雷達資源管理參數化建模仿真方法*

李濤，王景辰，水恒淼，姜志鵬

(中國人民解放軍93221部隊，北京 100085)

0 引言

信號與信息處理、波形設計、新體制雷達設計、檢測性能評估和抗干擾設計等單項雷達技術仿真在雷達型號研制過程中發揮了重要作用[1-2]。大型作戰類仿真系統一般采用參數化建模方式[3]，雷達系統尤其是地空導彈武器系統中的多功能雷達仿真，需要考慮外部指揮控制和自身資源管理，資源管理建模參數化是雷達系統仿真的核心難點。國內對雷達資源管理的理論進行了深入研究[4-10]，對多功能雷達中的跟蹤功能[5]、搜索功能[6]進行了參數化仿真建模嘗試，但由于技術實現途徑不清晰，使用者參與建模工作少，需求不明確，導致參數模型無法涵蓋資源管理全流程，參數化、通用化程度低。通常采用具體型號資源管理模型封裝的方式加入體系仿真，加大了雷達傳感器融入大型作戰仿真系統的難度。

美軍擴展防空仿真(extended air defense simulation，EADSIM)是由美國陸軍空間與導彈防御司令部主導開發，是當前美軍最成熟、使用最廣泛的任務級大型作戰仿真系統之一，可以支持多系統進行防空行動、攻擊行動、電子戰、進攻型空中行動等多種作戰行動仿真評估[11-15]。EADSIM采用了典型的模型與實驗分離技術，即模型的數據驅動(data driven)。

本文以某大型作戰仿真軟件設計為例，研究了多功能雷達資源管理模型的參數化設計途徑，提出了雷達層次化設計架構，資源管理采用連續和離散事件仿真相結合，輔以參數約束的設計方法，仿真驗證了途徑和方法的可行性，并結合大型仿真系統的設計和使用提出了啟示。

1 雷達資源管理模型參數化設計途徑

1.1 層次化設計

在某大型作戰仿真軟件設計中，仿真對象采用平臺(如艦船、基地等)、系統(地空導彈武器系統、飛機等)和元素層次化設計。其基本思想是作戰平臺部署系統，系統由指揮控制、傳感器、武器和通信4類基本元素構成。元素是本仿真系統的最小微觀個體，所有作戰對象由成千上萬個不同元素構成，通過改變每一個元素的輸入參數，實現現役或未來作戰系統。系統在同一設計框架下，建立各自的屬性和控制規則，根據狀態、命令和其他條件，按規則觸發相應動作，自主地做出反應。雷達屬于傳感器類基本元素。

將雷達傳感器分為簡單雷達傳感器和多功能雷達傳感器，簡單傳感器從屬于多功能傳感器。簡單傳感器可以完成資源不受限的檢測和跟蹤起始功能，若僅考慮雷達能力指標，系統可配置簡單雷達傳感器。多功能傳感器的檢測和跟蹤起始功能由指定的簡單傳感器完成，多功能傳感器還執行后續的其他工作模式。兩者根本區別在于能否進行資源管理和任務調度。這樣設計的好處是用戶可以根據任務需求，靈活配置簡單還是多功能傳感器。同一雷達傳感器，用戶可自定義設置多種資源管理策略。

每個地空導彈武器系統只能有一個多功能雷達傳感器，可以管理同平臺或其他平臺的簡單傳感器。簡單雷達傳感器中資源管理類參數如視場范圍、波形和波束位置，可以被“母體”多功能傳感器相應的資源管理參數覆蓋。

多功能雷達按照作戰時序分為搜索和檢測后工作模式。沒有目標時，多功能雷達僅工作在搜索模式。包括分區搜索、高優先級分區搜索、自引導搜索和引導搜索。只要檢測到一個目標，就由多功能雷達實施檢測后工作模式。包括：針對TBM(tactical ballistic missile)目標的助推識別模式、跟蹤模式(包括航跡初始化、航跡轉移、航跡保持、威脅航跡識別過程轉換和控制)、攔截模式(包括攔截器跟蹤、攔截器上行鏈路/下行鏈路、目標影像圖(TOM,target object map)、殺傷評估)。

每一種工作模式都有一個用戶定義的任務優先級，通常全局的優先級由高到低順序為：攔截相關的模式、高優先級搜索、非交戰相關的檢測后工作模式、引導搜索模式、捕獲搜索、自引導搜索、低優先級扇區搜索。如果一個多功能雷達資源飽和，按照優先級順序執行減少資源消耗的決策。

1.2 連續和離散事件仿真結合

雷達資源管理采用連續系統與離散事件仿真相結合。連續系統仿真按照設定的作戰時序，設定各種資源管理模式的時間窗口、占空比、信噪比等參數；離散事件由作戰行動事件觸發雷達資源策略的轉換和改變，如作戰目標被摧毀、庫存武器消耗、飛機加油、彈倉打開、彈道導彈助推飛行等作戰行動事件，作戰行動事件要由用戶設計，保證資源管理設計的合理性和靈活性。

