基于HLA的火控雷達(dá)網(wǎng)融合控制系統(tǒng)仿真研究

李成玉,杜偉明,彭建怡,張文泉

（1.武漢軍械士官學(xué)校光電裝備系，湖北 武漢 470035；2.武漢軍械士官學(xué)校雷達(dá)系，湖北 武漢 470035）

基于HLA的火控雷達(dá)網(wǎng)融合控制系統(tǒng)仿真研究

李成玉1,杜偉明2,彭建怡1,張文泉1

（1.武漢軍械士官學(xué)校光電裝備系，湖北 武漢 470035；2.武漢軍械士官學(xué)校雷達(dá)系，湖北 武漢 470035）

為提高火控雷達(dá)的戰(zhàn)場生存能力，研究通過組網(wǎng)技術(shù)降低雷達(dá)信號截獲概率的方法。根據(jù)設(shè)定作戰(zhàn)場景，介紹火控雷達(dá)網(wǎng)的工作過程，給出融合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及動態(tài)執(zhí)行過程，設(shè)計基于高層體系結(jié)構(gòu)的火控雷達(dá)網(wǎng)融合控制系統(tǒng)仿真軟件，以此作為平臺驗證火控雷達(dá)組網(wǎng)理論的正確性。最后，通過RTI平臺進(jìn)行仿真實驗，結(jié)果表明：仿真系統(tǒng)可以有效模擬火控雷達(dá)網(wǎng)的數(shù)據(jù)融合處理和雷達(dá)參數(shù)控制，組網(wǎng)系統(tǒng)能夠延長火控雷達(dá)被敵方偵察系統(tǒng)的截獲時間。

火控雷達(dá)；雷達(dá)組網(wǎng)；高層體系結(jié)構(gòu)；仿真；RTI平臺

0 引言

對于火控雷達(dá)來說，對目標(biāo)的連續(xù)可靠跟蹤是其最基本的使命，也是相關(guān)武器系統(tǒng)完成后續(xù)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的基本保證[1]。但是，由于雷達(dá)采用持續(xù)照射的方式，火控雷達(dá)信號極易被電子偵察設(shè)備截獲和定位，從而引導(dǎo)武器系統(tǒng)對火控雷達(dá)進(jìn)行摧毀，這嚴(yán)重影響著火控雷達(dá)的戰(zhàn)場生存能力。

我國有大量的現(xiàn)役火控雷達(dá)裝備，一方面在技術(shù)上缺少有效的對抗反輻射武器的技術(shù)措施；另一方面在戰(zhàn)術(shù)上缺少有效的對抗反輻射武器的運(yùn)用手段[2]。這種狀況使得當(dāng)前我國現(xiàn)役火控雷達(dá)對抗反輻射武器的能力非常有限，在面對反輻射武器的攻擊時難以保證自身的安全。雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)通過利用信息的冗余性和互補(bǔ)來克服單部雷達(dá)的不足，可以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)情報資源的共享，完成對每部雷達(dá)的實時指揮控制，增加實戰(zhàn)的可靠性[3-4]。國內(nèi)對雷達(dá)組網(wǎng)的研究集中在防空警戒雷達(dá)，國外的研究相對成熟，但是由于保密等原因，技術(shù)資料比較匱乏。

因此，如何采用科學(xué)有效的方法對火控雷達(dá)網(wǎng)的作戰(zhàn)效果進(jìn)行評估是一個亟待解決的問題。高層體系結(jié)構(gòu)（high level architecture，HLA），是一種開放

的、面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[5]。本文基于HLA的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計了火控雷達(dá)網(wǎng)的融合控制系統(tǒng)，用于仿真火控雷達(dá)網(wǎng)工作參數(shù)的控制過程，并對火控雷達(dá)網(wǎng)在電子對抗中的作戰(zhàn)性能進(jìn)行評估，從而驗證火控雷達(dá)組網(wǎng)理論的合理性。研究成果可以為現(xiàn)役火控雷達(dá)有效地對抗各類反輻射武器（包括反輻射導(dǎo)彈、反輻射無人機(jī)及電子偵察機(jī)等）提供理論支持，對提高現(xiàn)役火控雷達(dá)整體的生存能力和作戰(zhàn)效能有重要的軍事價值和實際意義。

