一種通用雷達(dá)模擬源的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

簡力 朱瑩

上海機(jī)電工程研究所，上海201109

近幾場局部戰(zhàn)爭表明，空襲對戰(zhàn)爭的進(jìn)程和結(jié)局有重大影響，并且現(xiàn)代戰(zhàn)爭中多采用超遠(yuǎn)程、一體化、快節(jié)奏和高精度的空天合成信息化空襲，防空作戰(zhàn)正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1］。因此，加快防空裝備發(fā)展對提升防空部隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)水平、增強(qiáng)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力有重大軍事意義。

在地面防空導(dǎo)彈型號設(shè)計(jì)過程中，需要驗(yàn)證武器的作戰(zhàn)流程和指標(biāo)，這要求在實(shí)驗(yàn)室搭建一個閉環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅需要模擬武器系統(tǒng)，也需要模擬多部雷達(dá)以及空情信息環(huán)境。因此需要設(shè)計(jì)雷達(dá)模擬源，用于模擬搜索雷達(dá)和多部跟蹤雷達(dá)的空情輸出。雷達(dá)模擬源［2］是模擬仿真技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它通過模擬的方法產(chǎn)生雷達(dá)操作面板和顯示器所需的各種信號，以便在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)前端不具備的條件下，能夠真實(shí)地描述雷達(dá)的工作狀態(tài)和過程。

隨著型號的增多，針對具體型號的雷達(dá)模擬源已經(jīng)無法滿足當(dāng)前緊迫的需求。通過研制一套通用的雷達(dá)模擬源，可以突破型號的限制，兼容多種型號的雷達(dá)模擬源，解決作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真的通用性問題。另外，隨著研制型號數(shù)量的增加和經(jīng)驗(yàn)的豐富，積累了典型目標(biāo)和典型雷達(dá)的信息，能提高模擬源的模擬真實(shí)程度。

總之，該種通用雷達(dá)模擬源作為一個通用化和更專業(yè)化的工具，能提高地面防空武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率和實(shí)驗(yàn)?zāi)M水平，并且為以后型號的研制提供了極大的方便。

本文通過需求分析，確定了由通用空情模擬器和通用雷達(dá)模擬器組成該通用模擬源。在分析2個模擬器功能的基礎(chǔ)上，分別實(shí)現(xiàn)2個模擬器的設(shè)計(jì)和兩者的通訊設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)通用雷達(dá)模擬源設(shè)計(jì)。

1 需求分析及概念建模

1.1 需求分析

通用雷達(dá)模擬源用于試驗(yàn)室條件下的防空武器系統(tǒng)軟件開發(fā)調(diào)試和外場地面聯(lián)試，需要實(shí)現(xiàn)以下功能:1)模擬多批次、多類型的復(fù)雜空情;2)實(shí)現(xiàn)模擬多種搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)的同源空情輸出。

1.2 概念建模

分別設(shè)計(jì)空情模擬器和雷達(dá)模擬器這2個軟件配置，完成上述2種功能。

1.2.1 空情模擬器實(shí)現(xiàn)空情定制生成功能

空情模擬器實(shí)現(xiàn)空情定制生成功能流程圖如圖1所示。

圖1 通用空情模擬器設(shè)計(jì)流程圖

1)收集多種典型飛行器目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)，建立飛行器參數(shù)數(shù)據(jù)包。目標(biāo)類型涵蓋了多種主流戰(zhàn)機(jī)、直升機(jī)和空地彈;目標(biāo)的參數(shù)包括空速、升限、RCS和過載等。

2)依據(jù)數(shù)據(jù)包中指定目標(biāo)的特性，建立模型，生成原始空情，包括單架次直線、多架次直線和單架次機(jī)動的目標(biāo)航跡，對生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行索引、管理和存儲。

3)設(shè)置定制空情:將多個原始空情數(shù)據(jù)組合，可對每個原始數(shù)據(jù)的播放進(jìn)行設(shè)置，包括出現(xiàn)時間、誤差設(shè)置等，形成多架次、多批次的空情想定。

4)發(fā)送空情:將定制好的空情想定發(fā)送給一個通用雷達(dá)模擬器或同時發(fā)送給多個通用雷達(dá)模擬器。

1.2.2 雷達(dá)模擬器實(shí)現(xiàn)同源目標(biāo)的雷達(dá)模擬輸出功能

雷達(dá)模擬器可以將定制的空情作為目標(biāo)的輸入，模擬多個不同類型的搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)的部分特性，如方位、俯仰和探測距離等。

