空間監(jiān)視雷達測試數據的自動生成方法研究

王浩宇,路 強

(1.中國電子科技集團公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088; 2.合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

為進一步滿足空間態(tài)勢感知和空間目標快速響應的軍事需求,各國都在重點研究開發(fā)臨近空間目標探測雷達、天基預警雷達等裝備[1]?？臻g目標監(jiān)視雷達[2]呈現顯著的軟件化趨勢,其軟件配置項個數越來越多,代碼規(guī)模也越來越龐大、各配置項的功能日趨復雜,軟件錯誤發(fā)生的概率也越來越高,因此在空間監(jiān)視雷達的軟件研制過程中進行軟件測試顯得更為重要?？臻g監(jiān)視雷達具有項目等級高、測試數據量大、測試數據構造復雜、測試安全性[3]要求高、測試難度大等特點,且嵌入式軟件自動化測試還未得到有效開展?？臻g監(jiān)視雷達測試數據自動生成方法的研究意義在于通過對空間目標運動軌跡的仿真建模,依據建立的軌道模型自動化生成測試數據,解決了空間監(jiān)視雷達嵌入式軟件黑盒測試領域測試數據難以仿真的問題,從而能提升空間監(jiān)視雷達嵌入式軟件黑盒測試領域的測試技術手段,保證空間監(jiān)視雷達嵌入式軟件產品質量。

1 空間監(jiān)視雷達中目標仿真

1.1 空間監(jiān)視雷達測試特點

隨著世界各國發(fā)射活動的日益增多,太空環(huán)境變得越來越擁擠,其中,地球周邊的空間碎片數量大于10 cm的大約有2×104個,而大于1 cm的超過20×104個[4],這說明在軌運行空間碎片的個數遠遠超過了20×104個,且這些空間碎片主要分布在近地軌道、地球同步軌道和遠地軌道等3個地球軌道,包括近地軌道區(qū)域即距地球在2 000 km以下的區(qū)域,地球同步軌道區(qū)域為距地球36 000 km的區(qū)域,而遠地軌道區(qū)域則是距地球20 000 km的中高軌區(qū)域[5]。因此,對空間目標的探測和監(jiān)視是一段十分艱巨任務。

目前,在空間監(jiān)視雷達的軟件測試中主要是通過仿真數據建模,模擬飛機、導彈、衛(wèi)星等目標的運動點跡數據來實現對嵌入式軟件從點跡接收、點跡處理、點跡融合、航跡處理到綜合顯示能力測試的。對于飛機目標,主要是通過設置運動參數包括速度、加速度、起始位置等來模擬目標進行勻速直線運動、直線加速運動、載機轉彎等飛機運行場景的;對于導彈目標,則主要是通過設置導彈的運動參數包括軌道的起始時間和終止時間、軌道數據計算的時間間隔、發(fā)射點位置、落點位置等來仿真導彈的運行軌跡的;而對于衛(wèi)星目標,由于衛(wèi)星的軌道相對固定,可通過設置的運動參數(包括軌道半長軸、軌道橢圓偏心率)等,來模擬衛(wèi)星運行。

前期研究已經取得了大量的飛機實際飛行數據,在進行實際測試時可通過實飛數據來驗證空間監(jiān)視雷達對飛機的探測能力,因此本文主要研究有關導彈、衛(wèi)星等數據的仿真建模和測試數據生成方法。

1.2 導彈目標運動軌跡建模

在導彈從發(fā)射點到落點的運動過程中,可將導彈彈道[6]分為發(fā)射階段、平飛階段和下落階段等3個階段，其彈道導彈可以用6個參數描述彈道導彈的橢圓軌道,這6個參數分別為α、e、i、ω、Ω、tp,其中,α為彈道的半長軸;e為偏心率;i為彈道平面與赤道面的夾角,其與赤道面逆時針方向為正,0≤i≤π;ω為近地點中心角,即軌道面內由升交點(即導彈沿發(fā)射點到落點方向的反向和赤道面的交點)到近地點拱線的夾角,由升交點起沿導彈運動方向為正,即有0≤ω≤2π;Ω為升交點與X軸的夾角,從X軸開始逆時針為正,即有0≤Ω≤2π;tp為導彈飛過近地點的時刻。軌道在慣性空間的位置由i和Ω決定,其在軌道面上的指向由ω決定,而其形狀和大小則由α和e決定,一旦仿真出軌道區(qū),6個參數信息便已確定。

