(57)【要約】【課題】  高精度な初期値が与えられる追尾処理において、追尾開始時のトラックのばたつきを抑圧する。また、初期値が与えられる追尾処理において、初期値の精度に適応してトラック更新方法を制御することにある。【解決手段】  目標追尾装置１０は、観測部１２で取得された観測値ａの有効又は無効をゲート範囲を用いて判定する観測ゲート手段１３と、観測ゲート手段１３で有効と判定された観測値ａに基づき目標の追尾処理を実行する追尾手段１４と、観測部１１で取得された初期値ｄに基づきゲート範囲を算出するゲート算出手段１５を備えたものである。そして、ゲート算出手段１５は、初期値ｄが取得されてからの時間が長いほど広くなるように、かつ初期値ｄの信頼性が高いほど狭くなるように、ゲート範囲を算出する、観測ゲート手段１３は、初期値ｄが取得されてから観測値ａが有効と判定されるまでの間、ゲート算出手段１５で算出されたゲート範囲を用いる。【選択図】  図１
2005331248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測部で取得された目標の観測値の有効又は無効をゲート範囲を用いて判定する観測ゲート手段と、この観測ゲート手段で有効と判定された観測値に基づき前記目標の追尾処理を実行する追尾手段と、を備えた目標追尾装置において、
前記観測部で取得された前記観測値の初期値に基づき、この初期値が取得されてからの時間が長いほど広くなるように、前記ゲート範囲を算出するゲート算出手段を更に備え、
前記観測ゲート手段は、前記初期値が取得されてから前記観測値が有効と判定されるまでの間、前記ゲート算出手段で算出された前記ゲート範囲を用いる、
ことを特徴とする目標追尾装置。
【請求項２】
前記ゲート算出手段は、前記初期値が取得されてからの時間が長いほど広くなるように、かつ当該初期値の信頼性が高いほど狭くなるように、前記ゲート範囲を算出する、
請求項１記載の目標追尾装置。
【請求項３】
前記観測部は、前記初期値を取得する第一の観測部と、前記初期値以降の前記観測値を取得する第二の観測部とからなり、
前記第一の観測部で取得された前記初期値は、前記第二の観測部で取得された前記観測値よりも信頼性が高い、
請求項１又は２記載の目標追尾装置。
【請求項４】
観測部で取得された目標の観測値の有効又は無効をゲート範囲を用いて判定する観測ゲートステップと、この観測ゲートステップで有効と判定された観測値に基づき前記目標の追尾処理を実行する追尾ステップと、を備えた目標追尾方法において、
前記観測部で取得された前記観測値の初期値に基づき、この初期値が取得されてからの時間が長いほど広くなるように、前記ゲート範囲を算出するゲート算出ステップを更に備え、
前記観測ゲートステップは、前記初期値が取得されてから前記観測値が有効と判定されるまでの間、前記ゲート算出手段で算出された前記ゲート範囲を用いる、
ことを特徴とする目標追尾方法。
【請求項５】
前記ゲート算出ステップは、前記初期値が取得されてからの時間が長いほど広くなるように、かつ当該初期値の信頼性が高いほど狭くなるように、前記ゲート範囲を算出する、
請求項４記載の目標追尾方法。
【請求項６】
前記観測部は、前記初期値を取得する第一の観測部と、前記初期値以降の前記観測値を取得する第二の観測部とからなり、
前記第一の観測部で取得された前記初期値は、前記第二の観測部で取得された前記観測値よりも信頼性が高い、
請求項４又は５記載の目標追尾方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーダ、ソーナ等に用いられる目標追尾装置及び目標追尾方法に関し、特に追尾開始時のトラックの安定化に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来の目標追尾装置を示すブロック図である。従来の目標追尾装置９０は、観測部９１で取得された目標の観測値ａの有効又は無効をゲート範囲を用いて判定する観測ゲート手段９２と、観測ゲート手段９２で有効と判定された観測値ｂに基づき目標の追尾処理を実行する追尾手段９３とを備えている。