面向關聯分析的可視化雷達對抗想定生成方法研究

李曉燕　郭金良　王振興　薛原

摘 要： 為增強戰情想定系統的易用性， 提高想定設計效率， 本文提出了面向關聯分析的可視化雷達對抗想定系統設計思路， 分析了雷達對抗仿真的戰情構成， 設計了分層模塊化的戰情結構， 研究了各個模塊的關聯模型， 并深入研究了主要的關聯計算數學模型， 包括通視模型、 雷達距離模型、 干擾壓制距離模型以及偵察作用距離模型。 在此基礎上， 分析了可視化的表現需求， 并針對關聯分析結果的可視化設計了一種改進的表示方法。 最后， 實現了一個完整的想定系統， 以運行實例驗證了該想定設計方法的有效性。

關鍵詞： 雷達對抗； 關聯分析； 想定； 可視化

中圖分類號： TN391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-5048（2018）03-0064-05

0 引 言

在當前日益復雜的電磁環境作戰背景下， 構建更加貼近實戰條件的仿真環境已經成為雷達對抗仿真研究的迫切需求， 戰情想定作為雷達對抗仿真環境模擬過程中不可缺少的重要環節， 面臨著更艱巨的任務。 一方面是戰情想定中的仿真模型更多、 仿真參數多元化； 另一方面就是戰情設計要充分考慮戰場環境及裝備之間的相互影響、 戰情結構越來越復雜。

在傳統的戰情想定設計中， 一般是以圖標的方式在二維背景地圖上部署裝備， 并在對應的表格中填寫相關參數， 自動化程度與可視化效果均不太理想， 同時， 由于缺乏有效的輔助分析， 對戰情設計人員的要求很高。 利用這種方法進行戰情設計易出現不太合理的情況， 往往需要在仿真運行之后， 重復進行戰情修改， 再運行仿真程序進行戰情驗證， 效率比較低。

對此， 本文在戰情想定設計中加入了實時的關聯分析計算， 并進行可視化的顯示， 使得戰情設計更具針對性與指導性， 從而提高戰情設計的效率， 降低戰情設計的復雜度。

1 想定分析與設計

雷達對抗仿真的戰情想定主要根據軍事使命和戰術原則， 結合仿真的特定需求， 對戰場環境、 參戰實體（武器裝備、 人員等）、 戰術編隊、 對抗措施等信息進行描述， 實施仿真推演編排， 為仿真系統運行提供初始化配置參數。 在現代戰場環境下， 雷達對抗系統的裝備組成很多、 戰場電磁環境復雜多變， 如果不考慮戰術、 后勤保障、 武器系統以及人的抉擇等因素， 其系統構成主要包括雷達、 偵察、 干擾、 雷達目標（包括各類飛機、 艦船和導彈）、 雜波環境、 背景電磁輻射、 電磁傳播環境等， 基本對抗模型見圖1。

為了規范想定的描述結構， 簡化設計過程， 基于分層模式分三層進行描述， 即環境層、 裝備層、 部件層。 在分層的基礎上， 基于模塊化的思想， 進一步對各層進行模塊分解， 結構見圖2。 第一層為環境層， 用于描述戰場環境， 分解出雜波、 傳播與背景輻射模塊； 第二層為裝備層， 用于描述雷達對抗作戰裝備實體， 按照基本裝備構成， 可以分解出雷達、 偵察、 干擾與雷達目標模塊； 第三層為部件層， 用于描述構成雷達對抗裝備的分系統模型。

對于各個想定模塊來說， 其參數結構是相對固定的， 可以獨立地為每個模塊設計戰情參數模板（包含所有初始化該模板的參數定義）。 有的情況下， 同一模塊可能需要提供多套參數模板， 例如， 對于天線模塊， 相控陣天線與機械掃描天線的描述參數就存在較大的差異， 需要分別設計參數模板， 想定編輯者則可以根據應用條件， 選擇不同的參數模板進行配置。 這樣， 通過參數模板的設計， 很好地實現了參數的模塊化配置， 可以有效保證各個模塊參數配置的完備性， 降低參數配置的難度與復雜度。 同時， 為了有效實現各個模塊的戰情關聯， 需要對各模塊之間的關系進行關聯分析， 保證參數配置的合理性。 對于部件層的模塊， 只需要考慮同一裝備下所對應的各模塊之間的關聯， 以保證各仿真裝備實體的分系統之間的參數一致性， 其關聯模型與具體裝備實體相關， 可以由仿真裝備實體模型設計者來提供， 而不必要在想定設計中進行分析； 對于裝備層的模塊， 各模塊分別對應一個裝備實體， 各實體則通過環境層發生交互， 而環境層是戰情想定的基礎部分， 與具體戰情緊密相關， 因此， 該層的模型交互關系是想定設計中的關注重點。 下面主要針對裝備層的戰情模塊， 分析模塊間相互關聯的戰情關聯模型及其可視化方式， 為戰情設計提供合理性參考。