導彈在t時刻的運動狀態(tài),可以根據導彈目標的6個彈道參數進行確定。具體求解過程如下:

(1) 對t時刻,求出此時的偏近地點角為：

(1)

其中,μ=3.986×1014m3/s2。

(2) 根據偏近地點角E(t),確定r(t)、v(t)、θ(t)和f(t)分別為：

r(t)=α[1-cosE(t)]

(2)

(3)

(4)

(5)

(3) 由ω、Ω、i和f(t)得到A(t)、α(t)、δ(t)為：

μ(t)=ω+f(t)

(6)

δ(t)=arcsin[sinisinμ(t)]

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

根據設置的運動參數(包括3個控制點的方位向和俯仰向信息)求解r(t)、v(t)、θ(t)、A(t)、α(t)和δ(t);根據坐標變換可得到t時刻導彈在大地坐標系中的位置、速度、方位、俯仰等。

1.3 衛(wèi)星目標運動軌跡建模

圍繞地球運動的衛(wèi)星軌道一般分為圓或近圓軌道、橢圓軌道。因此,本文根據衛(wèi)星軌道特點構建衛(wèi)星目標運動軌跡模型。

1.3.1 圓或近圓運動軌道建模

圓軌衛(wèi)星可分為近地衛(wèi)星(離地面200～500 km)、中等高度衛(wèi)星(在500 km到數千千米高度)和遠地衛(wèi)星(離地面數千千米或更遠處),由于其軌道偏心率一般都不大于0.02,因此可近似看成圓[7]。

由于是近圓軌道,通過衛(wèi)星距地面的距離r就可以仿真出圓形或近圓的軌道信息。其中徑向水平速度為:

(12)

圓軌衛(wèi)星的運行周期為:

(13)

其中,R為地球半徑;μ為地心引力常數。

圓軌道衛(wèi)星的軌道方程為:

(14)

衛(wèi)星的向心加速度為:

(15)

衛(wèi)星的角速度為:

(16)

1.3.2 橢圓運動軌道建模

當衛(wèi)星的入軌速度在第一宇宙速度和第二宇宙速度之間,且方向也是水平時,其軌道一般為橢圓。橢圓的半長軸為α、焦距為2c和偏心率為e。

近地點據地心的距離為:

rj=α(1-e)

(17)

遠地點距地心的距離為:

ry=α(1+e)

(18)

衛(wèi)星在軌道上任意一點到地心的距離為:

(19)

其中,θ為軌道上該點與近地點方向的夾角。

橢圓軌道衛(wèi)星的運動周期為:

(20)

其中,T0見(13)式。

橢圓衛(wèi)星的速度為:

(21)

其中

(22)

根據(1)～(11)式以及衛(wèi)星橢圓軌道的6個參數(α,e,i,ω,Ω,tp),可得出在t時刻的運動狀態(tài)r(t)、v(t)、θ(t)、A(t)、α(t)和δ(t)。再根據近地點、遠地點的衛(wèi)星坐標位置,進行坐標變換,得到t時刻衛(wèi)星在大地坐標系中的位置、速度、方位、俯仰等信息,確定軌道參數。

2 測試數據自動生成技術

在軍用軟件測試領域的動態(tài)黑盒測試領域,主要通過分析了解軟件的輸入和輸出關系及軟件的功能、性能等特性,來編寫測試說明文檔,而測試說明文檔則由許多個測試用例組成,每個測試數據又組成了測試用例。因此,測試質量依賴測試數據。在空間監(jiān)視雷達的嵌入式軟件測試中,測試數據包括雷達控制指令和空間目標運動軌跡數據2個方面。本文采用自動化的方法,自動生成空間監(jiān)視雷達嵌入式軟件測試中的測試數據自動生成。

