基于UML的艦載雷達偵察設備建模方法

吉玉潔,吳 萌

(1.中國人民解放軍91336部隊,河北 秦皇島 066326;2.中國人民解放軍91404部隊,河北 秦皇島 066000)

艦載雷達偵察設備作為海上攻防對抗“軟殺傷”的重要裝備,肩負對敵方各種輻射源信號進行截獲、分析、識別、威脅告警,并引導實施有源/無源干擾的使命,貫穿于海上攻防對抗的全過程,對作戰使命的達成起到了至關重要的作用[1]。因此模擬艦載雷達偵察設備并在相應的仿真推演系統中應用,對于完善艦載裝備體系構成、進行相應戰術應用具有重要意義。這也對艦載雷達偵察設備建模提出了更高的要求。作為艦載裝備體系的重要組成部分,艦載雷達偵察設備模型需要在完成建模需求的基礎上,滿足建模的規范性及體系內建模語義描述的一致性。

UML(Unified Modeling Language,統一建模語言)是一種繪制軟件藍圖的標準語言,在面向對象的系統分析與設計(OOA/OOP)中得到了廣泛應用[2]。UML為仿真系統的開發提供了豐富、嚴謹、擴充性強的表達方式,系統用戶、分析人員、測試人員和管理人員都可以從UML模型中無歧義地獲取所需信息。它具有面向對象、獨立于開發過程、可視化和規范化等優點[2],適用于大型和復雜系統的建模。本文采用UML技術,對艦載雷達偵察設備的仿真建模方法進行研究。

1 需求分析

艦載雷達偵察設備作為艦艇電子對抗系統的“眼睛”,主要用于監視本艦周圍的雷達電磁環境,完成雷達信號的偵收和識別,提供信號類型、威脅等級以及識別可信度等信息,并對威脅目標進行告警[3],引導干擾設備實施軟對抗,從而對紅藍雙方的作戰效果產生很大的影響。同時,對于仿真推演和指揮訓練等大規模交戰級仿真,如果模型粒度太細,將會影響整個仿真推演系統的運行效率和實時性。因此,仿真推演系統中艦載雷達偵察設備模型需在實時性和仿真粒度上做出合理取舍,既要求可以復現艦載雷達偵察設備工作流程,又能夠反映真實設備的主要戰技術指標,滿足全系統的工作要求;同時艦載雷達偵察設備模型還應具有建模標準性,以滿足模型后續與其他模型交互的一致性。綜上,對艦載雷達偵察設備建模應是從系統功能及戰技術指標出發,采用功能級建模方法,設計滿足裝備戰技術指標和功能需要,仿真功能設計如下。

1) 具有雷達信號截獲功能。能夠在設備頻帶范圍內,小于××萬脈沖/秒的密集電磁環境中,實時截獲接收電磁信號,并從中分離出各個獨立的雷達輻射源信號,給出雷達輻射源信號的特征參數;

2) 具有信號跟蹤功能。能夠基于雷達信號特征參數對截獲的電磁信號進行跟蹤、分析,監測目標信號及其參數的變化情況;

3) 具有威脅目標識別判定功能。根據信號分析與處理的結果,基于數據庫或特征參數進行目標識別及威脅等級判斷,并將處理后的結果實時上報電子對抗綜合控制設備;

4) 具有設備狀態解算功能。能夠根據相應仿真平臺對模型的導調控制,解算上報設備狀態。

用例圖從用戶和外部系統的角度,分析和考察系統的行為,并通過參與者與系統之間的交互關系描述系統對外提供的功能特性[4]。艦載雷達偵察設備仿真模型用例描述如圖1所示。

圖1 艦載雷達偵察設備仿真模型用例

2 實體靜態建模

根據艦載雷達偵察設備工作原理,為滿足其在仿真推演系統中應用需求,將艦載雷達偵察設備實體抽象為雷達信號截獲、信號跟蹤、威脅目標識別及設備狀態解算四個功能單元?？紤]到仿真平臺對模型底層功能調用維護的需要,模型應具備初始化單元、信息接收處理單元、共享數據存儲區單元、報文組織拼接發送單元等通用模塊,用于實現與仿真平臺交互的需要。

類圖是UML中最重要的建模圖示語言之一,它用于建立類、類的內部結構以及類與類之間的各種關系模型[4]。使用類圖中的聚合關系表示,艦載雷達偵察設備實體內部組成關系如圖2所示。

3 模型動態建模

3.1 行為過程形式化

活動圖主要用于描述可以引發對象狀態變化的條件和動作,可以規范地描述系統的行為,是為活動過程建模的有效工具[5]。利用活動圖表示的艦載雷達偵察設備總體行為過程如圖3,根據艦載雷達偵察設備實體的工作原理及功能分析可將艦載雷達偵察設備總體行為過程細分為雷達信號截獲、信號跟蹤和威脅目標識別三個子行為過程。

