雷達(dá)航跡處理軟件仿真測(cè)試環(huán)境構(gòu)建方法研究

龐紅彪，李欣桐，楊清華，吳一超，秦征

（中國兵器工業(yè)信息中心，北京，100089）

0 引言

雷達(dá)航跡處理軟件是現(xiàn)代雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)處理中樞，它能夠接收雷達(dá)信息處理軟件所發(fā)送的所有點(diǎn)跡信息，完成目標(biāo)航跡的起始、濾波預(yù)測(cè)、目標(biāo)融合以及航跡輸出，而航跡處理的好壞關(guān)乎整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的品質(zhì)，好的航跡處理是目標(biāo)搜索和穩(wěn)定跟蹤的保證。但如何測(cè)試驗(yàn)證雷達(dá)航跡處理軟件卻成了一個(gè)長期困擾的難題，具體原因如下：

a、目標(biāo)的多樣性和不可獲取性：雷達(dá)需要搜索跟蹤的目標(biāo)種類很多，一般來說，包括飛機(jī)（包括軍用和民用，其中軍用又分殲擊機(jī)、截?fù)魴C(jī)、強(qiáng)擊機(jī)、轟炸機(jī)、偵察機(jī)、預(yù)警機(jī)、武裝直升機(jī)、教練機(jī)、加油機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、艦載機(jī)、反潛機(jī)等）、火箭、導(dǎo)彈、裝甲車、坦克、無人飛機(jī)等等，每個(gè)種類又分很多具體型號(hào)，目標(biāo)種類繁多；同時(shí)在實(shí)際測(cè)試過中，一般采用民航飛機(jī)或靶機(jī)來模擬目標(biāo)，導(dǎo)致無法真正意義上獲取“敵方”目標(biāo)數(shù)據(jù)。

b、目標(biāo)大規(guī)模和數(shù)據(jù)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性：雷達(dá)航跡處理軟件的多目標(biāo)處理能力一般在100批左右，甚至超過1000批，而目標(biāo)采集和處理周期一般在毫秒級(jí)，數(shù)據(jù)處理量大；而在實(shí)際測(cè)試過程中，通常采用一批或幾批民航飛機(jī)或靶機(jī)來模擬目標(biāo)，導(dǎo)致其航跡處理能力無法驗(yàn)證。

c、背景環(huán)境干擾的復(fù)雜性：目標(biāo)可能出現(xiàn)的背景一般包括山地、沙漠、城市、河流以及綜合背景，并且隨著氣象變化和電氣電磁環(huán)境而導(dǎo)致目標(biāo)背景環(huán)境干擾更加復(fù)雜，而在實(shí)際測(cè)試過程中，通常采用在固定場(chǎng)景中進(jìn)行，導(dǎo)致無法逐一驗(yàn)證，存在遺漏。

d、軟件運(yùn)行硬件環(huán)境非獨(dú)立性：雷達(dá)航跡處理軟件一般同接收機(jī)軟件、目標(biāo)檢測(cè)軟件、波束形成軟件、干擾檢測(cè)軟件和系統(tǒng)控制軟件運(yùn)行在同一主板上的不同芯片上，造成許多功能性能無法直接驗(yàn)證。

e、軟件工程化滯后：由于各個(gè)研制單位軟件工程化開展不均衡，導(dǎo)致許多研制方在描述軟件需求時(shí)存在描述不完整、不準(zhǔn)確、不清晰，導(dǎo)致難驗(yàn)證、漏驗(yàn)證的情況時(shí)有發(fā)生。

因此，在雷達(dá)產(chǎn)品研制過程中，急需構(gòu)建一套雷達(dá)航跡處理軟件仿真測(cè)試平臺(tái)，本文就如何構(gòu)建雷達(dá)航跡處理軟件仿真測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了探討。

1 雷達(dá)航跡處理軟件的仿真測(cè)試平臺(tái)搭建方法

在雷達(dá)航跡處理軟件仿真測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)中，航跡生成是關(guān)鍵，它為雷達(dá)航跡處理測(cè)試驗(yàn)證所需的目標(biāo)數(shù)據(jù)生成提供了針對(duì)性舉措，確保可利用生成的模擬目標(biāo)測(cè)試驗(yàn)證軟件對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法與跟蹤算法的正確性，并以此來提高算法的有效性與可靠性。生成的目標(biāo)數(shù)據(jù)必須符合飛機(jī)飛行速度與航跡特征，同時(shí)必須符合雷達(dá)測(cè)量特征，明確輸出目標(biāo)的基本距離、方位、高度與受到干擾的真實(shí)狀況等。