追尾手段９３は、カルマンフィルタを用いて追尾処理を実行するとともに、図示しない表示部等及び観測ゲート手段９２へ追尾結果ｃを出力する。観測ゲート手段９２は、追尾結果ｃに基づきゲート範囲を算出する。観測ゲート手段９２で実行される一般的なゲーティング処理は、追尾手段９３でのフィルタリング処理によって得られる予測値を中心に、ある大きさのゲートを開き、その中に観測部９１からの観測値ａがあるか否かを判定する処理である。追尾手段９３で実行される一般的な追尾処理（フィルタリング処理）は、連続的に取得された観測値ａに対してスムージング（平滑化）を行い、また目標の未来位置を予測する一連の処理である。
【０００３】
カルマンフィルタを用いた従来の一般的な追尾処理では、追尾開始時のトラックは観測値のばらつきの影響を大きく受けるため、十分な追尾精度が得られないという問題点があった。この問題に対しての改善案は既にいくつか提案されているが、いずれも観測値を用いた統計的推定問題としての枠組みの中にあるので、サンプル数が少ない場合の推定精度には統計的な限界がある（例えば下記特許文献１）。
【０００４】
一方、センサで検出された目標の追尾を開始する際、追尾用のセンサ観測値とは別に、他の観測部による高精度な目標の状態量が与えられる場合がある。一般的な追尾処理では、これをカルマンフィルタの初期値として利用することができる。しかし初期値のみの精度が高くても、従来の追尾処理で得られるトラックはその後に得られる追尾用センサ観測値のばたつきに大きく影響されるので、初期段階のトラック安定化にはほとんど寄与しない。また、特定の値をカルマンフィルタの初期値として与えた場合、与えられる初期値の精度はケースごとに異なることが想定される。特に単発の初期値では、時間経過とともに真値からの乖離が大きくなりその信頼度は劣化する傾向がある。そのため、新しい情報ほど精度が高く、古い情報は精度が低下していると考えられる。このような状況のもと、初期値の精度に適応して最適なトラック生成を行う方式は、従来の追尾処理では想定されていなかった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２９７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
第１の問題点は、カルマンフィルタを用いた追尾処理の初期段階において、高精度な初期値が与えられても、これを有効に活用することができない点である。第２の問題点は、初期値の精度に適応して最適なトラック生成を行うことができない点である。これらの理由は、従来の追尾処理では、観測値の統計的性質をある程度一様とみなしてカルマンフィルタを適用するため、初期値とそれ以降に取得される追尾用観測値との区別を行わずに同等に処理するからである。
【０００７】
そこで、本発明の第１の目的は、高精度な初期値が与えられる追尾処理において、追尾開始時のトラックのばたつきを抑圧することにある。また、本発明の第２の目的は、初期値が与えられる追尾処理において、初期値の精度に適応してトラック更新方法を制御することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る目標追尾装置は、観測部で取得された目標の観測値の有効又は無効をゲート範囲を用いて判定する観測ゲート手段と、観測ゲート手段で有効と判定された観測値に基づき目標の追尾処理を実行する追尾手段とを備えたものである。そして、本発明に係る目標追尾装置は、観測部で取得された観測値の初期値に基づき、初期値が取得されてからの時間が長いほど広くなるように、ゲート範囲を算出するゲート算出手段を、更に備えている。また、観測ゲート手段は、初期値が取得されてから観測値が有効と判定されるまでの間、ゲート算出手段で算出されたゲート範囲を用いる。
【０００９】
