一種通用雷達模擬源的設計和實現

簡力 朱瑩

上海機電工程研究所，上海201109

近幾場局部戰爭表明，空襲對戰爭的進程和結局有重大影響，并且現代戰爭中多采用超遠程、一體化、快節奏和高精度的空天合成信息化空襲，防空作戰正面臨著嚴峻挑戰［1］。因此，加快防空裝備發展對提升防空部隊戰術水平、增強部隊戰斗力有重大軍事意義。

在地面防空導彈型號設計過程中，需要驗證武器的作戰流程和指標，這要求在實驗室搭建一個閉環系統，該系統不僅需要模擬武器系統，也需要模擬多部雷達以及空情信息環境。因此需要設計雷達模擬源，用于模擬搜索雷達和多部跟蹤雷達的空情輸出。雷達模擬源［2］是模擬仿真技術與雷達技術相結合的產物，它通過模擬的方法產生雷達操作面板和顯示器所需的各種信號，以便在實際雷達系統前端不具備的條件下，能夠真實地描述雷達的工作狀態和過程。

隨著型號的增多，針對具體型號的雷達模擬源已經無法滿足當前緊迫的需求。通過研制一套通用的雷達模擬源，可以突破型號的限制，兼容多種型號的雷達模擬源，解決作戰系統仿真的通用性問題。另外，隨著研制型號數量的增加和經驗的豐富，積累了典型目標和典型雷達的信息，能提高模擬源的模擬真實程度。

總之，該種通用雷達模擬源作為一個通用化和更專業化的工具，能提高地面防空武器系統設計的效率和實驗模擬水平，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模擬器組成該通用模擬源。在分析2個模擬器功能的基礎上，分別實現2個模擬器的設計和兩者的通訊設計，最終實現通用雷達模擬源設計。

1 需求分析及概念建模

1.1 需求分析

通用雷達模擬源用于試驗室條件下的防空武器系統軟件開發調試和外場地面聯試，需要實現以下功能:1)模擬多批次、多類型的復雜空情;2)實現模擬多種搜索雷達和跟蹤雷達的同源空情輸出。

1.2 概念建模

分別設計空情模擬器和雷達模擬器這2個軟件配置，完成上述2種功能。

1.2.1 空情模擬器實現空情定制生成功能

空情模擬器實現空情定制生成功能流程圖如圖1所示。

圖1 通用空情模擬器設計流程圖

1)收集多種典型飛行器目標的運動參數，建立飛行器參數數據包。目標類型涵蓋了多種主流戰機、直升機和空地彈;目標的參數包括空速、升限、RCS和過載等。

2)依據數據包中指定目標的特性，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動的目標航跡，對生成的數據進行索引、管理和存儲。

3)設置定制空情:將多個原始空情數據組合，可對每個原始數據的播放進行設置，包括出現時間、誤差設置等，形成多架次、多批次的空情想定。

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

1.2.2 雷達模擬器實現同源目標的雷達模擬輸出功能

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

該模擬器還可以根據目標的作戰樣式，結合干擾模式對雷達的作用效果，輸出同源的雷達數據，作為地面武器系統的目標輸入，如圖2所示。

圖2 通用雷達模擬器設計流程圖

1.2.3 雷達模擬源的工作流程

設計的通用雷達模擬源的工作流程如下:空情模擬器生成空情信息，發送給雷達模擬器;雷達模擬器模擬多種雷達的工作方式，處理接收到的空情，生成雷達輸出數據，發送給武器系統，完成雷達的空情模擬功能。

2個模擬器之間采用網絡通訊方式，在一個計算機或在不同計算機上進行數據通訊。邏輯連接圖如圖3。

1.3 通用雷達模擬源技術指標

最大模擬雷達類型:20種;同時模擬搜索雷達數≥2;同時模擬跟蹤雷達數≥4;最大模擬目標類型數:100;最大空情目標數:200批;最大目標速度:5Ma;雷達輸出頻率:0.1～20Hz。

圖3 通用雷達模擬源邏輯連接圖

2 軟件設計與實現

2.1 空情模擬器與雷達模擬器的通訊設計

2.1.1 網絡通訊方式

1)依據系統的通訊要求，實現1對1、1對多的數據通訊，也可在一臺計算機上實現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)空情模擬器將目標信息送給雷達模擬器，由于搜索雷達和跟蹤雷達的數據頻率不一致，所以目標信息分2種頻率進行發送。這里假設一種武器的全部跟蹤雷達數據頻率都相同。

2.1.2 傳輸的數據內容

1)空情模擬器向雷達模擬器傳輸目標信息，數據的內容應滿足雷達模擬器的模擬計算，傳輸的數據包括:目標號，目標的位置、速度數據、該數據的時間，目標的RCS數據及干擾數據。

2)空情模擬器定期發送目標的觀測中心位置信息，空情信息以該中心播發，雷達模擬器使用該位置和雷達自身位置實現坐標的轉換。

2.1.3 發送數據的報文設計

為滿足每秒最大200批目標的可靠傳輸，避免因同時傳輸的數據報文過多導致UDP丟包，同時還應限制報文的長度，避免過長的UDP報文傳輸產生通信異常，采用了可變長度設計和分包發送設計。即在1個報文中放置一定數量的目標信息，同一時刻產生的目標信息由1個報文發送或拆為幾個報文發送。

