基于HLA和PCI-E的雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究*

徐 飛 易成濤

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院航海系 大連 116018)

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基于HLA和PCI-E的雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究*

徐 飛1易成濤2

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院航海系 大連 116018)

為了節(jié)約部隊(duì)日常訓(xùn)練中雷達(dá)海情模擬器的設(shè)計(jì)成本，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種通用雷達(dá)模擬源,并根據(jù)雷達(dá)接收數(shù)據(jù)信息量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用PCI-Express總線來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡堋Ｗ詈蠡贖LA構(gòu)建了可擴(kuò)展、可重用的雷達(dá)目標(biāo)跟蹤仿真系統(tǒng)，結(jié)果表明該仿真系統(tǒng)能夠逼真有效地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)的跟蹤仿真，能夠較好地適應(yīng)部隊(duì)日常訓(xùn)練，對(duì)以后的實(shí)戰(zhàn)研究具有一定的參考價(jià)值。

雷達(dá)； 模擬源； PCI-Express； HLA

Class Number TN95

1 引言

近年來，我國海上環(huán)境安全問題愈演愈烈，東海和南海沖突時(shí)有發(fā)生，從近來的幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)看，情報(bào)的獲取對(duì)打贏一場(chǎng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的必要性越來越受到重視[1]。而對(duì)一艘艦船來說，提早、快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并跟蹤可疑目標(biāo)，對(duì)接下來的戰(zhàn)爭(zhēng)無疑是掌握了先發(fā)制人的準(zhǔn)備。現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)武器的維護(hù)與保養(yǎng)費(fèi)用越來越高，使得部隊(duì)不能及時(shí)有效地得到長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練，戰(zhàn)斗力的提升得不到有效的保障，開發(fā)與之配套的訓(xùn)練用仿真設(shè)備對(duì)解決這一難題有著重要作用。

從國內(nèi)外的雷達(dá)仿真器研究現(xiàn)狀來看，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)跟蹤的基本功能，但是在數(shù)據(jù)量越來越大的今天，保證數(shù)據(jù)接收的實(shí)效性和準(zhǔn)確性方面還有待進(jìn)步，同時(shí)在信號(hào)接收與處理的各個(gè)模塊之間的有效轉(zhuǎn)換也是一個(gè)亟待解決的問題。針對(duì)這些現(xiàn)狀，本文基于HLA和PCI-Express總線構(gòu)建了一套雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，通過運(yùn)用PCI-Express總線的高速傳輸特性和HLA分布交互仿真技術(shù)可以有效地滿足目前部隊(duì)對(duì)于可疑目標(biāo)的跟蹤模擬訓(xùn)練要求。

2 分布式雷達(dá)目標(biāo)跟蹤仿真系統(tǒng)原理

一個(gè)完整的雷達(dá)目標(biāo)跟蹤仿真系統(tǒng)分為雷達(dá)模擬源模塊仿真、數(shù)據(jù)采集模塊仿真、跟蹤濾波模塊仿真和效能評(píng)估模塊仿真四個(gè)核心部分[2]。雷達(dá)模擬源模塊仿真是模擬雷達(dá)獲得目標(biāo)的各種運(yùn)動(dòng)信息以及不同雜波干擾信息。數(shù)據(jù)采集模塊仿真是模擬雷達(dá)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以后傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng)的過程[3]。跟蹤濾波模塊仿真是對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信息進(jìn)行濾波跟蹤，最終形成目標(biāo)準(zhǔn)確的航跡。效能評(píng)估模塊仿真是對(duì)所有算法進(jìn)行綜合的評(píng)估，以便進(jìn)行比較改正。運(yùn)用HLA分布交互仿真技術(shù)將雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤進(jìn)行模塊化仿真。雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)原理

3 雷達(dá)模擬源的設(shè)計(jì)

雷達(dá)模擬源分為兩個(gè)主要部分：海情數(shù)據(jù)庫的建立和雷達(dá)特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立[4]。海情數(shù)據(jù)庫的建立需要收集多種典型假想敵的艦船參數(shù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)建立模型，模擬單批次、多批次機(jī)動(dòng)目標(biāo)航跡，同時(shí)生成各種不同的干擾信號(hào)，如島嶼雜波、海浪雜波等，對(duì)生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行索引、管理和保存，同時(shí)向雷達(dá)模擬器發(fā)送模擬的數(shù)據(jù)[5]。雷達(dá)特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立是模擬多個(gè)不同雷達(dá)搜索目標(biāo)的特征信息，如最小探測(cè)距離和方位等。雷達(dá)模擬源的設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

目標(biāo)信號(hào)回波的功率可根據(jù)雷達(dá)方程估計(jì)[6]：

(1)