2.1 空間目標運動軌道測試數據生成

在自動生成空間目標運動軌道參數的測試數據時,首先需要對空間目標按本文提出的軌跡模型進行仿真建模。建模過程主要包括讀取測試人員選擇的空間目標類型(飛機、導彈、衛(wèi)星)和設置的空間目標運動軌跡參數。其中,不同類型空間目標可設置的運動軌跡參數見表1所列。

表1 空間目標可設置的運動軌道參數

根據空間目標類型和軌跡參數選擇相應的建模公式進行計算,具體計算過程是按軌道數據計算的時間間隔每隔單位時間產生一次自中斷,從而不斷更新空間目標的位置信息;再將每次中斷更新得到的空間目標位置信息輸出至軌跡數據文件中。

本文以圓軌衛(wèi)星軌道數據為例,根據上文提出的建模方法進行衛(wèi)星軌道數據建模,得到有關衛(wèi)星軌跡數據見表2所列，表2共有1 230個軌道點。

空間目標運動軌道測試數據的自動化生成具體步驟為:

(1) 從指定目錄中讀取并解析空間監(jiān)視雷達目標運動軌跡仿真建模過程生成的軌跡數據文件,并從中提取空間目標的時間、經度、緯度及高度等目標運動信息;再從被測系統(tǒng)的接口信息格式文件中讀取并解析目標點跡信息的結構體。

(2) 按照點跡信息結構體格式將空間目標的運動信息填寫入至點跡報文中。

(3) 按照點跡信息結構體格式生成空間目標的一系列點跡信息(即空間目標運動軌跡測試數據)。

表2 衛(wèi)星軌道數據數據文件內容

通過以上方法,按照建模產生的空間目標軌道產生運動軌跡及運動參數,自動生成空間目標的點跡測試數據,據此可用來對空間監(jiān)視雷達從點跡處理、航跡處理、顯示處理等一系列目標的數據處理和顯示功能的測試。

2.2 雷達控制指令測試數據生成

雷達控制指令是用來控制雷達運行狀態(tài)和雷達的工作模式[8]、雷達目標運行方式。通過雷達工作狀態(tài)指令來控制雷達的整機進入工作、待機、校正、維護等狀態(tài)；通過雷達戰(zhàn)術操作命令來控制不同批號目標的改、換批操作,分、合批操作,目標重要顯示以及目標刪除操作等。雷達控制指令是雷達作戰(zhàn)的指揮部,通過雷達控制指令來實現雷達整機資源的調度,因此,雷達控制指令也需要重點測試。本文通過對控制指令的信息格式的解析,對基本數據單元進行識別,通過人工賦值的方式,生成雷達控制指令的仿真測試數據,其具體的實施步驟為:

(1) 從被測系統(tǒng)接口信息格式文件讀取并解析控制指令的信息結構體,并將解析后的信息結構體以數據項為基本單元顯示在操作界面上。

(2) 測試人員在操作界面對控制指令信息結構體中的各個數據項進行賦值,根據邊界值分析、等價類劃分等測試方法,對各數據項的有效值、無效值、邊界值進行賦值。

(3) 依據測試人員的賦值結果進行數據進制的轉換,將十進制、字符型數據,自動轉換成十六進制數據,自動化生成軟件控制指令的測試數據。

3 結 論

對空間監(jiān)視雷達嵌入式軟件測試中的難點是空間目標的仿真建模及測試數據的自動生成。本文主要對空間監(jiān)視雷達中目標的特點進行了分析,研究了空間監(jiān)視雷達中兩大類型的目標:導彈和衛(wèi)星的運動軌道仿真建模,從而實現了在軌的衛(wèi)星數據、常規(guī)的導彈軌道等測試數據的自動化生成。通過場景仿真,設置目標屬性的部分參數,即可自動化產生空間目標的測試數據,供整個測試周期使用,減少了人工編制測試數據的工作量,縮短測試數據的編制時間,且提高了測試數據的正確率。該測試數據自動生成方法可推廣至軟件自動化測試的其他領域,通過軟件測試可大大提高軟件安全性。