1 火控雷達(dá)網(wǎng)工作原理

火控雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)由M部火控雷達(dá)和一個融合控制中心組成，每部雷達(dá)的工作狀態(tài)和工作參數(shù)都由融合控制中心進(jìn)行統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào)，各部火控雷達(dá)通過通信鏈路實現(xiàn)與融合控制中心之間的信息傳遞，以此保證多雷達(dá)間的數(shù)據(jù)共享。任一時刻只有一部雷達(dá)處于輻射工作狀態(tài)，其余雷達(dá)進(jìn)行靜默跟蹤。當(dāng)此雷達(dá)停止工作后，由融合控制中心選擇另一部雷達(dá)繼續(xù)工作[6]。

如圖1所示，假設(shè)在k時刻火控雷達(dá)j（j=1，2，…，M）處于間歇輻射工作狀態(tài)，其余雷達(dá)處于靜默跟蹤狀態(tài)。雷達(dá)j將其對目標(biāo)的實時跟蹤測量數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)融合控制，融合控制中心根據(jù)雷達(dá)的測量數(shù)據(jù)對目標(biāo)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行濾波和預(yù)測。處理后的數(shù)據(jù)一方面送到相關(guān)武器系統(tǒng)，供火力打擊使用；另一方面送到其余處于間歇狀態(tài)的雷達(dá)，供其天線調(diào)整以完成對目標(biāo)的靜默跟蹤。跟蹤精度評估環(huán)節(jié)和低截獲性能評估環(huán)節(jié)則分別對當(dāng)前的跟蹤精度和當(dāng)前的低截獲性能進(jìn)行計算和評估。通過對當(dāng)前跟蹤精度的計算，采用自適應(yīng)脈沖間隔策略選擇下一時刻的最優(yōu)脈沖間隔，間歇輻射控制環(huán)節(jié)根據(jù)該參數(shù)控制雷達(dá)j的脈沖發(fā)射間隔。同時，通過對雷達(dá)低截獲性能的評估控制交替選通信號，以選擇下一時刻工作的雷達(dá)。當(dāng)雷達(dá)j停止工作后，通過交替選通信號的控制選擇雷達(dá)j+1間歇工作以繼續(xù)跟蹤目標(biāo)。以此循環(huán)，各雷達(dá)在融合控制的協(xié)同控制下，共同完成對目標(biāo)的交替間歇式跟蹤。

圖1 火控雷達(dá)網(wǎng)交替間歇式目標(biāo)跟蹤過程示意圖

2 作戰(zhàn)場景想定

以3部火控雷達(dá)網(wǎng)為例構(gòu)建仿真系統(tǒng)，想定場景如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)想定場景

防御方的防空系統(tǒng)由警戒雷達(dá)、火控雷達(dá)和防空武器等組成，進(jìn)攻方的戰(zhàn)斗機(jī)對防御方的雷達(dá)進(jìn)行探測定位。當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)處于防空系統(tǒng)中警戒雷達(dá)的探測范圍內(nèi)，而處于火控雷達(dá)探測范圍之外時，火控雷達(dá)不工作，由警戒雷達(dá)對戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行前期的警戒跟蹤，并為火控雷達(dá)提供偵察機(jī)的粗略位置信息。當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)入防空系統(tǒng)中火控雷達(dá)的探測范圍時，火控雷達(dá)突然開機(jī)工作，依據(jù)警戒雷達(dá)提供的偵察機(jī)位置信息，在較短時間內(nèi)完成對戰(zhàn)斗機(jī)的穩(wěn)定跟蹤，同時為防空武器提供精確的戰(zhàn)斗機(jī)位置信息，供其火力攔截?；鹂乩走_(dá)開機(jī)工作之后，戰(zhàn)斗機(jī)的偵察系統(tǒng)在告警系統(tǒng)的觸發(fā)下迅速對火控雷達(dá)信號進(jìn)行搜索、識別、截獲和分析，以獲得火控雷達(dá)各項工作參數(shù)，對雷達(dá)進(jìn)行定位，進(jìn)而發(fā)射反輻射導(dǎo)彈對雷達(dá)進(jìn)行火力摧毀。為了避免防空火控雷達(dá)信號在短時間內(nèi)被戰(zhàn)斗機(jī)截獲，融合控制中心控制火控雷達(dá)網(wǎng)，采用交替間歇輻射的工作方式完成對目標(biāo)的連續(xù)跟蹤。在保證火控雷達(dá)對偵察機(jī)精確跟蹤的同時，盡量延長偵察機(jī)對雷達(dá)定位所需的時間，從而完成防空武器系統(tǒng)對偵察機(jī)的有效打擊。