2.2 空情模擬器的設計

2.2.1 空情目標的坐標系選取

生成的空情應具有可重復使用性，因此，目標的位置信息數據格式選用相對坐標系，即相對于觀測中心(通常默認搜索雷達為中心)的距離、方位和俯仰來描述目標的航跡。

2.2.2 飛行器參數庫設計

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

設計的空情模擬器軟件包含了目標庫中目標增加、修改、刪除等維護功能，數據庫采用Windows的INI文件形式。數據項包括: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動特性限制，需要根據飛行器的類型設置航跡的方位、高度、速度、航向和航路捷徑等參數。

在空情模擬器的初期，本文先設計了簡單的直線航跡，為了后期航跡復用，又進一步實現了可一次生成多批直線航跡的功能，并對航跡增加說明。

由于發送頻率隨雷達的數據輸出頻率而改變，所以航跡的存儲采用描述語言進行保存，存儲的文件格式采用INI文件格式，實現了對過去制作的航跡文件進行編輯。直線航跡制作功能分解如圖4。

2.2.4 機動航跡的生成

在設計了直線航跡的基礎上，本文設計的空情模擬器又進一步制作了單條機動航跡。設置初始的目標類型、位置速度和初始段的飛行時間數據后，再添加垂向機動和水平機動，制作機動航跡的界面如圖5所示。

現代戰爭中，電磁干擾環境無時無刻不在變化，而且，先進干擾系統一般都自帶偵察設備，干擾針對性強，作用顯著。因此，在設計空情模擬器時，增加了噪聲干擾、函數掃頻、箔條干擾、距離和速度欺騙，多假目標干擾、轉發式干擾、多普勒干擾和拖曳式干擾共8種干擾方式。

機動航跡圖界面右上部下拉選擇框即為干擾選項，可選8種干擾方式，干擾選項下方的列表框表示每個機動段的條目，右下方為注釋說明區，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置對話框，可產生直線航跡。航跡的第一段可以設置全部的參數，之后的飛行段僅可設置部分參數。

圖4 直線航跡制作功能

圖5 機動航跡制作功能的界面示意圖

機動目標運動采用三自由度模型，即將空襲目標理想化為一個質點，用質點在三維空間中的位置來描述目標的運動，同時忽略地球曲率的影響。

在目標航向坐標系OXmZmHm中構建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 復雜空情的生成

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

為了模擬真實的作戰環境，在生成復雜空情時，除了組合直線航跡、機動航跡外，必須以戰術任務為依據，并支持對抗，因此還必須考慮下列因素:

1)空襲兵器編隊數量和按兵器類型、數量的組成;

2)空襲兵器編隊的飛行速度、高度、航路捷徑和進入、退出攻擊時的航跡;

3)空襲編隊載機的機載武器、彈藥類型和數量;

4)機載武器、彈藥投放或發射的距離、高度、速度;

5)空襲兵器的時空參數，即各機群按時間和位置的相互作用關系等。

現代防空作戰中，空襲目標多以小編隊，多批次形式進入，并且帶有明確的作戰意圖，由于空襲目標流的隨機性，處理上通常認為其服從泊松分布。

2.2.6 空情的發送處理

選取空情后，需設置搜索雷達、跟蹤雷達的頻率，以及搜索雷達(觀測中心)的坐標，確認發送后，在界面上同步顯示目標的航跡和數據如圖6和7。

圖6 目標的航跡圖

圖7 目標的數據顯示

2.3 雷達模擬器的設計

2.3.1 雷達參數庫設計

雷達數據庫包含幾種搜索雷達和跟蹤雷達的特性數據，用于模擬雷達的工作過程，參數包括:雷達名稱、雷達水平方位角范圍、雷達最小俯仰角、雷達最大俯仰角、雷達作用距離、雷達搜索轉速、雷達數據更新率和雷達檢測RCS等參數，雷達庫對應雷達庫管理功能，雷達庫的保存采用Windows的INI文件格式。

2.3.2 模擬雷達對目標的處理

雷達模擬器可模擬搜索雷達和跟蹤雷達的工作過程。其工作包括檢測和建航兩部分，該系統處理的重點是雷達檢測。

雷達模擬器可模擬搜索雷達的搜索功能，指向的作用扇區內的目標若符合雷達的威力范圍，則該目標被檢測。雷達的威力范圍判定包括扇區范圍、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。搜索雷達仿真的界面如圖 8所示。

圖8 雷達模擬器模擬搜索雷達的界面

雷達模擬器也可模擬跟蹤雷達的跟蹤功能。通過設置其天線調轉角度實現對目標的跟蹤。雷達的威力范圍判定包括扇區范圍、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。跟蹤雷達仿真的界面如圖9所示。

2.3.3 雷達數據的輸出

雷達的目標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的要求進行定制輸出，傳輸給武器系統的指控和火控子系統。

圖9 雷達模擬器模擬跟蹤雷達的界面

3 總結

為滿足防空作戰的緊迫需求，節約防空導彈武器系統設計的資源，本文按照“通用+專用”的設計思想，設計了一種通用雷達模擬源。該模擬器的空情功能比較完善，可滿足各種空情的制作，較以往武器系統的雷達模擬更加趨向真實。

后續工作中可進一步完善雷達模擬器的功能，使之更真實的仿真作戰環境。

［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，張衛杰.雷達模擬器的設計與實現［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.)