雷達多模式工作狀態采用連續系統仿真：沿著作戰時間軸，采用相對體制定義每種模式的持續時間和跳轉模式，在占空比因子和時間占比約束條件下，設定各種數據率。每一種工作模式持續時間是由模式定義窗口中規定的開始和結束時間控制的，可以順序或同時執行航跡處理、攔截等不同計劃。

資源管理策略改變采用離散事件仿真，通過事件觸發機制改變。雷達管理策略由用戶定義或使用缺省值，同一傳感器可以有多種資源管理策略，轉換控制來自系統的C2(指揮、控制)，C2模型有缺省的規則，用戶也可根據需求，自定義規則。本大型仿真系統提供了戰場上作戰行動細節變化觸發規則改變的機制，該機制允許管理策略隨著一個場景事件觸發，接收來自火控系統的指令而改變。C2是本仿真系統的核心模型，將在后續文章詳述。它產生航跡消息和指揮、控制不同平臺指令，是一個由事件驅動的模型，通過預設一個事件日程表，并依據該表執行所有事件，直到仿真時間超過了指定的想定結束時間。

另外，某些非預設事件也可觸發資源管理策略項的改變。如RCS的變化會引起波形選擇的改變，在仿真系統中RCS值除考慮目標起伏模型外，還考慮飛機炸彈艙門打開時，RCS值將發生變化。系統執行用戶自定義的參數化的“RCS轉換”轉換規則，當觸發條件滿足時，執行用戶定義的相關反應，促使RCS轉換到一個新的值或者新的數據表。自定義規則中雷達響應參數設置如圖1所示。

1.3 資源管理的參數約束

本仿真系統資源管理采用缺省參數或用戶自定義的模板方式，目前不支持自適應調度。不過，用戶可以通過改變約束參數，以達到利用可用資源滿足當前任務需要和適應變化的戰場條件目的。如雷達是地空導彈系統態勢感知的重要一部分，導彈數量的消耗會改變傳感器資源管理策略，降低攔截模式下的資源需求，擴大雷達的搜索能力。資源管理需要設置的約束參數很多，最核心的是各種模式的占空比因子(Dutyfactor)、時間占比(Occupancy)和最小可接受信噪比，據此可計算出目標容量、多波束數量、重訪速率等參數。

每種模式資源約束均需計算發射脈沖的占空比因子和這種模式相對整個調度周期的時間占比，各種模式下2種因子的計算方法各不相同，并保證：

Dutyfactor總=∑Dutyfactori，

(1)

Occupancy總=∑Occupancyi，

(2)

式中：Dutyfactor總，Occupancy總分別為多功能雷達總的占空比因子和時間占比；Dutyfactori，Occupancyi分別為第i種工作模式下的占空比因子和時間占比。

以扇區搜索為例，資源調整過程如下：如果多功能雷達處于資源飽和狀態，可用資源不足以完成搜索，將放棄一個或多個搜索分區。還可以選擇退化搜索性能，通過在放棄分區之前調整波形或搜索空間的大小，保證占空比因子、時間占比滿足用戶分配的資源。如果雷達處于資源不飽和狀態，將基于多個分區的優先級調整掃描率以適應可用資源。

最小可接受信噪比用于波形選擇，計算脈寬和脈沖積累數。多功能雷達有基于目標回波的信噪比調整波形的能力，通過調整波形以釋放資源。當目標距離變化時，回波信噪比會發生變化。為節約資源，對一個接近目標，用于跟蹤目標的波形可以減少積累脈沖數量或脈寬。這能在減少資源消耗的同時，不會造成信噪比的下降。對一個后退目標，必須增加積累脈沖數或者脈寬以保持信噪比在最小門限之上，以維持目標的航跡。脈寬由用戶定義的最小和最大值約束，選擇過程通過下式定義進行：

τ=[SNRminτ′/SNR]，

(3)

式中：τ為計算脈寬；SNRmin為用戶定義的模式最小信噪比；SNR為先前時間間隔的目標信噪比；τ′為達到目標SNR所需的脈寬；[]表示對下一個脈沖向上取整。

2 雷達參數化設計實現與仿真

本仿真系統中一個多功能雷達傳感器共設置了271個參數項。基本檢測類參數有172項，資源管理類參數69項。

圖1 自定義規則中雷達響應參數Fig.1 Radar response parameter of definition user-rules

2.1 基本檢測類參數

威脅目標類參數包括：目標種類、目標距離、最大絕對速度、最大徑向速度、高度范圍等14個選項或參數；傳感器通用類參數包括：分辨率、視場范圍、天線高度、波束指向角度、中心頻率、帶寬、數據更新速率、跟蹤質量等24個選項或參數；雷達探測距離計算，既可以采用雷達方程，也可以采用距離比對計算方法，檢測類參數包括：功率、信噪比門限、噪聲系數、脈寬、參考距離、參考RCS值、損耗因子、天線增益等22個選項或參數；雷達高級環境中包括檢測方法、積累檢測、虛警概率、非相參積累、電子戰能力、MTI處理、多普勒處理等45個選項或參數；雷達環境中包括多徑效應、大氣吸收、沙漠、森林、山脈等地雜波、雜波譜特性、地形遮蔽等37個選項或參數；天線類參數包括天線形狀、方向圖參數、掃描速度、波束掃描位置文件、波束重疊系數、極化方式等30個選項或參數。