式中：R為雷達(dá)距離目標(biāo)的距離；Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；Gt為雷達(dá)天線增益；σ為目標(biāo)散射截面積。

圖2 雷達(dá)模擬源設(shè)計(jì)原理

4 數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是現(xiàn)代雷達(dá)裝備研制中不可或缺的一部分，該系統(tǒng)的主要功能包括雷達(dá)回波信號(hào)的高速采集和海量存儲(chǔ)，傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)運(yùn)用的是USB2.0或者USB3.0傳輸數(shù)據(jù)，雖然實(shí)現(xiàn)了方便快捷、即插即拔的思想，但是對(duì)于雷達(dá)信號(hào)的實(shí)時(shí)性和大量性特點(diǎn)選則性的進(jìn)行了忽略，嚴(yán)重不符合軍隊(duì)現(xiàn)實(shí)的需要要求[7]。而PCI-E總線具有速度高、可靠性好、數(shù)據(jù)不易丟失等特點(diǎn)，因此其能較好地適應(yīng)當(dāng)前的部隊(duì)需求，應(yīng)用前景較好[8]。

圖3 數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)原理

5 跟蹤濾波模塊的設(shè)計(jì)

在整個(gè)雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中跟蹤濾波算法是重中之重。不同目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型采用不同的濾波算法對(duì)其進(jìn)行濾波，在雷達(dá)目標(biāo)跟蹤方面，濾波算法有α—β算法、卡爾曼濾波算法和推廣的卡爾曼濾波算法等[9]。典型的機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型有CV模型、CA模型、Singer模型和CS模型。下面就CV勻速運(yùn)動(dòng)模型和CA勻加速運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)要介紹一下。

設(shè)目標(biāo)在一維空間作勻速直線運(yùn)動(dòng)，則連續(xù)條件下用高斯白噪聲描述的CV模型為

(2)

設(shè)目標(biāo)在一維空間作勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則連續(xù)條件下用高斯白噪聲描述的CA模型為[10]

(3)

圖4所示為跟蹤算法流程。

6 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)目標(biāo)跟蹤仿真系統(tǒng)無法實(shí)時(shí)大量收集目標(biāo)雷達(dá)信息，雷達(dá)模擬系統(tǒng)復(fù)雜多樣，跟蹤算法無法逼真準(zhǔn)確顯示目標(biāo)的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)研究了一種新型雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，闡釋了一種新的系統(tǒng)構(gòu)建的思想，使得本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高的特點(diǎn)，為我軍海洋權(quán)利的維護(hù)，海洋強(qiáng)國的建立提供強(qiáng)了有力的支撐。

圖4 跟蹤算法流程

[1] 馬萍.基于PCI Express總線高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:中國科學(xué)院研究生院(空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心),2008.

[2] 蘭華,楊峰,吳俊,等.HLA的雷達(dá)目標(biāo)跟蹤算法驗(yàn)證系統(tǒng)[J].火力與指揮控制,2012(2):112-115,119.

[3] 周換.基于PCI Express總線的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯控軟件設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.

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[5] 宋杰,何友,唐小明.基于FPGA的超高速雷達(dá)信號(hào)實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2005(11):18-20.

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[8] 葛起翔.基于PCI總線的高速雷達(dá)數(shù)據(jù)采集回放系統(tǒng)的研制[D].南京:南京信息工程大學(xué),2007.

[9] 張連偉,華祖耀.基于HLA的雷達(dá)訓(xùn)練仿真器雷達(dá)方開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2004(7):20-21,185.

[10] 肖強(qiáng),李孝玉,黃世銀,等.基于HLA信號(hào)級(jí)火控雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)仿真[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2016(2):268-271.

Design and Research of Radar Target Tracking System Based on HLA and PCI-E

XU Fei1YI Chengtao2

(1.Administrative Division for Postgraduates, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)(2.Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)

In order to reduce the design cost of radar sea situation simulation of forces’ daily training, a general radar simulator is designed and realized.Based on its large volume of data and high real-time performance, PCI-Express is chosen to achieve a high-speed data transmission. Extensible and repeatable radar target tracking simulation system based on HLA is developed in this paper. The simulation result indicates that the dynamical process of target tracking is carried out through the simulation system distinctly and effectively, which is good for daily training of the forces and of some reference value for the research on practical research.

radar, signal simulation, PCI-Express, HLA

2016年5月12日,

2016年6月26日

國家自然科學(xué)基金(編號(hào)：61002052)；遼寧省自然科學(xué)基金(編號(hào)：2015020086)；遼寧省博士啟動(dòng)基金(編號(hào)：201501029)資助。

徐飛,男,碩士,研究方向：交通信息工程及控制。易成濤,男,博士,副教授，研究方向：交通信息工程及控制。

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.017