場景設(shè)置模型的研究與實現(xiàn)

李 鵬，李圳峰

(1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101； 2.解放軍63850部隊，吉林 白城 137000)

0 引 言

隨著現(xiàn)代雷達技術(shù)以及電子對抗技術(shù)的迅速發(fā)展，戰(zhàn)場電磁信號環(huán)境也隨之日益復(fù)雜，新研雷達和電子戰(zhàn)裝備的生產(chǎn)、調(diào)試、性能檢測、評估鑒定已無法單純依賴外場試驗。[1]外場試驗不但成本昂貴，而且理想復(fù)雜電磁環(huán)境的構(gòu)建也很難得以實現(xiàn)，而內(nèi)場復(fù)雜電磁環(huán)境的構(gòu)建為解決這一問題提供了有效的途徑。通過雷達及電子對抗模擬仿真設(shè)備能夠在內(nèi)場環(huán)境下構(gòu)建逼真的雷達信號、雷達目標(biāo)回波、雷達干擾信號以及通信、導(dǎo)航等信號組成的復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境，雷達場景設(shè)置模型的研究和實現(xiàn)就是針對這一問題為雷達性能的測試提供必要的驗證環(huán)境。

1 場景設(shè)置模型功能分析

場景設(shè)置模型可以根據(jù)給定的基本需求進行場景設(shè)置，生成相應(yīng)文件，自動存儲所生成的文件。其中場景設(shè)置功能主要包括輻射源編輯、平臺編輯和場景編輯。輻射源編輯是指對雷達輻射源參數(shù)特征進行編輯；平臺編輯是指對平臺定義和輻射源載荷進行添加；場景編輯是指對要模擬的空間場景和戰(zhàn)斗布置進行想定的設(shè)計。場景設(shè)置模型還具有對場景設(shè)置產(chǎn)生的文件進行查詢、瀏覽、編輯等管理的功能。

場景設(shè)置模型能夠按照場景設(shè)置產(chǎn)生的文件，根據(jù)設(shè)定的時序進行演示過程控制，可以精確控制輻射源信號發(fā)射時間。

場景設(shè)置模型還可以根據(jù)場景設(shè)置文件規(guī)定的信號環(huán)境，同時產(chǎn)生最多2部輻射源信號和各相關(guān)平臺的位置、航速、航向等信息。

場景設(shè)置模型的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 場景設(shè)置模型功能結(jié)構(gòu)圖

在編隊作戰(zhàn)平臺協(xié)同偵察定位與識別仿真時，要通過3個通道將信號發(fā)射出去，而本場景設(shè)置模型中只采用了一個通道的信號源，因此對于多部雷達信號的產(chǎn)生，會存在嚴(yán)重的丟失信號的問題，但這個問題可以通過設(shè)置合適的戰(zhàn)情避免。

頻率源輸出產(chǎn)生的雷達信號的脈寬并不是場景設(shè)置的雷達脈寬，而是與最大路程差相關(guān)的數(shù)值，具體的頻率源輸出的脈寬是最大路程差與設(shè)置脈寬的和[2-3]。正是由于頻率源將雷達的脈寬進行展寬，因此脈沖丟失準(zhǔn)則也是按照展寬后的脈沖寬度將重疊的脈沖進行丟失。

而真實脈寬的輸出是由后端的調(diào)制器根據(jù)3個接收站的相對延時進行調(diào)制，產(chǎn)生相對的時間延遲及真實的脈寬，示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 信號調(diào)制示意圖

由于本場景設(shè)置模型只有一套頻率源，當(dāng)同時產(chǎn)生2部雷達信號時，2部雷達脈沖信號在時間上會出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，這時就要進行丟脈沖處理。

場景設(shè)置模型中脈沖排隊丟失模塊的功能就是將2部輻射源的脈沖描述字依據(jù)到達時間(TOA)從小到大的順序進行交叉排列，并按脈沖丟失準(zhǔn)則對重疊脈沖進行丟脈沖處理，在同一時刻只保留一個脈沖信號。