該模擬器還可以根據(jù)目標(biāo)的作戰(zhàn)樣式，結(jié)合干擾模式對雷達(dá)的作用效果，輸出同源的雷達(dá)數(shù)據(jù)，作為地面武器系統(tǒng)的目標(biāo)輸入，如圖2所示。

圖2 通用雷達(dá)模擬器設(shè)計(jì)流程圖

1.2.3 雷達(dá)模擬源的工作流程

設(shè)計(jì)的通用雷達(dá)模擬源的工作流程如下:空情模擬器生成空情信息，發(fā)送給雷達(dá)模擬器;雷達(dá)模擬器模擬多種雷達(dá)的工作方式，處理接收到的空情，生成雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)，發(fā)送給武器系統(tǒng)，完成雷達(dá)的空情模擬功能。

2個模擬器之間采用網(wǎng)絡(luò)通訊方式，在一個計(jì)算機(jī)或在不同計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。邏輯連接圖如圖3。

1.3 通用雷達(dá)模擬源技術(shù)指標(biāo)

最大模擬雷達(dá)類型:20種;同時模擬搜索雷達(dá)數(shù)≥2;同時模擬跟蹤雷達(dá)數(shù)≥4;最大模擬目標(biāo)類型數(shù):100;最大空情目標(biāo)數(shù):200批;最大目標(biāo)速度:5Ma;雷達(dá)輸出頻率:0.1～20Hz。

圖3 通用雷達(dá)模擬源邏輯連接圖

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 空情模擬器與雷達(dá)模擬器的通訊設(shè)計(jì)

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)通訊方式

1)依據(jù)系統(tǒng)的通訊要求，實(shí)現(xiàn)1對1、1對多的數(shù)據(jù)通訊，也可在一臺計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)2個模擬器軟件的通訊。選用UDP組播通訊方式，滿足2個模擬器通訊的要求。

2)空情模擬器將目標(biāo)信息送給雷達(dá)模擬器，由于搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)的數(shù)據(jù)頻率不一致，所以目標(biāo)信息分2種頻率進(jìn)行發(fā)送。這里假設(shè)一種武器的全部跟蹤雷達(dá)數(shù)據(jù)頻率都相同。

2.1.2 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容

1)空情模擬器向雷達(dá)模擬器傳輸目標(biāo)信息，數(shù)據(jù)的內(nèi)容應(yīng)滿足雷達(dá)模擬器的模擬計(jì)算，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括:目標(biāo)號，目標(biāo)的位置、速度數(shù)據(jù)、該數(shù)據(jù)的時間，目標(biāo)的RCS數(shù)據(jù)及干擾數(shù)據(jù)。

2)空情模擬器定期發(fā)送目標(biāo)的觀測中心位置信息，空情信息以該中心播發(fā)，雷達(dá)模擬器使用該位置和雷達(dá)自身位置實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

2.1.3 發(fā)送數(shù)據(jù)的報文設(shè)計(jì)

為滿足每秒最大200批目標(biāo)的可靠傳輸，避免因同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報文過多導(dǎo)致UDP丟包，同時還應(yīng)限制報文的長度，避免過長的UDP報文傳輸產(chǎn)生通信異常，采用了可變長度設(shè)計(jì)和分包發(fā)送設(shè)計(jì)。即在1個報文中放置一定數(shù)量的目標(biāo)信息，同一時刻產(chǎn)生的目標(biāo)信息由1個報文發(fā)送或拆為幾個報文發(fā)送。

2.2 空情模擬器的設(shè)計(jì)

2.2.1 空情目標(biāo)的坐標(biāo)系選取

生成的空情應(yīng)具有可重復(fù)使用性，因此，目標(biāo)的位置信息數(shù)據(jù)格式選用相對坐標(biāo)系，即相對于觀測中心(通常默認(rèn)搜索雷達(dá)為中心)的距離、方位和俯仰來描述目標(biāo)的航跡。

2.2.2 飛行器參數(shù)庫設(shè)計(jì)