2 關聯計算模型

在雷達對抗的戰情想定中， 對應裝備層的模塊， 以雷達為中心， 主要分析三類戰情關聯關系：

（1） 雷達與目標： 分析雷達對目標的探測能力， 數學模型主要包括通視模型、 雷達距離模型。

（2） 雷達與干擾： 分析干擾對雷達探測性能的影響， 數學模型主要包括通視模型、 干擾壓制距離模型。

（3） 雷達與偵察： 分析偵察對雷達信號的偵測能力， 數學模型主要包括通視模型、 偵察作用距離模型。

2.1 通視模型

另一方面是考慮地表起伏的遮擋效應， 需要結合地表的高程數據進行幾何運算， 如圖3所示， 最大視距為視點到第一個遮擋點之間的距離， 可以基于Bresenham直線算法進行計算。

3 面向關聯分析的可視化設計

在戰情想定中， 為了讓戰情設計的過程更加方便快捷， 提供一個簡單易用的想定編輯系統是至關重要的。 基于用戶的軟件使用體驗， 圖形可視化是最直觀、 最易于操作的方式， 因此， 想定系統設計的基本準則就是最大程度的可視化顯示與操作。 要實現想定系統的圖形可視化， 需要建立一個動態可擴展的圖形編輯框架， 從功能上來看， 一般應該包含以下內容： 戰場電子地圖加載與瀏覽管理、 模型圖元的動態加載與管理、 模型圖元與電子地圖的分層疊加。 在此基礎之上， 基于本文的面向關聯分析的研究思想， 需要實時將關聯分析的結果以圖形可視化的方式表現出來， 為戰情編輯提供有效參考， 提高想定系統的易用性。

首先， 以雷達探測距離為例進行分析。 在雷達對抗仿真的戰情設計中， 雷達探測距離的分析是最常見的， 主要是為雷達目標的部署與航跡規劃提供參考。 在傳統的戰情設計軟件中， 一般基于雷達方程繪制雷達探測范圍， 其可視化表現方法大都是以雷達為中心、 雷達作用距離為半徑的圓環進行表示， 圓內為可探測區域， 圓外為不可探測區域， 如圖4所示。 這樣的可視化方法比較直接， 但是其缺陷也很明顯， 因為對不同的目標或者不同飛行高度的目標， 其雷達作用距離是不一樣的， 在比較復雜的戰情中， 如果需要設置多批目標， 則需要以一組同心圓進行表示， 目標與圓環的對應關系難以明確， 將會使得表示效果非常混亂， 戰情越復雜， 效果越差。

為適應復雜戰情設計的需求， 需要對傳統的可視化方法進行改進。 在戰情設計中， 雷達作用距離與目標RCS以及飛行高度等因素相關， 在部署雷達目標時， 其雷達作用距離應該是動態可變的， 這就增加了可視化表現的難度， 然而， 戰情編輯者實際上往往關注的僅僅是雷達在目標方向上的作用距離， 由此也給可視化表現提供了參考， 即可以在雷達與目標之間建立連線關聯， 并通過改變連線狀態來表示不同的信息。 對于雷達作用距離， 可以在連線上對應的位置進行圖標標記， 簡單明了地表示雷達對該目標的作用距離， 同時， 可以在圖標處標注對應的數值， 使得可視化表示效果更加準確， 提供更多的參考信息， 如圖5所示。

基于改進的可視化思想， 對于通視距離、 干擾壓制距離、 偵察距離的可視化表示也變得相對容易， 與雷達作用距離的表示類似， 只需要定制不同的圖標即可表示不同的內容。 同時， 為了增強可視化表現效果， 可以增加顏色的設計， 如表1所示。

4 想定系統實現

在Windows平臺下， 結合VC與Qt的編程， 設計開發了一個雷達對抗戰情想定系統， 包含了完整的戰情編輯、 戰情生成以及戰情管理功能， 其運行界面如圖7所示。

戰情編輯是想定系統的核心部分， 包括： （1）想定模型管理， 如圖7左側導航控件所示， 用于維護可用于戰情編輯的所有模型， 并為每類戰情模型建立關聯的圖形索引； （2）想定場景編輯， 如圖7中間地圖區域所示， 用于圖形化的編輯戰情場景； （3）想定參數編輯， 如圖7右側參數編輯控件所示， 用于編輯對應戰情模型的參數。