観測部で観測値の初期値が取得されると、ゲート算出手段は、初期値が取得されてからの時間が長いほど広くなるようにゲート範囲を算出する。つまり、ゲート算出手段で算出されたゲート範囲は、最初は狭く、時間の経過とともに徐々に広くなる。一方、観測ゲート手段は、初期値が取得されてから観測値が有効と判定されるまでの間、ゲート算出手段で算出されたゲート範囲を用いる。したがって、追尾開始時のトラックのばたつきの原因となる観測値は、観測ゲート手段によって棄却されることになる。
【００１０】
また、ゲート算出手段は、初期値が取得されてからの時間が長いほど広くなるように、かつ初期値の信頼性が高いほど狭くなるように、ゲート範囲を算出する、としてもよい。初期値の信頼性（精度）が高ければ、ゲート範囲を狭くしても、有効な観測値を棄却してしまう可能性は低い。したがって、初期値の信頼性が高いほどゲート範囲を狭くすることにより、追尾開始時のトラックのばたつきの原因となる観測値がより的確に棄却される。
【００１１】
更に、観測部は、初期値を取得する第一の観測部と、初期値以降の観測値を取得する第二の観測部とからなり、第一の観測部で取得された初期値は、第二の観測部で取得された前記観測値よりも信頼性が高い、としてもよい。観測部を二つに分けることにより、一方の観測部を初期値のみを高精度に取得できるものとし、他方の観測部を初期値以降の観測値を連続的に取得できるものとすることができる。
【００１２】
本発明に係る目標追尾方法は、本発明に係る目標追尾装置に用いられ、この目標追尾装置の各手段を各ステップに置き換えたものである。また、目標追尾装置の各手段は、プログラムによってコンピュータに機能させることができる。
【００１３】
次に、カルマンフィルタを用いる追尾手段を例に、本発明に係る目標追尾装置について更に具体的に説明する。
【００１４】
初期値の信頼性及び妥当性を時間の関数として表し、この関数に応じて観測ゲートのゲート確率の空間的広がり（ゲート範囲）を変化させることによって、観測値がゲート判定で棄却される確率を制御する。また、観測値が棄却された場合、予測値を観測値と置いてカルマンフィルタを更新する。
【００１５】
ゲート範囲の決定にあたっては、初期値固有の信頼性及び妥当性を表す関数f（ｔ，ｔｉ）を定義して用いる。関数ｆ（ｔ，ｔｉ）は、精度（信頼性）に応じて増大する、及び、時間経過に応じて減少する、という特性を有するものを用いる。
【００１６】
例えば同一時刻ｔｉに取得された初期値１及び初期値２の信頼性を表す尺度をそれぞれｑ１,ｑ２とした場合、その後の同一時刻tにおけるそれぞれの関数ｆ１（ｔ，ｔｉ），ｆ２（ｔ，ｔｉ）は次の関係にある。
【００１７】
ｑ１＞ｑ２  →  ｆ１（ｔ，ｔｉ）
＞ ｆ２（ｔ，ｔｉ）
ｆ１（ｔ，ｔｉ） ＞ ｆ１（ｔ＋Δ，ｔｉ）
また、ゲート範囲はｆ（ｔ，ｔｉ）に逆比例する大きさとする。
【００１８】
次に、本発明の作用について説明する。
【００１９】
信頼性が高くf（ｔ，ｔｉ）が大きい初期値を用いた場合、追尾開始時のゲート範囲が狭いため、観測値は棄却される。この場合、カルマンフィルタは予測値を観測値と置いてトラック更新を行うため、トラックは初期値に基づいて予測される等速直線運動となる。
【００２０】
一方、ある程度時間が経過するとゲート範囲は拡大して観測値は有効となり、カルマンフィルタは観測値に基づいた更新に移行する。すなわち追尾結果としては、追尾開始からばたつきのない安定したトラックが得られることになる。
【００２１】
また、本発明は、次のように言い換えることもできる。１．追尾開始時に初期値が与えられる追尾処理において、観測ゲートのゲート範囲を時間的に変化させることで、トラック更新における予測値及び観測値の重み付けを制御することを特徴とする目標追尾装置及び目標追尾方法。２．追尾開始時に初期値が与えられる追尾処理において、初期値の信頼性を時間関数として表し、ゲート確率の算出に初期値の信頼性を組み込むことを特徴とする目標追尾装置及び目標追尾方法。
【００２２】