本文在設(shè)計(jì)空情模擬器時收集了大部分典型飛行器目標(biāo)信息，比如戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、先進(jìn)隱身巡航導(dǎo)彈AGM-129、X-59M/AS-18空地導(dǎo)彈、JDAM精確制導(dǎo)炸彈、F-22隱身飛機(jī)、米-24雌鹿式武裝直升機(jī)和哈姆反輻射導(dǎo)彈等，著重收集了速度、射程、目標(biāo)RCS和過載等參數(shù)。

設(shè)計(jì)的空情模擬器軟件包含了目標(biāo)庫中目標(biāo)增加、修改、刪除等維護(hù)功能，數(shù)據(jù)庫采用Windows的INI文件形式。數(shù)據(jù)項(xiàng)包括:飛行器名稱、最大飛行速度、最小飛行速度、最大飛行過載、升限、爬升坡度、最大RCS和最小RCS。

2.2.3 直線航跡的生成

航跡的生成受到飛行器的運(yùn)動特性限制，需要根據(jù)飛行器的類型設(shè)置航跡的方位、高度、速度、航向和航路捷徑等參數(shù)。

在空情模擬器的初期，本文先設(shè)計(jì)了簡單的直線航跡，為了后期航跡復(fù)用，又進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了可一次生成多批直線航跡的功能，并對航跡增加說明。

由于發(fā)送頻率隨雷達(dá)的數(shù)據(jù)輸出頻率而改變，所以航跡的存儲采用描述語言進(jìn)行保存，存儲的文件格式采用INI文件格式，實(shí)現(xiàn)了對過去制作的航跡文件進(jìn)行編輯。直線航跡制作功能分解如圖4。

2.2.4 機(jī)動航跡的生成

在設(shè)計(jì)了直線航跡的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的空情模擬器又進(jìn)一步制作了單條機(jī)動航跡。設(shè)置初始的目標(biāo)類型、位置速度和初始段的飛行時間數(shù)據(jù)后，再添加垂向機(jī)動和水平機(jī)動，制作機(jī)動航跡的界面如圖5所示。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，電磁干擾環(huán)境無時無刻不在變化，而且，先進(jìn)干擾系統(tǒng)一般都自帶偵察設(shè)備，干擾針對性強(qiáng)，作用顯著。因此，在設(shè)計(jì)空情模擬器時，增加了噪聲干擾、函數(shù)掃頻、箔條干擾、距離和速度欺騙，多假目標(biāo)干擾、轉(zhuǎn)發(fā)式干擾、多普勒干擾和拖曳式干擾共8種干擾方式。

機(jī)動航跡圖界面右上部下拉選擇框即為干擾選項(xiàng)，可選8種干擾方式，干擾選項(xiàng)下方的列表框表示每個機(jī)動段的條目，右下方為注釋說明區(qū)，可寫入航跡注釋。最右邊為操作按鈕，＜添加直線段＞按鈕，按下彈出直線飛行段設(shè)置對話框，可產(chǎn)生直線航跡。航跡的第一段可以設(shè)置全部的參數(shù)，之后的飛行段僅可設(shè)置部分參數(shù)。

圖4 直線航跡制作功能

圖5 機(jī)動航跡制作功能的界面示意圖

機(jī)動目標(biāo)運(yùn)動采用三自由度模型，即將空襲目標(biāo)理想化為一個質(zhì)點(diǎn)，用質(zhì)點(diǎn)在三維空間中的位置來描述目標(biāo)的運(yùn)動，同時忽略地球曲率的影響。

在目標(biāo)航向坐標(biāo)系OXmZmHm中構(gòu)建4種典型航跡，分別是水平等速直線航跡、等速圓周航跡、俯沖航跡和爬升航跡。

2.2.5 復(fù)雜空情的生成

單個目標(biāo)的航跡模型是上述制作好的直線航跡和機(jī)動航跡的組合。在使用過程中，可加載已保存的空情文件，對其進(jìn)行二次編輯，也可刪除空情中的航跡。

為了模擬真實(shí)的作戰(zhàn)環(huán)境，在生成復(fù)雜空情時，除了組合直線航跡、機(jī)動航跡外，必須以戰(zhàn)術(shù)任務(wù)為依據(jù)，并支持對抗，因此還必須考慮下列因素:

1)空襲兵器編隊(duì)數(shù)量和按兵器類型、數(shù)量的組成;

2)空襲兵器編隊(duì)的飛行速度、高度、航路捷徑和進(jìn)入、退出攻擊時的航跡;

3)空襲編隊(duì)載機(jī)的機(jī)載武器、彈藥類型和數(shù)量;