2 仿真模型

2.1 坐標(biāo)系及坐標(biāo)變換

在本模型中坐標(biāo)系采用大地直角坐標(biāo)系如圖4所示，坐標(biāo)原點O位于海拔高度為0的大地表面上的一點，X軸定義為過原點切于緯度弧線且指向東；Y軸定義為過原點切于經(jīng)度弧線且指向北極方向；Z軸按右手法則，指向天頂。

雷萬春是畬族人民心目中的大英雄，其傳說、故事自古以來在浙南到閩東、閩中、閩南一帶的畬鄉(xiāng)中被編成歌言廣泛流傳。由于傳唱的歷史悠久，不同地區(qū)的畬民會根據(jù)他們的所在地的祖輩事跡與當(dāng)?shù)亓?xí)俗增添新的歌詞，所以版本各異，甚至歌名亦有所不同。如在閩東的福安畬區(qū)，則為《鐘景祺與雷萬春》[2]；在閩東的霞浦畬區(qū)，則為《雷萬春打虎記》。現(xiàn)存較完整的《雷萬春打虎記》版本是由閩東畬家人藍興發(fā)采錄的以漢語來記畬音的七言體詩歌抄本，并編入其主編的《傳世畬歌》一書，于2014年由中央民族大學(xué)出版社出版發(fā)行。

以平臺坐標(biāo)系Ot-xtytzt為基準(zhǔn)，將坐標(biāo)原點Ot到目標(biāo)的方向定義為徑距方向，之間的距離R稱為斜距；將斜距在xtyt面內(nèi)的投影與Otyt軸之間的夾角A(0°～360°)定義為方向角，順時針方向為正；將斜距與xtyt面之間的夾角E定義為仰角(或高低角)，向上為正(范圍-90°～90°)。

圖4 大地直角坐標(biāo)系

則平臺坐標(biāo)系到雷達球面坐標(biāo)系之間的關(guān)系為：

(1)

雷達球面坐標(biāo)系到平臺坐標(biāo)系之間的關(guān)系為：

(2)

在場景設(shè)置模型中，實時解算是根據(jù)場景設(shè)定的運動軌跡，以一定的時間周期(暫定1 s)實時解算各平臺的坐標(biāo)位置、航速、航向等信息，以及各輻射源相對于各定位站的時延，如圖5所示。

圖5 動態(tài)場景示意圖

圖5中，R1、R2為2個平臺坐標(biāo)，曲線為雷達平臺運動軌跡，A、B、C為3個時差定位站。T1為R1到各定位站的時延，T2為R2到各定位站的時延。

解算過程如下：

(1) 在1 s時間內(nèi)認(rèn)為平臺為勻速直線運動，根據(jù)當(dāng)前的航速和航向信息，解算平臺下一時刻在自身大地雷達測量坐標(biāo)系(法線坐標(biāo)系)中的直角坐標(biāo)位置；

(3) 通過地心坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，求出平臺下一時刻的地理坐標(biāo)位置；

(4) 根據(jù)下一時刻的地理坐標(biāo)位置以及下一個機動點的地理坐標(biāo)位置，計算下一時刻平臺的速度和航向信息；

(5) 根據(jù)各平臺的地心坐標(biāo)位置，求出各輻射源平臺相對各時差定位站的距離，進而求出各輻射源平臺相對各時差定位站的時延，并按時延步進進行量化。在進行時延量化時，需要注意，首先將輻射源相對于基準(zhǔn)站的時延值進行量化，然后對定位站與基準(zhǔn)站的時延差進行量化，最后將量化后的時延差(有正有負(fù))與基準(zhǔn)站的時延差相累加得到其他定位站的量化時延。

2.2 延時控制精度校正

根據(jù)場景設(shè)置模型的功能要求，要完成輻射源所在平臺的位置、航向、航速值和對3個定位站的布站設(shè)置。并且在運行過程中，根據(jù)輻射源平臺與3個定位站的位置關(guān)系，實時解算出平臺與定位站的路程差，并根據(jù)路程差最終確定輻射源相對于3個定位站的時差值，通過網(wǎng)口定時將時差值數(shù)據(jù)發(fā)送到解算控制板，以控制3個射頻信號輸出端產(chǎn)生對應(yīng)時間差的射頻信號，射頻發(fā)射延時控制精準(zhǔn)度要求小于5 ns。

