場景設(shè)置模型的研究與實(shí)現(xiàn)

李 鵬，李圳峰

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101； 2.解放軍63850部隊(duì)，吉林 白城 137000)

0 引 言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)以及電子對抗技術(shù)的迅速發(fā)展，戰(zhàn)場電磁信號(hào)環(huán)境也隨之日益復(fù)雜，新研雷達(dá)和電子戰(zhàn)裝備的生產(chǎn)、調(diào)試、性能檢測、評估鑒定已無法單純依賴外場試驗(yàn)。[1]外場試驗(yàn)不但成本昂貴，而且理想復(fù)雜電磁環(huán)境的構(gòu)建也很難得以實(shí)現(xiàn)，而內(nèi)場復(fù)雜電磁環(huán)境的構(gòu)建為解決這一問題提供了有效的途徑。通過雷達(dá)及電子對抗模擬仿真設(shè)備能夠在內(nèi)場環(huán)境下構(gòu)建逼真的雷達(dá)信號(hào)、雷達(dá)目標(biāo)回波、雷達(dá)干擾信號(hào)以及通信、導(dǎo)航等信號(hào)組成的復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境，雷達(dá)場景設(shè)置模型的研究和實(shí)現(xiàn)就是針對這一問題為雷達(dá)性能的測試提供必要的驗(yàn)證環(huán)境。

1 場景設(shè)置模型功能分析

場景設(shè)置模型可以根據(jù)給定的基本需求進(jìn)行場景設(shè)置，生成相應(yīng)文件，自動(dòng)存儲(chǔ)所生成的文件。其中場景設(shè)置功能主要包括輻射源編輯、平臺(tái)編輯和場景編輯。輻射源編輯是指對雷達(dá)輻射源參數(shù)特征進(jìn)行編輯；平臺(tái)編輯是指對平臺(tái)定義和輻射源載荷進(jìn)行添加；場景編輯是指對要模擬的空間場景和戰(zhàn)斗布置進(jìn)行想定的設(shè)計(jì)。場景設(shè)置模型還具有對場景設(shè)置產(chǎn)生的文件進(jìn)行查詢、瀏覽、編輯等管理的功能。

場景設(shè)置模型能夠按照場景設(shè)置產(chǎn)生的文件，根據(jù)設(shè)定的時(shí)序進(jìn)行演示過程控制，可以精確控制輻射源信號(hào)發(fā)射時(shí)間。

場景設(shè)置模型還可以根據(jù)場景設(shè)置文件規(guī)定的信號(hào)環(huán)境，同時(shí)產(chǎn)生最多2部輻射源信號(hào)和各相關(guān)平臺(tái)的位置、航速、航向等信息。

場景設(shè)置模型的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 場景設(shè)置模型功能結(jié)構(gòu)圖

在編隊(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)協(xié)同偵察定位與識(shí)別仿真時(shí)，要通過3個(gè)通道將信號(hào)發(fā)射出去，而本場景設(shè)置模型中只采用了一個(gè)通道的信號(hào)源，因此對于多部雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生，會(huì)存在嚴(yán)重的丟失信號(hào)的問題，但這個(gè)問題可以通過設(shè)置合適的戰(zhàn)情避免。

頻率源輸出產(chǎn)生的雷達(dá)信號(hào)的脈寬并不是場景設(shè)置的雷達(dá)脈寬，而是與最大路程差相關(guān)的數(shù)值，具體的頻率源輸出的脈寬是最大路程差與設(shè)置脈寬的和[2-3]。正是由于頻率源將雷達(dá)的脈寬進(jìn)行展寬，因此脈沖丟失準(zhǔn)則也是按照展寬后的脈沖寬度將重疊的脈沖進(jìn)行丟失。

而真實(shí)脈寬的輸出是由后端的調(diào)制器根據(jù)3個(gè)接收站的相對延時(shí)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生相對的時(shí)間延遲及真實(shí)的脈寬，示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 信號(hào)調(diào)制示意圖

由于本場景設(shè)置模型只有一套頻率源，當(dāng)同時(shí)產(chǎn)生2部雷達(dá)信號(hào)時(shí)，2部雷達(dá)脈沖信號(hào)在時(shí)間上會(huì)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，這時(shí)就要進(jìn)行丟脈沖處理。

場景設(shè)置模型中脈沖排隊(duì)丟失模塊的功能就是將2部輻射源的脈沖描述字依據(jù)到達(dá)時(shí)間(TOA)從小到大的順序進(jìn)行交叉排列，并按脈沖丟失準(zhǔn)則對重疊脈沖進(jìn)行丟脈沖處理，在同一時(shí)刻只保留一個(gè)脈沖信號(hào)。

