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This thesis deals with the object tracking problem of multiple extended objects. For instance, this tracking problem occurs when a car with sensors drives on the road and detects multiple other cars in front of it. When the setup between the senor and the other cars is in a such way that multiple measurements are created by each single car, the cars are called extended objects. This can occur in real world scenarios, mainly with the use of high resolution sensors in near field applications. Such a near field scenario leads a single object to occupy several resolution cells of the sensor so that multiple measurements are generated per scan. The measurements are additionally superimposed by the sensor’s noise. Beside the object generated measurements, there occur false alarms, which are not caused by any object and sometimes in a sensor scan, single objects could be missed so that they not generate any measurements.
To handle these scenarios, object tracking filters are needed to process the sensor measurements in order to obtain a stable and accurate estimate of the objects in each sensor scan. In this thesis, the scope is to implement such a tracking filter that handles the extended objects, i.e. the filter estimates their positions and extents. In context of this, the topic of measurement partitioning occurs, which is a pre-processing of the measurement data. With the use of partitioning, the measurements that are likely generated by one object are put into one cluster, also called cell. Then, the obtained cells are processed by the tracking filter for the estimation process. The partitioning of measurement data is a crucial part for the performance of tracking filter because insufficient partitioning leads to bad tracking performance, i.e. inaccurate object estimates.
In this thesis, a Gaussian inverse Wishart Probability Hypothesis Density (GIW-PHD) filter was implemented to handle the multiple extended object tracking problem. Within this filter framework, the number of objects are modelled as Random Finite Sets (RFSs) and the objects’ extent as random matrices (RM). The partitioning methods that are used to cluster the measurement data are existing ones as well as a new approach that is based on likelihood sampling methods. The applied classical heuristic methods are Distance Partitioning (DP) and Sub-Partitioning (SP), whereas the proposed likelihood-based approach is called Stochastic Partitioning (StP). The latter was developed in this thesis based on the Stochastic Optimisation approach by Granström et al. An implementation, including the StP method and its integration into the filter framework, is provided within this thesis.
The implementations, using the different partitioning methods, were tested on simulated random multi-object scenarios and in a fixed parallel tracking scenario using Monte Carlo methods. Further, a runtime analysis was done to provide an insight into the computational effort using the different partitioning methods. It emphasized, that the StP method outperforms the classical partitioning methods in scenarios, where the objects move spatially close. The filter using StP performs more stable and with more accurate estimates. However, this advantage is associated with a higher computational effort compared to the classical heuristic partitioning methods.
This diploma thesis is devoted to the design and analysis of a radar signal enabling an object classification capability in surveillance radar systems based on high-resolution radar range profiles. It picks up the research results from Kastinger (2006), who investigated classification algorithms for high-resolution radar range profiles, and Meier (2007), who programmed a MATLAB toolbox for the evaluation of radar signals. A classical, brief, introduction to radar fundamentals is given (Chapter 1) as well as the motivation for this thesis and certain basic parameters used. After high-resolution radar range profiles are discussed with special focus on surveillance radar systems (Chapter 2), the results of Kastinger (2006) are picked up (Chapter 3) as far as necessary for the following chapters of this thesis. Following the chapters on radar basics, high-resolution radar range profiles and classification, basic and advanced radar signals are discussed and analysed, especially their range resolution and sidelobe levels (Chapter 4). This includes linear frequency-modulated pulses and nonlinear frequency-modulated pulses as well as phase-coded pulses, coherent trains of identical pulses, and stepped-frequency waveforms. Their analysis is based on Meier's MATLAB toolbox. In Chapter 5 we will bring up additional points that have to be considered in radar system design for implementing a classification capability, before this thesis ends with an overall conclusion (Chapter 6).