圖3 艦載雷達偵察設備總體行為過程

3.1.1 雷達信號截獲行為過程

雷達信號截獲行為與靜態建模中雷達信號截獲單元對應,用于完成雷達信號截獲判定,行為的觸發條件為接收到雷達信號,終止條件為遍歷雷達信號存儲區完成雷達信號截獲解算,具體行為過程如圖4所示。

圖4 雷達信號截獲行為過程

雷達信號截獲行為主要從頻域、能域、空域三方面進行信號截獲判定,具體決策規則如下:

1) 頻域截獲能力計算規則:當雷達輻射源的工作頻率在雷達偵察設備偵察頻段上下限之間時,認為該雷達信號頻域上可被截獲,否則判斷不能被截獲;

2) 能域截獲能力計算規則:若到達偵察設備接收機的脈沖功率大于偵察設備的靈敏度,并小于偵察設備的靈敏度與動態范圍的和,認為該雷達信號能域上可被截獲,否則判斷不能被截獲;

3) 空域截獲能力計算規則:當雷達和偵察設備之間的實際距離小于視距時,認為該雷達信號符合空域截獲條件,否則判斷不能被截獲。

式中,Dr為視距,單位km;H1為偵察機高度,單位m;H2為輻射源高度,單位m。

3.1.2 信號跟蹤行為

信號跟蹤行為與靜態建模中信號跟蹤解算單元對應,用于根據預先設定好的隸屬度閾值進行雷達信號參數(射頻、重頻、脈寬)匹配判斷,確定該信號為新信號時,對新信號進行編批存儲;判斷該信號為已經截獲的信號時,進行信號參數更新。行為的觸發條件為收到被截獲的雷達信號,終止條件為遍歷已截獲雷達信號存儲區完成解算,具體行為過程如圖5所示。

圖5 信號跟蹤行為過程

假設數據庫中已有N條記錄,循環計算N次,得到雷達信號與N個信號的隸屬度,取N個隸屬度的最大值為最終隸屬度值,如果該最終隸屬度值大于閾值,則得到最終隸屬度時對應的數據庫表中記錄的雷達信號就是匹配信號。基于射頻、重頻、脈寬計算總隸屬度,對每一個信號算法如下:

射頻隸屬度:uf=雷達信號射頻中心值/某個信號射頻(當值大于1時,取其倒數);

重頻隸屬度:uF=雷達信號重頻中心值/某個信號重頻(當值大于1時,取其倒數);

脈寬隸屬度:ut=雷達信號脈寬中心值/某個信號脈寬(當值大于1時,取其倒數);

總隸屬度:u=δ1·uf+δ2·uF+δ3·ut

其中,δ1、δ2、δ3分別為射頻、重頻、脈寬隸屬的權重值,δ1+δ2+δ3=1。以某型雷達偵察設備為例,δ1=0.4,δ2=0.4,δ3=0.2。

3.1.3 威脅目標識別行為

威脅目標識別行為與靜態建模中威脅目標識別單元對應,用于依據數據庫或分析計算方式對已截獲的雷達信號進行目標識別或威脅判斷。行為的觸發條件為收到被截獲的雷達信號,終止條件為遍歷截獲信號存儲區完成威脅目標識別解算,具體行為過程如圖6所示。

圖6 威脅目標識別行為過程

首先在偵察設備數據庫中查找進行威脅目標判斷識別,識別方法也采用隸屬度計算識別方法;如果未能識別,則通過信號中目標類型進行分析;在不能獲取雷達類型信息的情況下,可基于雷達信號的重頻、方位、脈寬、載頻參數,通過合理設置參數權重,計算出雷達綜合威脅度,通過對綜合威脅度大小的分級得出雷達威脅等級。

3.2 交互關系形式化

在對抗環境中,雷達偵察設備接收到外部輻射的電磁信號,內部經截獲、分選、威判,之后上報威脅目標信息至電子對抗綜合控制設備,整個工作過程中既有模型內部單元交互又有模型間的交互。時序圖用于捕獲系統運行中對象之間有順序的交互,按時間順序對消息的交互過程建模。它展示的是按時間順序發生的消息傳送,可以完整地表達對象之間信息的交互過程[6]。艦載雷達偵察設備模型內部單元間交互及模型間內部交互關系分別如圖7、圖8所示。

圖7 艦載雷達偵察設備實體內部時序

圖8 艦載雷達偵察設備模型外部交互的時序

4 結束語

本文基于UML技術開展了艦載雷達偵察設備仿真模型的可視化構建工作,采用用例圖、類圖、活動圖和時序圖對艦載雷達偵察設備模型的功能需求、靜態結構、動態行為進行了詳細分析和建模研究。該建模方法在提高建模效率、規范建模流程、優化模型結構及指導軟件編寫等方面具有顯著優勢。本文所建立的艦載雷達偵察設備模型已應用于某戰術演習仿真推演系統的工作中,顯著地縮短了模型開發周期,增強了系統的可靠性,取得了良好的效果。本文工作表明,應用UML技術進行仿真建模工作,可有效地提高模型的開發效率與質量。