1.1 模擬目標(biāo)的選擇原則

目標(biāo)種類很多，每個(gè)種類又分為不同的具體型號(hào)，而每個(gè)目標(biāo)特性差異很大，并且不同雷達(dá)針對(duì)的目標(biāo)不同，因此在測(cè)試驗(yàn)證時(shí)非必要且不可能一一驗(yàn)證，需根據(jù)不同雷達(dá)特性和要求選擇不同的模擬目標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性測(cè)試驗(yàn)證，具體原則如下：

a、根據(jù)雷達(dá)型號(hào)研制總要求或研制合同，確定雷達(dá)的主要作戰(zhàn)使命、典型任務(wù)剖面和作戰(zhàn)對(duì)象，選擇典型目標(biāo)；

b、根據(jù)典型目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性，比如最大最小飛行速度、最大最小飛行高度、最大飛行加速度、最大飛行仰角、最大飛行滾轉(zhuǎn)角等，選擇飛行特性與之相似的目標(biāo)；

c、根據(jù)雷達(dá)類型和性能，包括波段、工作帶寬、作戰(zhàn)空域等，選擇與雷達(dá)極限性能相近的目標(biāo)。

1.2 模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型選擇

在選定模擬目標(biāo)后，需要根據(jù)典型目標(biāo)建立目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型，其步驟如下：

首先，根據(jù)典型目標(biāo)設(shè)置每類典型目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，比如最大最小飛行速度、最大最小飛行高度、最大飛行加速度、最大飛行仰角、最大飛行滾轉(zhuǎn)角等等。

其次，按照設(shè)置的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，設(shè)置目標(biāo)航跡產(chǎn)生模型，常用目標(biāo)航跡模型如下：

a、按預(yù)設(shè)航路點(diǎn)直飛：是飛機(jī)巡航、飛向攻擊對(duì)象、投放炸彈、發(fā)射低空導(dǎo)彈最常用的一種方式，也是最簡單的一種航路模擬，一般說來，目標(biāo)先沿著直線巡飛，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)攻擊范圍內(nèi)，進(jìn)行投彈，然后沿著一段圓弧爬升，可以將巡飛段和攻擊段飛別建立方程。其中還包括幾種特例：水平勻速直線運(yùn)動(dòng)、水平等加速運(yùn)動(dòng)、直線俯沖航路以及直線爬升。

b、水平圓弧航路（也叫盤旋航路）：飛機(jī)調(diào)準(zhǔn)航線或?qū)Φ啬繕?biāo)進(jìn)行偵察和攻擊的另外一種主要方式，主要特點(diǎn)是在水平面內(nèi)做等半徑、變半徑的圓弧飛行，垂直平面內(nèi)可以升降。其中以盤旋航路所在圓弧的圓心為極點(diǎn)，建立極坐標(biāo)系和航路方程，進(jìn)入段和離去段均可以按照直線建立巡飛方程。

c、垂直平面內(nèi)的圓弧運(yùn)動(dòng)（也叫俯沖航路）：飛機(jī)對(duì)地面固定目標(biāo)俯沖攻擊、偵察的一種主要方式，并且命中精度極高的一種方式。這種攻擊航路一般分為水平直線巡飛段、過渡段、爬升段、俯沖攻擊段、過渡段以及升空離去段，其中爬升段、俯沖攻擊段以及升空離去段均是直線運(yùn)動(dòng)，過渡段一般可以當(dāng)作圓弧運(yùn)動(dòng)。過渡段可以以所在圓弧的圓心為極點(diǎn)，建立極坐標(biāo)系和航路方程。

（1）導(dǎo)彈類目標(biāo)

可以按照導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)分為3段：爬升段、平飛段或滑翔段、末端導(dǎo)引段，分別按照相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型建立航路。

（2）炮射彈丸、火箭類目標(biāo)

炮射彈丸類、火箭類目標(biāo)的飛行運(yùn)動(dòng)軌跡一般選擇六自由彈道模型進(jìn)行模擬。不同口徑的炮射彈丸、火箭類目標(biāo)，需根據(jù)目標(biāo)特性，包括射程、重量等，對(duì)彈道模型的具體參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

（3）人工實(shí)時(shí)控制飛行

人工規(guī)劃航路，將航路分為若干段，分別設(shè)置航路上主要節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括飛行高度、速度、加速度、角速度，兩個(gè)主要節(jié)點(diǎn)之間通過節(jié)點(diǎn)參數(shù)按照目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性實(shí)時(shí)進(jìn)行插值產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)變化的連續(xù)性以及航跡的連續(xù)性。