戰情生成用于將戰情想定場景轉化為戰情描述， 為了實現戰情的存儲、 交換和重用， 需要用一種標準的規范來描述想定， 采用當前比較通用的結構化數據規范 XML進行描述。 戰情管理用于存儲、 維護、 加載戰情描述文件， 并負責將戰情描述文件轉化為戰情想定場景。

5 總 結

本文提出了面向關聯分析的戰情設計方法， 并進行了可視化設計， 最后開發了一個完整的戰情想定系統。 實踐證明， 該系統在戰情編輯過程中能實時提供關聯分析的結果， 并且具有較好的可視化效果， 從而大大降低了戰情設計的難度， 避免了戰情設計的盲目性， 有效提高了戰情設計的效率， 具有較好的應用價值。

參考文獻：

[1] 龔建興， 王達， 邱曉剛， 等. HLA 聯邦成員中模型的重用性研究[J]. 系統仿真學報， 2005， 17（11）： 2652-2655.

Gong Jianxing， Wang Da， Qiu Xiaogang， et al.Research on Models Reuse in HLA Federate[J]. Journal of System Simulation， 2005， 17（11）： 2652-2655.（in Chinese）

[2] 楊威， 李俊山， 張媛莉. 基于HLA的雷達對抗訓練仿真系統研究[J].微計算機信息， 2006， 22（1）： 240-243.

Yang Wei， Li Junshan， Zhang Yuanli.Study of Radar Countermeasure Training and Simulation System Based on HLA[J].Microcomputer Information， 2006， 22（1）： 240-243.（in Chinese）

[3] 張建偉， 李輝， 游志勝. 用CORBA實現實時分布式仿真系統[J].四川大學學報（自然科學版）， 2003， 40（1）： 168-170.

Zhang Jianwei， Li Hui， You Zhisheng.Using CORBA to Realize a RealTime Distributed Simulation System[J].Journal of Sichuan University（Natural Science Edition）， 2003， 40（1）： 168-170.（in Chinese）

[4] DAmbrogio A， Gianni D. Using CORBA to Enhance HLA Interoperability in Distributed and WebBased Simulation[C]∥19th International Symposium on Computer and Information Sciences （ISCIS 2004）， KemerAntalya， Turkey， 2004.

[5] 毛媛， 李伯虎， 柴旭東.HLA的互操作以及基于CORBA的實現[J].系統仿真學報， 2000， 12（5）： 499-502.

Mao Yuan， Li Bohu， Chai Xudong. HLA Interoperability and Its Implementation Based on CORBA[J].Journal of System Simulation， 2000， 12（5）： 499-502.（in Chinese）

[6] 潘慧芳， 周興社， 於志文.CORBA構件模型綜述[J].計算機應用研究， 2005， 22（5）： 14-15.

Pan Huifang， Zhou Xingshe， Yu Zhiwen.An Overiew of CORBA Component Model[J].Application Research of Computers， 2005， 22（5）： 14-15.（in Chinese）

[7] 馮潤明， 王國玉， 黃柯棣.TENA及其與HLA的比較[J]. 系統工程與電子技術， 2005， 27（2）： 288-291.

Feng Runming， Wang Guoyu， Huang Kedi.TENA and Its Comparison with HLA[J].Systems Engineering and Electronics， 2005， 27（2）： 288-291.（in Chinese）

[8] Buss A H， Jackson L. Distributed Simulation Modeling： A Comparison of HLA， CORBA， and RMI[C]∥ Proceedings of 1998 Winter Simulation Conference， Washington， DC， USA， 1998： 819-824.

[9] Reilly S， Williams H. IDL4HLA： Implementing CORBAIDL Middleware for HLA[C]∥ The 2001 Spring Simulation Interoperability Workshop v.1， Orlando， FL， USA， 2001.

[10] 王國玉， 汪連棟， 王國良. 雷達電子戰系統數學仿真與評估[M]. 北京： 國防工業出版社， 2004.

Wang Guoyu， Wang Liandong，Wang Guoliang. Radar Ecectronic Warfare System Simulation and Evaluation[M].Beijing： National Defence Industry Press， 2004.（in Chinese）

Abstract： In order to enhance the usability of the scenario system and improve the design efficiency， the design idea of visual radar countermeasure scenario oriented to correlation analysis is suggested. The scenario framework of radar countermeasure simulation is analyzed， the stratified module scenario structure of radar countermeasure is designed， the correlation models of each module are researched， and the main mathematical models of correlation calculation are fully researched， including straight line sight model， radar range model， jam suppression range model and scout range model. Furthermore， the visualization requirements are analyzed， an improved visualization method is suggested to visual the result of correlation analysis. Finally， an integrated scenario system is realized， and the feasibility of this scenario design method is proved by practical system.

Key words： radar countermeasure； correlation analysis； scenario； visualization