射頻發(fā)射延時控制精度的實現(xiàn)主要是依靠內(nèi)部高精度、高穩(wěn)定度的時鐘信號，并對各支路做延時校正[4]。本設(shè)計采用100 MHz的晶體振蕩器通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)片內(nèi)倍頻鎖相環(huán)的方式產(chǎn)生250 MHz的高穩(wěn)時鐘信號作為產(chǎn)生高精度時間控制信號，鑒于普通FPGA邏輯資源以及時鐘資源的限制，采用Xilinx公司下高端的V5系列FPGA作邏輯解算以及控制各射頻通道時差信號的產(chǎn)生，完成射頻信號實時向定位站輻射。單一支路的延時誤差取決于調(diào)制器對不同頻率的響應(yīng)時間，可以通過測試加補償?shù)姆绞綄Σ煌l率作延時校正；支路間的延時誤差主要來自于不同支路間調(diào)制器的一致性，由于250 MHz時鐘是4 ns的精度，因此可以通過對每一路進行延時校正，以滿足系統(tǒng)5 ns的精準(zhǔn)度要求。校正示意圖如圖6所示。

圖6 延時校正示意圖

其中A為兩基站間的實際延時，B為器件不一致性造成的延時誤差，C是校正后的延時，使得C-A≤5 ns即可。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

場景設(shè)置模型主要由顯示和控制單元、通道控制板、信號產(chǎn)生器、射頻通道單元等組成，組成框圖如圖7所示。

圖7 場景設(shè)置模型組成框圖

本設(shè)備主要模擬1～2部雷達信號，通過控制同一射頻信號進入編隊各艦艇偵察接收機的時間差，以完成編隊無源時差定位試驗。首先通過顯示控制單元的人機界面編輯輻射源參數(shù)，生成初始化戰(zhàn)情報文，控制輻射源的運行狀態(tài)和模式切換的實時運行報文，通過串口傳送給通道控制板。通道控制板主要采用大規(guī)模FPGA芯片完成對射頻信號的頻率、脈寬、重頻以及幅度等多種形式調(diào)制信號的實時解算，以及多個脈沖的時序排隊等功能，生成雷達脈沖描述字控制流及開關(guān)控制命令，并送給信號產(chǎn)生器。信號產(chǎn)生器根據(jù)各個脈沖描述控制字完成頻率源雷達信號的產(chǎn)生，并對射頻通道單元等進行開關(guān)控制，最終模擬產(chǎn)生相對于3個定位站不同時延到達的信號。設(shè)備工作時有2種信號產(chǎn)生方式：在提供秒脈沖同步信號的情況下，信號產(chǎn)生單元首先接收顯控單元的初始化報文，收到試驗開始命令后在秒脈沖的觸發(fā)下生成第1批信號，同時將秒脈沖信號回告給顯控單元作為同步信號，把下一秒更新報文送至信號產(chǎn)生單元，在第2個秒脈沖的同步下生成第2批信號，同時回告給顯控單元作下一秒的更新，系統(tǒng)按此依次工作；在沒有秒脈沖的情況下，信號產(chǎn)生單元自身產(chǎn)生1 s的定時信號，提供給顯控單元作同步來更新報文。

4 結(jié)束語

本文通過對雷達場景設(shè)置模型的簡要分析，建立了場景設(shè)置模型所需的航跡解算等仿真模型。結(jié)合頻率合成技術(shù)、實時信號處理技術(shù)和微波射頻技術(shù)實現(xiàn)了雷達場景的模擬，該設(shè)備為某原理樣機驗證提供了必要的試驗驗證環(huán)境，取得了較好的模擬效果，對雷達內(nèi)場輻射源場景的模擬具有一定的參考價值。