1.3 干擾的形成

干擾按照干擾能量可分為有源干擾和無源干擾。其中無源干擾種類較多，一般包括箔條走廊、箔條區(qū)域、地物氣象干擾、鳥群干擾、建筑干擾等等。而有源干擾是現(xiàn)代電子戰(zhàn)中的主要方式，它是敵方有意施放的，針對(duì)性強(qiáng)，對(duì)雷達(dá)的破壞力也強(qiáng)，能夠直接進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)和同時(shí)進(jìn)入的回波信號(hào)進(jìn)行抗衡，破壞雷達(dá)正常工作，可分為壓制式和欺騙式。壓制式干擾按信號(hào)寬度可分為阻塞式、瞄準(zhǔn)式和掃頻式；按噪聲調(diào)制方式可分為射頻噪聲干擾、噪聲調(diào)幅干擾、噪聲調(diào)頻干擾、噪聲調(diào)相干擾、隨機(jī)脈沖干擾等。欺騙式干擾包括距離欺騙、角度欺騙、速度欺騙以及距離速度同步干擾等方式。也可以根據(jù)雷達(dá)體制進(jìn)行組合干擾。

干擾信號(hào)的選擇也可以根據(jù)雷達(dá)特性進(jìn)行，一般選擇與雷達(dá)接收機(jī)噪聲具有相似正態(tài)分布且具有最大遮蓋性熵的噪聲作為噪聲干擾信號(hào)，經(jīng)過加權(quán)調(diào)制而成。

1.4 多目標(biāo)模擬能力

a、單雷達(dá)多目標(biāo)能力：模擬同一雷達(dá)同時(shí)搜索跟蹤多批目標(biāo)；b、多雷達(dá)單目標(biāo)能力：模擬多部雷達(dá)同時(shí)搜索同一目標(biāo)的情況；c、多雷達(dá)多目標(biāo)能力：模擬多部雷達(dá)同時(shí)搜索多個(gè)目標(biāo)的情況。

2 對(duì)原始點(diǎn)跡與實(shí)時(shí)方位的記錄分析

在雷達(dá)航跡處理軟件的測(cè)試過程中，需要記錄大量雷達(dá)數(shù)據(jù)，一般以當(dāng)天日期為作為系統(tǒng)平臺(tái)模塊記錄文件名，將接收到的雷達(dá)點(diǎn)跡或模擬目標(biāo)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到硬盤中，在每經(jīng)過一個(gè)方位扇區(qū)就插入一個(gè)表示方位扇區(qū)號(hào)的同步碼，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原始點(diǎn)跡的實(shí)時(shí)方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與記錄,主要用于事后分析，并尋找出雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)處理中軟件缺陷。因此必須具備如下功能：

a、可通過記錄重演文件進(jìn)行重演，并顯示重演時(shí)間與進(jìn)度條內(nèi)容，默認(rèn)的重演速度應(yīng)該為1:1，結(jié)合方位扇區(qū)的同步碼，隨時(shí)改變重演速度，以找到可能引發(fā)錯(cuò)誤問題的條件，通常提供10檔重演速度選擇，包括1～9、48倍速。

b、可提取一次、二次雷達(dá)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，也包括對(duì)詢問機(jī)點(diǎn)跡的處理，通過表格、繪圖等方式繪制趨勢(shì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.1 數(shù)據(jù)記錄設(shè)計(jì)方法

如前文所述，雷達(dá)航跡處理測(cè)試環(huán)境構(gòu)建平臺(tái)中涵蓋了多種待處理的數(shù)據(jù)類型，包括一次雷達(dá)點(diǎn)跡、二次雷達(dá)點(diǎn)跡、詢問機(jī)點(diǎn)跡等，它們均存在于方位扇區(qū)中，應(yīng)結(jié)合距離、時(shí)間、方位、應(yīng)答高度、應(yīng)答代碼等指標(biāo)展開測(cè)試，建立航跡扇區(qū)管理體系，同時(shí)對(duì)方位扇區(qū)中的方位扇區(qū)號(hào)、時(shí)間等等進(jìn)行全面記錄。

首先，考慮到一次雷達(dá)點(diǎn)跡、二次雷達(dá)點(diǎn)跡以及詢問機(jī)點(diǎn)跡存在較大差異，因此需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，保證點(diǎn)跡背景、距離、方位位置、方位寬度、高度等滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)可獲取點(diǎn)跡背景判斷其點(diǎn)跡類型。如在點(diǎn)跡類型為0的一次雷達(dá)點(diǎn)跡中，需要根據(jù)點(diǎn)跡背景與其他比特位內(nèi)容表達(dá)其波束號(hào)、雷達(dá)工作參數(shù)等等重要參數(shù)指標(biāo)；點(diǎn)跡類型為1表示其數(shù)據(jù)而二次雷達(dá)所獲得點(diǎn)跡，如果點(diǎn)跡類型為2表示數(shù)據(jù)為詢問機(jī)點(diǎn)跡，需要對(duì)它們的點(diǎn)跡背景進(jìn)行分析，包括比特位、距離厚度、方位寬度、多普勒速度、幅度等等展開分析；如果點(diǎn)跡類型為3則表示數(shù)據(jù)在方位扇區(qū)中，此時(shí)同樣需要對(duì)其點(diǎn)跡背景進(jìn)行分析?？傊褪且`活合理應(yīng)用雷達(dá)航跡處理軟件處理某些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并記錄形成數(shù)據(jù)文件，主要用于事后回放操作與雷達(dá)航跡處理的計(jì)算、操作設(shè)計(jì)流程中[2]。