4)機(jī)載武器、彈藥投放或發(fā)射的距離、高度、速度;

5)空襲兵器的時空參數(shù)，即各機(jī)群按時間和位置的相互作用關(guān)系等。

現(xiàn)代防空作戰(zhàn)中，空襲目標(biāo)多以小編隊(duì)，多批次形式進(jìn)入，并且?guī)в忻鞔_的作戰(zhàn)意圖，由于空襲目標(biāo)流的隨機(jī)性，處理上通常認(rèn)為其服從泊松分布。

2.2.6 空情的發(fā)送處理

選取空情后，需設(shè)置搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)的頻率，以及搜索雷達(dá)(觀測中心)的坐標(biāo)，確認(rèn)發(fā)送后，在界面上同步顯示目標(biāo)的航跡和數(shù)據(jù)如圖6和7。

圖6 目標(biāo)的航跡圖

圖7 目標(biāo)的數(shù)據(jù)顯示

2.3 雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)

2.3.1 雷達(dá)參數(shù)庫設(shè)計(jì)

雷達(dá)數(shù)據(jù)庫包含幾種搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)的特性數(shù)據(jù)，用于模擬雷達(dá)的工作過程，參數(shù)包括:雷達(dá)名稱、雷達(dá)水平方位角范圍、雷達(dá)最小俯仰角、雷達(dá)最大俯仰角、雷達(dá)作用距離、雷達(dá)搜索轉(zhuǎn)速、雷達(dá)數(shù)據(jù)更新率和雷達(dá)檢測RCS等參數(shù)，雷達(dá)庫對應(yīng)雷達(dá)庫管理功能，雷達(dá)庫的保存采用Windows的INI文件格式。

2.3.2 模擬雷達(dá)對目標(biāo)的處理

雷達(dá)模擬器可模擬搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)的工作過程。其工作包括檢測和建航兩部分，該系統(tǒng)處理的重點(diǎn)是雷達(dá)檢測。

雷達(dá)模擬器可模擬搜索雷達(dá)的搜索功能，指向的作用扇區(qū)內(nèi)的目標(biāo)若符合雷達(dá)的威力范圍，則該目標(biāo)被檢測。雷達(dá)的威力范圍判定包括扇區(qū)范圍、作用范圍、俯仰角范圍和RCS檢測范圍等，且該功能可被不斷增加。搜索雷達(dá)仿真的界面如圖 8所示。

圖8 雷達(dá)模擬器模擬搜索雷達(dá)的界面

雷達(dá)模擬器也可模擬跟蹤雷達(dá)的跟蹤功能。通過設(shè)置其天線調(diào)轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。雷達(dá)的威力范圍判定包括扇區(qū)范圍、作用范圍、俯仰角范圍和RCS檢測范圍等，且該功能可被不斷增加。跟蹤雷達(dá)仿真的界面如圖9所示。

2.3.3 雷達(dá)數(shù)據(jù)的輸出

雷達(dá)的目標(biāo)信息輸出頻率與空情的頻率保持一致，報文格式可按照武器系統(tǒng)的要求進(jìn)行定制輸出，傳輸給武器系統(tǒng)的指控和火控子系統(tǒng)。

圖9 雷達(dá)模擬器模擬跟蹤雷達(dá)的界面

3 總結(jié)

為滿足防空作戰(zhàn)的緊迫需求，節(jié)約防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的資源，本文按照“通用+專用”的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一種通用雷達(dá)模擬源。該模擬器的空情功能比較完善，可滿足各種空情的制作，較以往武器系統(tǒng)的雷達(dá)模擬更加趨向真實(shí)。

后續(xù)工作中可進(jìn)一步完善雷達(dá)模擬器的功能，使之更真實(shí)的仿真作戰(zhàn)環(huán)境。

［1］ 邊際，高嵩，鄒陽森.防空一體化-要地防空的新生命［J］.科技信息，2010，(1):111.(Bian Ji，Gao Song，Zou Yangsen.Air Defense Intergration-The New Life of Point Air Defence［J］.Technology Information，2010，(1):111.

［2］ 全厚德，王春平，孫書鷹，張衛(wèi)杰.雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.火力與指揮控制，2002，(6):79-81.(Quan Houde，Wang Chunping，Sun Shuying，Zhang Weijie.Design and Realization of Radar Simulator［J］.Fire Control＆ Command Control，2002，(6):79-81.)