2 仿真模型

2.1 坐標(biāo)系及坐標(biāo)變換

在本模型中坐標(biāo)系采用大地直角坐標(biāo)系如圖4所示，坐標(biāo)原點(diǎn)O位于海拔高度為0的大地表面上的一點(diǎn)，X軸定義為過原點(diǎn)切于緯度弧線且指向東；Y軸定義為過原點(diǎn)切于經(jīng)度弧線且指向北極方向；Z軸按右手法則，指向天頂。

雷萬春是畬族人民心目中的大英雄，其傳說、故事自古以來在浙南到閩東、閩中、閩南一帶的畬鄉(xiāng)中被編成歌言廣泛流傳。由于傳唱的歷史悠久，不同地區(qū)的畬民會(huì)根據(jù)他們的所在地的祖輩事跡與當(dāng)?shù)亓?xí)俗增添新的歌詞，所以版本各異，甚至歌名亦有所不同。如在閩東的福安畬區(qū)，則為《鐘景祺與雷萬春》[2]；在閩東的霞浦畬區(qū)，則為《雷萬春打虎記》?，F(xiàn)存較完整的《雷萬春打虎記》版本是由閩東畬家人藍(lán)興發(fā)采錄的以漢語來記畬音的七言體詩歌抄本，并編入其主編的《傳世畬歌》一書，于2014年由中央民族大學(xué)出版社出版發(fā)行。

以平臺(tái)坐標(biāo)系Ot-xtytzt為基準(zhǔn)，將坐標(biāo)原點(diǎn)Ot到目標(biāo)的方向定義為徑距方向，之間的距離R稱為斜距；將斜距在xtyt面內(nèi)的投影與Otyt軸之間的夾角A(0°～360°)定義為方向角，順時(shí)針方向?yàn)檎粚⑿本嗯cxtyt面之間的夾角E定義為仰角(或高低角)，向上為正(范圍-90°～90°)。

圖4 大地直角坐標(biāo)系

則平臺(tái)坐標(biāo)系到雷達(dá)球面坐標(biāo)系之間的關(guān)系為：

(1)

雷達(dá)球面坐標(biāo)系到平臺(tái)坐標(biāo)系之間的關(guān)系為：

(2)

在場景設(shè)置模型中，實(shí)時(shí)解算是根據(jù)場景設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，以一定的時(shí)間周期(暫定1 s)實(shí)時(shí)解算各平臺(tái)的坐標(biāo)位置、航速、航向等信息，以及各輻射源相對于各定位站的時(shí)延，如圖5所示。

圖5 動(dòng)態(tài)場景示意圖

圖5中，R1、R2為2個(gè)平臺(tái)坐標(biāo)，曲線為雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡，A、B、C為3個(gè)時(shí)差定位站。T1為R1到各定位站的時(shí)延，T2為R2到各定位站的時(shí)延。

解算過程如下：

(1) 在1 s時(shí)間內(nèi)認(rèn)為平臺(tái)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)當(dāng)前的航速和航向信息，解算平臺(tái)下一時(shí)刻在自身大地雷達(dá)測量坐標(biāo)系(法線坐標(biāo)系)中的直角坐標(biāo)位置；

(3) 通過地心坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，求出平臺(tái)下一時(shí)刻的地理坐標(biāo)位置；

(4) 根據(jù)下一時(shí)刻的地理坐標(biāo)位置以及下一個(gè)機(jī)動(dòng)點(diǎn)的地理坐標(biāo)位置，計(jì)算下一時(shí)刻平臺(tái)的速度和航向信息；

(5) 根據(jù)各平臺(tái)的地心坐標(biāo)位置，求出各輻射源平臺(tái)相對各時(shí)差定位站的距離，進(jìn)而求出各輻射源平臺(tái)相對各時(shí)差定位站的時(shí)延，并按時(shí)延步進(jìn)進(jìn)行量化。在進(jìn)行時(shí)延量化時(shí)，需要注意，首先將輻射源相對于基準(zhǔn)站的時(shí)延值進(jìn)行量化，然后對定位站與基準(zhǔn)站的時(shí)延差進(jìn)行量化，最后將量化后的時(shí)延差(有正有負(fù))與基準(zhǔn)站的時(shí)延差相累加得到其他定位站的量化時(shí)延。

2.2 延時(shí)控制精度校正

根據(jù)場景設(shè)置模型的功能要求，要完成輻射源所在平臺(tái)的位置、航向、航速值和對3個(gè)定位站的布站設(shè)置。并且在運(yùn)行過程中，根據(jù)輻射源平臺(tái)與3個(gè)定位站的位置關(guān)系，實(shí)時(shí)解算出平臺(tái)與定位站的路程差，并根據(jù)路程差最終確定輻射源相對于3個(gè)定位站的時(shí)差值，通過網(wǎng)口定時(shí)將時(shí)差值數(shù)據(jù)發(fā)送到解算控制板，以控制3個(gè)射頻信號(hào)輸出端產(chǎn)生對應(yīng)時(shí)間差的射頻信號(hào)，射頻發(fā)射延時(shí)控制精準(zhǔn)度要求小于5 ns。

