雷達航跡處理軟件仿真測試環境構建方法研究

龐紅彪，李欣桐，楊清華，吳一超，秦征

（中國兵器工業信息中心，北京，100089）

0 引言

雷達航跡處理軟件是現代雷達整機系統中的重要數據處理中樞，它能夠接收雷達信息處理軟件所發送的所有點跡信息，完成目標航跡的起始、濾波預測、目標融合以及航跡輸出，而航跡處理的好壞關乎整個雷達系統的品質，好的航跡處理是目標搜索和穩定跟蹤的保證。但如何測試驗證雷達航跡處理軟件卻成了一個長期困擾的難題，具體原因如下：

a、目標的多樣性和不可獲取性：雷達需要搜索跟蹤的目標種類很多，一般來說，包括飛機（包括軍用和民用，其中軍用又分殲擊機、截擊機、強擊機、轟炸機、偵察機、預警機、武裝直升機、教練機、加油機、運輸機、艦載機、反潛機等）、火箭、導彈、裝甲車、坦克、無人飛機等等，每個種類又分很多具體型號，目標種類繁多；同時在實際測試過中，一般采用民航飛機或靶機來模擬目標，導致無法真正意義上獲取“敵方”目標數據。

b、目標大規模和數據的強實時性：雷達航跡處理軟件的多目標處理能力一般在100批左右，甚至超過1000批，而目標采集和處理周期一般在毫秒級，數據處理量大；而在實際測試過程中，通常采用一批或幾批民航飛機或靶機來模擬目標，導致其航跡處理能力無法驗證。

c、背景環境干擾的復雜性：目標可能出現的背景一般包括山地、沙漠、城市、河流以及綜合背景，并且隨著氣象變化和電氣電磁環境而導致目標背景環境干擾更加復雜，而在實際測試過程中，通常采用在固定場景中進行，導致無法逐一驗證，存在遺漏。

d、軟件運行硬件環境非獨立性：雷達航跡處理軟件一般同接收機軟件、目標檢測軟件、波束形成軟件、干擾檢測軟件和系統控制軟件運行在同一主板上的不同芯片上，造成許多功能性能無法直接驗證。

e、軟件工程化滯后：由于各個研制單位軟件工程化開展不均衡，導致許多研制方在描述軟件需求時存在描述不完整、不準確、不清晰，導致難驗證、漏驗證的情況時有發生。

因此，在雷達產品研制過程中，急需構建一套雷達航跡處理軟件仿真測試平臺，本文就如何構建雷達航跡處理軟件仿真測試平臺進行了探討。

1 雷達航跡處理軟件的仿真測試平臺搭建方法

在雷達航跡處理軟件仿真測試平臺設計中，航跡生成是關鍵，它為雷達航跡處理測試驗證所需的目標數據生成提供了針對性舉措，確保可利用生成的模擬目標測試驗證軟件對雷達數據處理方法與跟蹤算法的正確性，并以此來提高算法的有效性與可靠性。生成的目標數據必須符合飛機飛行速度與航跡特征，同時必須符合雷達測量特征，明確輸出目標的基本距離、方位、高度與受到干擾的真實狀況等。

1.1 模擬目標的選擇原則

目標種類很多，每個種類又分為不同的具體型號，而每個目標特性差異很大，并且不同雷達針對的目標不同，因此在測試驗證時非必要且不可能一一驗證，需根據不同雷達特性和要求選擇不同的模擬目標進行針對性測試驗證，具體原則如下：

a、根據雷達型號研制總要求或研制合同，確定雷達的主要作戰使命、典型任務剖面和作戰對象，選擇典型目標；

b、根據典型目標的運動特性，比如最大最小飛行速度、最大最小飛行高度、最大飛行加速度、最大飛行仰角、最大飛行滾轉角等，選擇飛行特性與之相似的目標；

c、根據雷達類型和性能，包括波段、工作帶寬、作戰空域等，選擇與雷達極限性能相近的目標。

1.2 模擬目標運動模型選擇

在選定模擬目標后，需要根據典型目標建立目標的運動模型，其步驟如下：

首先，根據典型目標設置每類典型目標的運動參數，比如最大最小飛行速度、最大最小飛行高度、最大飛行加速度、最大飛行仰角、最大飛行滾轉角等等。

其次，按照設置的目標運動參數，設置目標航跡產生模型，常用目標航跡模型如下：

a、按預設航路點直飛：是飛機巡航、飛向攻擊對象、投放炸彈、發射低空導彈最常用的一種方式，也是最簡單的一種航路模擬，一般說來，目標先沿著直線巡飛，當到達目標攻擊范圍內，進行投彈，然后沿著一段圓弧爬升，可以將巡飛段和攻擊段飛別建立方程。其中還包括幾種特例：水平勻速直線運動、水平等加速運動、直線俯沖航路以及直線爬升。