3 仿真系統(tǒng)設(shè)計

火控雷達(dá)網(wǎng)間歇式目標(biāo)跟蹤原理如圖3所示。具體工作過程為：由目標(biāo)模塊產(chǎn)生目標(biāo)模擬運(yùn)動航跡，融合控制中心模塊通過雷達(dá)工作參數(shù)的設(shè)定來選擇處于工作狀態(tài)的雷達(dá)，并通過對脈沖重復(fù)周期

的選擇來控制雷達(dá)的輻射狀態(tài)。雷達(dá)進(jìn)行間歇工作獲得目標(biāo)測量數(shù)據(jù)，將測量數(shù)據(jù)傳送到融合控制中心模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、跟蹤濾波等處理，并根據(jù)處理結(jié)果選擇下一時刻雷達(dá)的工作參數(shù)，以控制雷達(dá)工作，如此循環(huán)進(jìn)行，交替選擇組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的火控雷達(dá)進(jìn)行間歇工作，以實現(xiàn)對目標(biāo)的連續(xù)跟蹤。同時，將處理結(jié)果傳送到效能評估模塊，效能評估模塊將這些數(shù)據(jù)和來自目標(biāo)模塊的雷達(dá)信號截獲判定、目標(biāo)真實航跡等數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，對系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行評估。

融合控制成員對組網(wǎng)雷達(dá)融合控制中心的功能進(jìn)行仿真。訂購雷達(dá)成員生成的量測數(shù)據(jù)信息，通過融合處理，生成目標(biāo)的位置信息和雷達(dá)網(wǎng)跟蹤精度，并對雷達(dá)下一個周期的工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，向雷達(dá)成員公布目標(biāo)位置、脈沖寬度、工作頻率、開關(guān)機(jī)信號、雷達(dá)信號形式等。對融合控制成員進(jìn)行類劃分，將具有相同屬性的方法提取出來，并對類與類之間的關(guān)系進(jìn)行分析，可分為以下8類。

圖3 火控雷達(dá)網(wǎng)工作原理圖

RTI基類：此類主要提供運(yùn)行支撐環(huán)境（run-time infrastructure，RTI）的基本服務(wù)，包括聯(lián)邦管理、聲明管理、對象管理、時間管理、所有權(quán)管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理等功能。聯(lián)邦管理是指對一個聯(lián)邦執(zhí)行的創(chuàng)建、動態(tài)控制、修改和刪除的過程。聲明管理是為聯(lián)邦成員提供類層次上的表達(dá)（公布或訂購）機(jī)制，在HLA中，聯(lián)邦成員通過聲明管理服務(wù)向聯(lián)邦表明自己可以公布或需要訂購的對象類和交互類[7]。對象管理是在聲明管理的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對象實例的注冊/發(fā)現(xiàn)、屬性值的更新/反射、交互實例的發(fā)送/接收以及對象實例的刪除/移走等功能。時間管理的主要任務(wù)是使仿真世界中事件發(fā)生的順序與真實世界中事件發(fā)生的順序一致。仿真運(yùn)行過程中，聯(lián)邦成員和RTI將利用所有權(quán)管理服務(wù)來轉(zhuǎn)移實例屬性的所有權(quán)，在聯(lián)邦執(zhí)行生命周期的任一時刻，一個實例屬性最多只能被一個聯(lián)邦成員擁有，只有唯一擁有實例屬性所有權(quán)的聯(lián)邦成員才有權(quán)更新該實例屬性的值[8-10]。數(shù)據(jù)分發(fā)管理是在實例屬性層次上增強(qiáng)聯(lián)邦成員精簡數(shù)據(jù)需求的能力，減少仿真運(yùn)行過程中無用數(shù)據(jù)的傳輸和接收，提高仿真運(yùn)行的效率。