更に、本発明は、次のように要約することができる。カルマンフィルタを用いた従来の一般的な追尾処理における追尾開始時のトラックは、観測値のばらつきの影響を大きく受ける。追尾開始以前に高精度の初期値が与えられる場合においても、この状況はほとんど改善されず、十分な追尾精度が得られないという問題点があった。そこで、本発明では、初期値の信頼性又は妥当性を時間の関数として表し、これに応じて観測ゲートのゲート確率の空間的広がり（ゲート範囲）を時間拡大させることによって、観測値がゲート判定で棄却される確率を制御する。また、観測値が棄却された場合、予測値を観測値と置いてカルマンフィルタを更新する。この結果、トラックがばたつく追尾開始時には、ゲート範囲が小さいので、カルマンフィルタは高精度な初期値に基づく予測を行う。また、ある程度時間が経過した後は、ゲート範囲が大きくなるので、カルマンフィルタは観測値によるトラック更新に移行する。すなわち、追尾開始時から連続して安定したトラックを得ることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、初期値が取得されてからの時間が長いほど広くなるようにゲート範囲を算出することにより、最初は狭く時間の経過とともに徐々に広くなるゲート範囲とすることができるので、追尾開始時のトラックのばたつきの原因となる観測値を棄却できるとともに、一定時間経過後は観測値によるトラック更新に移行することができ、結果的に終始安定したトラックを得ることができる。
【００２４】
また、初期値が取得されてからの時間が長いほど広くなるように、かつ初期値の信頼性が高いほど狭くなるように、ゲート範囲を算出することにより、初期値の信頼性が高ければゲート範囲を狭くしても有効な観測値を棄却してしまう可能性が低いので、より安定したトラックを得ることができる。
【００２５】
換言すると、本発明によれば、次の効果を奏する。第１の効果は、追尾開始時のトラックのばたつきを抑圧し、高精度な追尾を可能とする点である。その理由は、トラックのばたつきが顕在化する追尾開始時において、高精度な初期値による予測値でトラック更新を行うことにより、観測値のばたつきがトラックに与える影響を除去するからである。また、時間経過後は観測値によるトラック更新に移行することで、結果的に終始安定したトラックを得ることができる。第２の効果は、初期値の精度に応じてトラック更新方法を制御できる点である。その理由は、初期値の精度に応じた観測ゲートを設定することによりゲート判定条件を制御し、その結果としてカルマンフィルタ更新方法を制御できるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、本発明に係る目標追尾装置の一実施形態を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００２７】
図１には、本実施形態の目標追尾装置１０と、目標の最初の観測値である初期値ｄを取得する観測部１１と、初期値ｄ以降の観測値ａを取得する観測部１２とが示されている。観測部１１で取得された初期値ｄは、観測部１２で取得された観測値ａよりも高精度である。目標追尾装置１０は、観測部１２で取得された観測値ａの有効又は無効をゲート範囲を用いて判定する観測ゲート手段１３と、観測ゲート手段１３で有効と判定された観測値ａに基づき目標の追尾処理を実行する追尾手段１４と、観測部１１で取得された初期値ｄに基づきゲート範囲を算出するゲート算出手段１５と、を備えたものである。そして、ゲート算出手段１５は、初期値ｄが取得されてからの時間が長いほど広くなるように、かつ初期値ｄの信頼性が高いほど狭くなるように、ゲート範囲を算出する、観測ゲート手段１３は、初期値ｄが取得されてから観測値ａが有効と判定されるまでの間、ゲート算出手段１５で算出されたゲート範囲を用いる。
【００２８】
観測部１１で初期値ｄが取得されると、ゲート算出手段１５は、初期値ｄが取得されてからの時間が長いほど広くなるようにゲート範囲を算出する。つまり、ゲート算出手段１５で算出されたゲート範囲は、最初は狭く、時間の経過とともに徐々に広くなる。一方、観測ゲート手段１３は、初期値ｄが取得されてから観測値ａが有効と判定されるまでの間、ゲート算出手段１５で算出されたゲート範囲を用いる。したがって、追尾開始時のトラックのばたつきの原因となる観測値ａは、観測ゲート手段１３によって棄却されることになる。