b、水平圓弧航路（也叫盤旋航路）：飛機調準航線或對地目標進行偵察和攻擊的另外一種主要方式，主要特點是在水平面內做等半徑、變半徑的圓弧飛行，垂直平面內可以升降。其中以盤旋航路所在圓弧的圓心為極點，建立極坐標系和航路方程，進入段和離去段均可以按照直線建立巡飛方程。

c、垂直平面內的圓弧運動（也叫俯沖航路）：飛機對地面固定目標俯沖攻擊、偵察的一種主要方式，并且命中精度極高的一種方式。這種攻擊航路一般分為水平直線巡飛段、過渡段、爬升段、俯沖攻擊段、過渡段以及升空離去段，其中爬升段、俯沖攻擊段以及升空離去段均是直線運動，過渡段一般可以當作圓弧運動。過渡段可以以所在圓弧的圓心為極點，建立極坐標系和航路方程。

（1）導彈類目標

可以按照導彈的運動分為3段：爬升段、平飛段或滑翔段、末端導引段，分別按照相應的數學模型建立航路。

（2）炮射彈丸、火箭類目標

炮射彈丸類、火箭類目標的飛行運動軌跡一般選擇六自由彈道模型進行模擬。不同口徑的炮射彈丸、火箭類目標，需根據目標特性，包括射程、重量等，對彈道模型的具體參數進行調整。

（3）人工實時控制飛行

人工規劃航路，將航路分為若干段，分別設置航路上主要節點的運動參數，包括飛行高度、速度、加速度、角速度，兩個主要節點之間通過節點參數按照目標的運動特性實時進行插值產生，以實現運動變化的連續性以及航跡的連續性。

1.3 干擾的形成

干擾按照干擾能量可分為有源干擾和無源干擾。其中無源干擾種類較多，一般包括箔條走廊、箔條區域、地物氣象干擾、鳥群干擾、建筑干擾等等。而有源干擾是現代電子戰中的主要方式，它是敵方有意施放的，針對性強，對雷達的破壞力也強，能夠直接進入雷達接收機和同時進入的回波信號進行抗衡，破壞雷達正常工作，可分為壓制式和欺騙式。壓制式干擾按信號寬度可分為阻塞式、瞄準式和掃頻式；按噪聲調制方式可分為射頻噪聲干擾、噪聲調幅干擾、噪聲調頻干擾、噪聲調相干擾、隨機脈沖干擾等。欺騙式干擾包括距離欺騙、角度欺騙、速度欺騙以及距離速度同步干擾等方式。也可以根據雷達體制進行組合干擾。

干擾信號的選擇也可以根據雷達特性進行，一般選擇與雷達接收機噪聲具有相似正態分布且具有最大遮蓋性熵的噪聲作為噪聲干擾信號，經過加權調制而成。

1.4 多目標模擬能力

a、單雷達多目標能力：模擬同一雷達同時搜索跟蹤多批目標；b、多雷達單目標能力：模擬多部雷達同時搜索同一目標的情況；c、多雷達多目標能力：模擬多部雷達同時搜索多個目標的情況。