Im Jahr 2009 startet die AMSAT Deutschland e.V. das Raumfahrzeug "Phase 5-A" zum Mars. Dort wird das "Archimedes"-Ballon-Landesystem der Mars Society abgesetzt, während das Raumfahrzeug in einer elliptischen Umlaufbahn um den Mars bleibt und als Relaisstation für die Kommunikation zwischen Landesystem und Bodenstation auf der Erde arbeitet. Für diese Raumfahrtmission wurde an der HTWG Konstanz im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik eine Diplomarbeit über einen Teil der Antennen des Raumfahrzeugs angefertigt. Bodenstation und Raumfahrzeug kommunizieren durch einen Uplink im S-Band (2,45 GHz) und einen Downlink im X-Band (10,45 GHz). Im normalen Betriebsfall werden auf dem Raumfahrzeug Richtantennen eingesetzt. Sowohl für Uplink, als auch für den Downlink wird rechtszirkular polarisierte Strahlung verwendet. In bestimmten Betriebsfällen sind die Richtantennen des Raumfahrzeugs nicht zur Erde ausgerichtet. Dies ist der Fall, wenn die Triebwerke in Betrieb sind, oder im extremen Fall, wenn das Lageregelungssystem temporär oder komplett ausfällt. Für diesen Fall sind möglichst isotrop abstrahlende Notfallantennen notwendig, um zumindest eine minimale Kommunikation zur Erde zu gewährleisten. In der Diplomarbeit wurde für die Richtantenne für das X-Band ein Doppelreflektorsystem (Cassegrain-System) gewählt. Im berechneten Design wurde der Durchmesser des Hauptreflektors zu 2000 mm und der Durchmesser des Subreflektors zu 302,3 mm gewählt. Ebenfalls berechnet wurde die zugehörige Kegelhorn-Antenne als Primärstrahler, sowie ein praktikabler Zirkularpolarisator vorgeschlagen. Bei den isotropen Antennen stellt sich das Problem, dass das Raumfahrzeug sehr groß gegenüber der Wellenlänge ist und dadurch praktisch eine Hemisphäre abgeschattet wird. Deshalb wurden für die S-Band- und X-Band-Notfallantennen Antennen gesucht, die eine möglichst gute hemisphärische Abstrahlung haben. Zwei dieser hemisphärisch abstrahlenden Antennen werden jeweils auf entgegengesetzten Seiten des Raumfahrzeugs montiert und ermöglichen so eine (nahezu) isotrope Abstrahlung. Für die S-Band-Notfallantenne wurden unterschiedliche Antennentypen (Drehkreuzantenne, Eggbeater-Antenne, Lindenblad-Antenne, Quadrifilar-Helix-Antenne und Streifenleitungsantenne) hinsichtlich ihres Abstrahlungsdiagramms und der Eignung für Raumfahrtanwendung miteinander verglichen. Als Ergebnis stellt sich die Streifenleitungsantenne als am besten geeignet heraus, da dieser Antennentyp über viele Freiheitsgrade (z.B. Form, Abmessungen und Materialien) verfügt. Über die Freiheitsgrade kann das Abstrahlungsdiagramm geformt werden. Auch für die X-Band-Notfallantenne wurde ebenfalls die Streifenleitungsantenne untersucht. Dieser Antennentyp weist allerdings einige gravierende Nachteile im Sendebetrieb auf: Das gravierendste Problem sind die hohen Verluste dieses Antennentyps. Deshalb wurde für die X-Band-Notfallantenne ein offener Hohlleiter mit zusätzlichen Reflektionselementen vorgeschlagen. Ein offener Hohlleiter strahlt bereits relativ stark gebündelt ab. Die zusätzlichen Reflektionselemente weiten die Abstrahlung aus. So wird eine annähernd hemisphärische Abstrahlung möglich. Das Raumfahrzeug wird zumindest zeitweilig durch Rotation um die eigene Achse stabilisiert (Spin-Stabilisation). Sind die Antennen außerhalb der Rotationsachse montiert, so tritt ein mit der Rotationsdauer sich periodisch ändernder Doppler-Effekt auf. Problematisch wird dies, wenn die Frequenzverschiebung durch den Doppler-Effekt in die Größenordnung der Bandbreite des Nutzsignals kommt. Dadurch wird die Dekodierung des Nutzsignals erschwert.
Das Gesamtprojekt umfasst die Entwicklung eines modularen Sende-Empfängers (Transceiver) bestehend aus Hard- und Software. Der Transceiver stellt eine Experimentalplattform dar, mit der nicht nur die üblichen Funktionen eines Sende-Empfängers genutzt werden können. Es bestehen vielfältige Experimentier- und Entwicklungsmöglichkeiten in den Bereichen der digitalen Signalverarbeitung, der Softwareentwicklung für Mikrokontroller und Personal Computer sowie der Übertragungstechnik. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde das zentrale Steuermodul des Sende-Empfängers, die sog. Command Unit entwickelt. Sie beinhaltet die logischen Gruppen des MMI (Mensch-Maschine-Schnittstelle) und einer Host-PC-Schnittstelle mit DMA-Kontroller. Die Arbeit beinhaltet die Entwicklung der Hardware ebenso wie die Entwicklung von Firmware zum Testen der Schaltung.