2.2 航跡處理數(shù)據(jù)重演設(shè)計(jì)應(yīng)用

雷達(dá)航跡處理軟件中是包括諸多組成部分的，其中最核心的4類線程就包括了主線程、時(shí)間線程、方位線程以及網(wǎng)絡(luò)通信線程。

其中主線程主要負(fù)責(zé)實(shí)施數(shù)據(jù)解析、航跡起始監(jiān)測(cè)、點(diǎn)航相關(guān)、濾波預(yù)測(cè)以及航跡輸出等過程內(nèi)容。同時(shí)它的數(shù)據(jù)解析也會(huì)針對(duì)一次雷達(dá)、二次雷達(dá)和詢問機(jī)點(diǎn)跡展開解析，并申請(qǐng)相應(yīng)的點(diǎn)跡鏈表，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)某些戰(zhàn)術(shù)干預(yù)操作的命令內(nèi)容解析。具體來講，當(dāng)雷達(dá)航跡起始點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跡鏈表產(chǎn)生影響時(shí)，就要對(duì)點(diǎn)跡的幀間相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，在目標(biāo)點(diǎn)跡成功積累若干幀，看其是否已經(jīng)滿足了航跡起始條件要求，是否已經(jīng)生成了目標(biāo)航跡。

再以點(diǎn)航相關(guān)指標(biāo)為例，如果專門實(shí)施目標(biāo)點(diǎn)跡與航行點(diǎn)跡的相互配對(duì)，則需要通過濾波預(yù)測(cè)點(diǎn)跡相關(guān)的目標(biāo)點(diǎn)跡與航跡內(nèi)容，在完全濾波處理后才能對(duì)目標(biāo)航跡的移動(dòng)位置實(shí)施動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，并同時(shí)展示航跡輸出的雷達(dá)航跡線路，采用方位線程對(duì)雷達(dá)方位內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)處理。在該過程中，時(shí)間線程是可以根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間隨意累加處理的，再通過網(wǎng)絡(luò)通信線程進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)報(bào)文與數(shù)據(jù)整理。

方位線程是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)政績系統(tǒng)的全時(shí)段、全方位有效解析的，可設(shè)置雷達(dá)系統(tǒng)方位為360°且完全輻射64個(gè)扇區(qū)，此時(shí)就能夠做到對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的回放重演。在該過程中，每當(dāng)雷達(dá)方位掃描通過一個(gè)扇區(qū)循環(huán)時(shí)系統(tǒng)就讀取一次記錄數(shù)據(jù)文件，而扇區(qū)所記錄的所有數(shù)據(jù)內(nèi)容都會(huì)形成一次、二次雷達(dá)點(diǎn)跡，且點(diǎn)跡能夠被插入到點(diǎn)跡鏈表中保存。再者，還可根據(jù)扇區(qū)的實(shí)際方位與記錄信息時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整，第一時(shí)間合理有效校正存在于線程中的系統(tǒng)時(shí)間累計(jì)結(jié)果。當(dāng)主線程在點(diǎn)跡鏈表起始位置時(shí)，就可以展開點(diǎn)跡相關(guān)、航跡輸出、濾波預(yù)測(cè)等等過程，主要對(duì)航跡的處理軟件真是數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行回放重演處理，保證做到雷達(dá)航跡處理測(cè)試軟件滿足技術(shù)要求，其所構(gòu)建的環(huán)境處理算法與操作設(shè)計(jì)測(cè)試內(nèi)容都能圍繞平臺(tái)展開，有效簡化工程工作流程，并發(fā)現(xiàn)、解決存在于軟件實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中所存在的各種技術(shù)缺陷問題[3]。

最后，還要在平臺(tái)搭建完畢后進(jìn)行點(diǎn)跡數(shù)據(jù)回放開關(guān)重演計(jì)算，結(jié)合點(diǎn)跡數(shù)據(jù)建立雷達(dá)點(diǎn)跡曲線，并實(shí)現(xiàn)航跡處理軟件功能模塊的全方位測(cè)試覆蓋。