2 對原始點跡與實時方位的記錄分析

在雷達航跡處理軟件的測試過程中，需要記錄大量雷達數據，一般以當天日期為作為系統平臺模塊記錄文件名，將接收到的雷達點跡或模擬目標點跡數據轉存到硬盤中，在每經過一個方位扇區就插入一個表示方位扇區號的同步碼，可實現對原始點跡的實時方位動態監測與記錄,主要用于事后分析，并尋找出雷達航跡數據處理中軟件缺陷。因此必須具備如下功能：

a、可通過記錄重演文件進行重演，并顯示重演時間與進度條內容，默認的重演速度應該為1:1，結合方位扇區的同步碼，隨時改變重演速度，以找到可能引發錯誤問題的條件，通常提供10檔重演速度選擇，包括1～9、48倍速。

b、可提取一次、二次雷達點跡數據，也包括對詢問機點跡的處理，通過表格、繪圖等方式繪制趨勢，進行數據分析。

2.1 數據記錄設計方法

如前文所述，雷達航跡處理測試環境構建平臺中涵蓋了多種待處理的數據類型，包括一次雷達點跡、二次雷達點跡、詢問機點跡等，它們均存在于方位扇區中，應結合距離、時間、方位、應答高度、應答代碼等指標展開測試，建立航跡扇區管理體系，同時對方位扇區中的方位扇區號、時間等等進行全面記錄。

首先，考慮到一次雷達點跡、二次雷達點跡以及詢問機點跡存在較大差異，因此需要統一數據格式，保證點跡背景、距離、方位位置、方位寬度、高度等滿足設計要求，根據可獲取點跡背景判斷其點跡類型。如在點跡類型為0的一次雷達點跡中，需要根據點跡背景與其他比特位內容表達其波束號、雷達工作參數等等重要參數指標；點跡類型為1表示其數據而二次雷達所獲得點跡，如果點跡類型為2表示數據為詢問機點跡，需要對它們的點跡背景進行分析，包括比特位、距離厚度、方位寬度、多普勒速度、幅度等等展開分析；如果點跡類型為3則表示數據在方位扇區中，此時同樣需要對其點跡背景進行分析。總之，就是要靈活合理應用雷達航跡處理軟件處理某些實時數據，并記錄形成數據文件，主要用于事后回放操作與雷達航跡處理的計算、操作設計流程中[2]。

2.2 航跡處理數據重演設計應用

雷達航跡處理軟件中是包括諸多組成部分的，其中最核心的4類線程就包括了主線程、時間線程、方位線程以及網絡通信線程。

其中主線程主要負責實施數據解析、航跡起始監測、點航相關、濾波預測以及航跡輸出等過程內容。同時它的數據解析也會針對一次雷達、二次雷達和詢問機點跡展開解析，并申請相應的點跡鏈表，還可實現對某些戰術干預操作的命令內容解析。具體來講，當雷達航跡起始點對點跡鏈表產生影響時，就要對點跡的幀間相關內容進行分析，在目標點跡成功積累若干幀，看其是否已經滿足了航跡起始條件要求，是否已經生成了目標航跡。

再以點航相關指標為例，如果專門實施目標點跡與航行點跡的相互配對，則需要通過濾波預測點跡相關的目標點跡與航跡內容，在完全濾波處理后才能對目標航跡的移動位置實施動態預測，并同時展示航跡輸出的雷達航跡線路，采用方位線程對雷達方位內容進行科學處理。在該過程中，時間線程是可以根據系統時間隨意累加處理的，再通過網絡通信線程進行網絡報文與數據整理。

方位線程是可以實現對雷達政績系統的全時段、全方位有效解析的，可設置雷達系統方位為360°且完全輻射64個扇區，此時就能夠做到對真實數據的回放重演。在該過程中，每當雷達方位掃描通過一個扇區循環時系統就讀取一次記錄數據文件，而扇區所記錄的所有數據內容都會形成一次、二次雷達點跡，且點跡能夠被插入到點跡鏈表中保存。再者，還可根據扇區的實際方位與記錄信息時間進行系統調整，第一時間合理有效校正存在于線程中的系統時間累計結果。當主線程在點跡鏈表起始位置時，就可以展開點跡相關、航跡輸出、濾波預測等等過程，主要對航跡的處理軟件真是數據內容進行回放重演處理，保證做到雷達航跡處理測試軟件滿足技術要求，其所構建的環境處理算法與操作設計測試內容都能圍繞平臺展開，有效簡化工程工作流程，并發現、解決存在于軟件實際運行環境中所存在的各種技術缺陷問題[3]。

最后，還要在平臺搭建完畢后進行點跡數據回放開關重演計算，結合點跡數據建立雷達點跡曲線，并實現航跡處理軟件功能模塊的全方位測試覆蓋。