcado foi implementado baseado em threads com mecanismos de troca de mensagens e sincronização. As threads foram associadas aos componentes de hardware do sistema permitindo uma maior modularidade do sistema (facilidade para inserir ou retirar novos componentes de hardware através da inserção ou retirada de threads). O protótipo foi testado com uma versão simplificada da CCO. Os resultados demonstraram a estabilidade do software multithreads e o protótipo respondeu como esperado.