【００２９】
また、初期値ｄの信頼性（精度）が高ければ、ゲート範囲を狭くしても、有効な観測値ａを棄却してしまう可能性は低い。したがって、初期値ｄの信頼性が高いほどゲート範囲を狭くすることにより、追尾開始時のトラックのばたつきの原因となる観測値ａがより的確に棄却される。観測部１１は初期値ｄのみを高精度に取得でき、観測部１２は初期値ｄ以降の観測値ａを連続的に取得できる。
【００３０】
次に、目標追尾装置１０について、言葉を換えて更に詳しく説明する。
【００３１】
図１には、追尾用観測値を継続的に取得する観測部１２と、観測部１２とは別に目標の状態量を取得する観測部１１と、観測部１１によって取得されて追尾開始時に与えられる初期値ｄと、得られた観測値ａを選別する観測ゲート手段１３と、観測ゲート手段１３のゲート範囲の大きさを初期値ｄ及び継続時間に基づいて算出するゲート算出手段１５と、観測ゲート手段１３で選別された観測値ａに基づいて追尾結果ｃを継続的に出力する追尾手段１４とが示されている。
【００３２】
観測部１１，１２は、本発明が適用されるシステムのセンサ部分（例えばレーダ、ソーナ等）に相当し、一定間隔又は不定間隔で目標位置の計測結果を出力する。観測部１１は、追尾開始以前に目標位置等を計測し、初期値ｄとして追尾処理に提供する。観測部１１への要求としては、観測精度において観測部１２よりも優れ、観測部１２と異なり継続的に結果を出力する必要はない。初期値ｄは、観測部１１で得られた比較的精度の良い観測値であり、少なくとも追尾開始以前のある時刻ｔｉで１個得られていればよい。観測ゲート手段１３は、観測部１２で得られた観測値ａが追尾用データとして妥当か否かを判断するもので、観測値ａの確率（ゲート確率）を観測値予測誤差と同じ多変量正規分布と仮定し、観測値ａのマハラノビス距離を閾値判定するＮＮ（Nearest Neighbor）法がよく用いられる。本実施形態ではこの方法を用いて説明する。すなわち、ゲート算出手段１５においてゲート確率分布及びマハラノビス距離を各時刻毎に決定し、予め設定された閾値によってゲート判定を行う。また判定結果が有効な観測値ａが複数ある場合は、最も距離が短い観測値を採用する。ゲート算出手段１５は、初期値ｄの信頼度を表す関数ｆを仮定することによりゲート確率を決定する。初期値ｄの信頼度は、時間経過により劣化していくことを考慮し、例えば関数ｆを次のように与える。
【００３３】
ｆ（ｔ，ｔｉ） ＝ ｔａ／（ｔ＋ｔｉ）
ただし、ｔｉ＝初期値取得時刻、ｔ＝追尾経過時間、ｔａ=正規化時間である。
【００３４】
ゲート確率ｐ（ｚ）は、時間に関して関数ｆ（ｔ，ｔｉ）の逆特性を持つ。例えば、次の共分散行列Ｓ（ｔ）により与える。
【００３５】
Ｓ（ｔ） ＝ １／ｆ（ｔ＋ｔｉ）・（ＨＰＨ'＋Ｒ） ＝ （ｔ＋ｔｉ）／ｔａ・（ＨＰＨ'＋Ｒ）
ｐ（ｚ） ＝ Ｎ（ｚ｜ｚ０（ｔ），Ｓ（ｔ））
Ｈ＝観測行列、Ｐ＝状態予測誤差共分散行列、Ｒ＝観測誤差共分散行列、’は転置を示す。またＮ（ｚ｜ｚ０，Ｓ）は、ベクトルｚ０を平均、行列Ｓの対角要素を分散に持つ多変量正規分布である。
【００３６】
追尾手段１４は、初期値ｄ及び観測ゲート手段１３で選定された観測値ａを用いて追尾を行い、継続的に追尾結果７を出力する。追尾手段１４の実現手段としては、一般的なカルマンフィルタを想定する。
【００３７】
次に、目標追尾装置１０の動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００３８】