2.2 資源管理類參數

工作限制參數包括：駐留時間、降梯度搜索、最大時間占比、最大占空比參數，作戰相關限制參數包括占有率、占空比參數，共8個參數和選項；搜索模式下天線掃描(電掃、機掃)類8個參數；搜索范圍類參數包括：數據質量、誤差范圍、單次掃描、重訪評估4個參數和選項；在引導、自引導、確認3種模式下工作限制類參數包括：距離、最大引導誤差半徑、數據質量、引導搜索的最大幀時間和能量等8個參數和選項；搜索波形選擇/資源消耗比類參數包括最大無遮擋波形、時間占比、占空比等6個參數；指令線傳輸包括上下行指令長度、延遲3個參數。

搜索模式下資源管理設置了17個參數，包括：低優先級、高優先級、引導、自引導、確認5種模式下最大掃描速率、最小掃描速率、波束指向范圍、指向模式、視場范圍、信號帶寬、波束掃描文件、優先級、參考信噪比、同時接收多波束數量、波束覆蓋因子、距離范圍、最大最小脈沖寬度、最大最小時間占比、最大最小占空比等參數。搜索狀態資源管理界面如圖2所示。

檢測后工作模式資源管理設置了15個參數。如果有n種工作模式，將輸入15n個參數。工作起始時間、跳轉模式、重訪目標頻率、外大氣層空間對彈道導彈目標跟蹤數據率、作戰時目標更新數據率、任務優先級、未明確敵我情況下優先級、各種模式下所需的信噪比、各種模式下需要處理的距離單元數、是否約束占空比/時間占比、平均時間占比、平均占空比等。檢測后工作狀態資源管理界面如圖3所示。

圖2 搜索模式下資源調度參數Fig.2 Radar source management parameter under search mode

2.3 仿真驗證

本仿真系統涉及地空導彈、飛機、艦船、彈道導彈等眾多武器系統，輸出的參數很多，仿真結果以生成的檢測和交戰報告為主。以一部地空導彈武器系統應對多枚巡航導彈攻擊為例，輸入的雷達參數眾多，僅以核心參數設置為例進行仿真。設定占空比因子最小值范圍為0.05，最大值為0.25，最小可接受信噪比設定為13 dB。改變時間占比最大值，由0.7增加到0.9，進行2次仿真，生成的檢測報告如圖4,5所示。由仿真結果可以看出，時間占比最大值增加后，檢測到的巡航導彈數量由17枚增加了20枚，驗證了本文雷達資源管理模型參數化設計的正確性。

3 設計啟示

從參數數量上看，由于考慮的要素較多，輸入的數據量較大。若再考慮其他元素如導彈、指控規則和通信元素等，工作量可想而知。從參數用途上看，簡單雷達重在設置基本的雷達檢測工作參數，裝訂起來要簡單一些，多功能雷達重在設置控制參數，需要理解作戰概念和具體雷達型號設計經驗。從參數種類分析，本大型仿真系統設置了缺省值，也可以用戶自定義，但即使最簡單的一套地空導彈武器系統與一架飛機的對抗，如果沒有提供一套可供參考的基礎數據，使用者在實驗設計時，如同閉門造車、摸著石頭過河，費時費力又不準確。因此，大型作戰仿真系統通常需要由設計者提供一套可供系統運行的原始參數集，并且使用者也需要實際參與建模和程序設計工作。

圖3 檢測后多模式方式調度參數Fig.3 Multi-mode management parameters of post detection

圖4 時間占比最大值為0.7時，雷達檢測報告Fig.4 Radar detection report when the maximum occupancy is 0.7

圖5 時間占比最大值為0.9時，雷達檢測報告Fig.5 Radar detection report when the maximum occupancy is 0.9

4 結束語

本文以某大型仿真系統為例詳述了雷達資源管理模型參數化設計途徑，提出了雷達層次化設計架構，資源管理采用連續和離散事件仿真相結合并輔以參數約束，仿真驗證了該方法的有效性，為其他仿真系統中雷達參數化建模提供了有益的參考借鑒。本仿真系統中的C2規則元素將在后續文章中展開詳述。另外，從設計過程可以看出，大型仿真系統最主要和最繁重的工作就是仿真運行前的實驗設計，它不僅需要裝備設計經驗、作戰概念，還需要對程序中的參數定義有清晰的理解。一套完整的原始參數集和用戶的參與是大型作戰仿真系統能夠運行起來的根本保障，這一點啟示供仿真設計者參考。