射頻發(fā)射延時(shí)控制精度的實(shí)現(xiàn)主要是依靠內(nèi)部高精度、高穩(wěn)定度的時(shí)鐘信號(hào)，并對各支路做延時(shí)校正[4]。本設(shè)計(jì)采用100 MHz的晶體振蕩器通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)片內(nèi)倍頻鎖相環(huán)的方式產(chǎn)生250 MHz的高穩(wěn)時(shí)鐘信號(hào)作為產(chǎn)生高精度時(shí)間控制信號(hào)，鑒于普通FPGA邏輯資源以及時(shí)鐘資源的限制，采用Xilinx公司下高端的V5系列FPGA作邏輯解算以及控制各射頻通道時(shí)差信號(hào)的產(chǎn)生，完成射頻信號(hào)實(shí)時(shí)向定位站輻射。單一支路的延時(shí)誤差取決于調(diào)制器對不同頻率的響應(yīng)時(shí)間，可以通過測試加補(bǔ)償?shù)姆绞綄Σ煌l率作延時(shí)校正；支路間的延時(shí)誤差主要來自于不同支路間調(diào)制器的一致性，由于250 MHz時(shí)鐘是4 ns的精度，因此可以通過對每一路進(jìn)行延時(shí)校正，以滿足系統(tǒng)5 ns的精準(zhǔn)度要求。校正示意圖如圖6所示。

圖6 延時(shí)校正示意圖

其中A為兩基站間的實(shí)際延時(shí)，B為器件不一致性造成的延時(shí)誤差，C是校正后的延時(shí)，使得C-A≤5 ns即可。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

場景設(shè)置模型主要由顯示和控制單元、通道控制板、信號(hào)產(chǎn)生器、射頻通道單元等組成，組成框圖如圖7所示。

圖7 場景設(shè)置模型組成框圖

本設(shè)備主要模擬1～2部雷達(dá)信號(hào)，通過控制同一射頻信號(hào)進(jìn)入編隊(duì)各艦艇偵察接收機(jī)的時(shí)間差，以完成編隊(duì)無源時(shí)差定位試驗(yàn)。首先通過顯示控制單元的人機(jī)界面編輯輻射源參數(shù)，生成初始化戰(zhàn)情報(bào)文，控制輻射源的運(yùn)行狀態(tài)和模式切換的實(shí)時(shí)運(yùn)行報(bào)文，通過串口傳送給通道控制板。通道控制板主要采用大規(guī)模FPGA芯片完成對射頻信號(hào)的頻率、脈寬、重頻以及幅度等多種形式調(diào)制信號(hào)的實(shí)時(shí)解算，以及多個(gè)脈沖的時(shí)序排隊(duì)等功能，生成雷達(dá)脈沖描述字控制流及開關(guān)控制命令，并送給信號(hào)產(chǎn)生器。信號(hào)產(chǎn)生器根據(jù)各個(gè)脈沖描述控制字完成頻率源雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生，并對射頻通道單元等進(jìn)行開關(guān)控制，最終模擬產(chǎn)生相對于3個(gè)定位站不同時(shí)延到達(dá)的信號(hào)。設(shè)備工作時(shí)有2種信號(hào)產(chǎn)生方式：在提供秒脈沖同步信號(hào)的情況下，信號(hào)產(chǎn)生單元首先接收顯控單元的初始化報(bào)文，收到試驗(yàn)開始命令后在秒脈沖的觸發(fā)下生成第1批信號(hào)，同時(shí)將秒脈沖信號(hào)回告給顯控單元作為同步信號(hào)，把下一秒更新報(bào)文送至信號(hào)產(chǎn)生單元，在第2個(gè)秒脈沖的同步下生成第2批信號(hào)，同時(shí)回告給顯控單元作下一秒的更新，系統(tǒng)按此依次工作；在沒有秒脈沖的情況下，信號(hào)產(chǎn)生單元自身產(chǎn)生1 s的定時(shí)信號(hào)，提供給顯控單元作同步來更新報(bào)文。

4 結(jié)束語

本文通過對雷達(dá)場景設(shè)置模型的簡要分析，建立了場景設(shè)置模型所需的航跡解算等仿真模型。結(jié)合頻率合成技術(shù)、實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)和微波射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)場景的模擬，該設(shè)備為某原理樣機(jī)驗(yàn)證提供了必要的試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境，取得了較好的模擬效果，對雷達(dá)內(nèi)場輻射源場景的模擬具有一定的參考價(jià)值。