追尾開始に先立って、観測部１１は、初期値ｄとして用いる状態量を少なくとも１つ取得し、これを取得時刻と併せてゲート算出手段１５へ出力する（ステップ１０１：初期値の取得）。続いて、ゲート算出手段１５は、ｆ（ｔ，ｔｉ）に基づいた観測値予測誤差分散Ｓ（ｔ０）を時間更新ごとに算出し、これを観測ゲート手段１３に出力する（ステップ１０２：時間拡大）。続いて、観測ゲート手段１３は、取得した初期値ｄによる予測位置を中心とし、取得した観測値予測誤差分散Ｓ（ｔ０）を分散とする、多変量正規分布を算出し、これをゲート確率とする（ステップ１０３：ゲート確率の算出）。同時に観測部１２は、追尾用観測値を取得し、これを観測ゲート手段１３へ出力する（ステップ１０４：観測値の取得）。
【００３９】
初期値ｘ０から予測位置ｚ０を求めるには、次の方法による。
ｚ０ ＝ Ｈ・Ｆ・ｘ０
ただし、Ｆ＝状態遷移行列である。
【００４０】
続いて、観測ゲート手段１３は、取得した観測値ａと算出したゲート確率とに基づいて閾値判定を行う（ステップ１０５：ゲート処理）。判定の結果、観測値ａが有効であれば当該観測値を追尾手段１４へ出力する（ステップ１０６：観測値が有効）。追尾開始時、追尾手段１４は、観測値ａの有効及び無効にかかわらず、初期値ｄを用いてカルマンフィルタの初期化を行う。次いで観測値ａが無効の場合、観測ゲート手段１３は予測値を観測値ａとして追尾手段１４に出力し、追尾手段１４は状態更新を行ってステップ１０２に戻る（ステップ１０７：予測値による状態更新）。二回目以降のゲート確率算出では、中心として追尾手段１４の予測値を用い、分散（ゲート範囲）は時間拡大を継続する。なお、このループは観測値ａが有効と判定されるまで実施される。
【００４１】
観測値ａが有効と判定された場合、追尾手段１４は、観測値ａを用いて状態更新を行い（ステップ１０８：観測値による状態更新）、算出した予測値及び予測誤差分散を観測ゲート手段１３へ出力する（ステップ１０９：観測値による予測誤差分散の更新）。観測ゲート手段１３は、取得した予測値及び予測誤差分散を用いてゲート確率を算出し、ゲート処理を実施する（ステップ１０５：ゲート処理）。一度観測値ａが有効と判定された後はこのループを継続し、時間拡大を行うループ（ステップ１０２〜１０５）には戻らない。
【００４２】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
【００４３】
１．上記実施形態では、ゲート確率を予測誤差共分散Ｓ（ｔ）を用いて求めていたが、Ｓ（ｔ）を用いずに時間変化する一般関数でゲート確率を定義してもよい。例えば、ゲート確率をより一般的な関数ｆ（ｚ，ｔ）として同様の処理を行うと、ｆ（ｚ，ｔ）が時間経過に対してゲート範囲を拡大させる関数であれば、本発明と同様の効果が得られる。
【００４４】
２．上記実施形態では、観測ゲートにＮＮ法を用いて説明したが、ＮＮ法以外のゲート処理を用いてもよい。例えば、任意に定義したゲート確率に対して最大確率を与える観測値を選択する方法、複数観測値をゲート確率で重み付け平均して観測値を１つに統合する方法、等が挙げられる。いずれの手法を用いても本発明と同様の効果が得られる。
【００４５】
３．上記実施形態では、追尾手段としてカルマンフィルタを用いて説明したが、カルマンフィルタ以外の何らかの追尾フィルタを用いてもよい。例えば、α−βフィルタ、他の適応フィルタ、等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る目標追尾装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の目標追尾装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】従来の目標追尾装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  目標追尾装置
１１  観測部（第一の観測部）
１２  観測部（第二の観測部）
１３  観測ゲート手段
１４  追尾手段
１５  ゲート算出手段
ａ  観測値
ｂ  観測値（有効）
ｃ  追尾結果
ｄ  初期値
【図１】
2005331248.tif 000003
【図２】
2005331248.tif 000004
【図３】
2005331248.tif 000005