RTI接口類：此類是RTI基類的派生類，負(fù)責(zé)實現(xiàn)聯(lián)邦的具體創(chuàng)建工作，成員通過回調(diào)接口函數(shù)，使用RTI提供的服務(wù)。RTI接口的工作主要在仿真線程中進(jìn)行，其中主要包括創(chuàng)建并加入聯(lián)邦、聲明公布/訂購關(guān)系、注冊對象實例、請求時間推進(jìn)、更新和反射對象屬性值、發(fā)送和接收交互、退出聯(lián)邦等。

融合控制類：實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的融合處理和雷達(dá)工作參數(shù)的控制。如對3部雷達(dá)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，估計偵察機(jī)對雷達(dá)信號的截獲概率和當(dāng)前的目標(biāo)跟蹤精度，計算出下一時刻的雷達(dá)最優(yōu)脈沖間隔，控制雷達(dá)的工作時間。

數(shù)據(jù)公布類：實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的公布，即表明要公布的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度等，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新等。

數(shù)據(jù)訂購類：實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的訂購，即表明要訂購的對象、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度等，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新等。

文件管理類：實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的記錄，負(fù)責(zé)創(chuàng)建文件，將數(shù)據(jù)寫入文件，完成讀取文件、修改文件、格式轉(zhuǎn)換和刪除文件等功能。

顯示類：實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時顯示，如目標(biāo)三坐標(biāo)位置、斜距、俯仰角、方位角、雷達(dá)脈沖間隔和系統(tǒng)工作時間等。

定時器類：實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理和更新過程中的定時功能，如啟動時鐘、停止時鐘等，負(fù)責(zé)仿真進(jìn)程的開始和停止。

順序圖主要描述系統(tǒng)各組成部分之間交互的次序，展示了對象之間的動態(tài)協(xié)作關(guān)系[11]。使用順序圖，可以描述執(zhí)行特定用例，會觸發(fā)哪些交互，以及這些交互以何種次序發(fā)生。融合控制成員從整個仿真系統(tǒng)的啟動開始，工作流程如下：

圖4 控制成員順序圖

（1）運(yùn)行融合控制程序，點(diǎn)擊“加入聯(lián)邦”，通過調(diào)用RTI接口函數(shù)使用RTI的聲明管理、對象管理函數(shù)，將該成員加入到仿真系統(tǒng)中，等待開始仿真的指令。

（2）開始仿真，進(jìn)入主線程，通過調(diào)用RTI接口函數(shù)使用RTI的數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務(wù)，訂購其他聯(lián)邦成員的數(shù)據(jù)。

（3）對訂購的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，通過調(diào)用RTI接口函數(shù)使用RTI的數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務(wù)，把數(shù)據(jù)公布給其他聯(lián)邦成員。

（5）收到停止仿真命令后停止仿真進(jìn)程，融合控制成員退出聯(lián)邦。

根據(jù)以上的操作流程創(chuàng)建順序圖如圖4所示，該圖顯示了仿真流程融合控制成員運(yùn)行的動態(tài)過程。

4 仿真分析

通?；鹂乩走_(dá)對目標(biāo)的跟蹤距離相對較近，對于高速運(yùn)動的反輻射導(dǎo)彈載機(jī)來說，在有限的跟蹤距離內(nèi)，持續(xù)跟蹤時間不會太長。因此，在仿真過程中設(shè)定目標(biāo)跟蹤時間為t=100s。將開發(fā)的軟件加入到火控雷達(dá)網(wǎng)仿真聯(lián)邦中，在仿真過程中存儲對目標(biāo)的測量值和濾波值進(jìn)行存儲，并實時計算出3部雷達(dá)的截獲概率，都保存到文本文檔中。

仿真結(jié)束后，調(diào)用Matlab讀取存儲的文本，畫出目標(biāo)的測量軌跡和濾波軌跡，如圖5所示?？梢钥闯觯M網(wǎng)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

圖5 測量軌跡和濾波軌跡

3部雷達(dá)的截獲概率如圖6所示。由圖可知，組網(wǎng)系統(tǒng)在有效的跟蹤目標(biāo)時，能夠延長雷達(dá)被敵方偵察系統(tǒng)截獲的時間，提高了先敵發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率，給指揮高炮對敵方目標(biāo)進(jìn)行打擊提供了充足的時間。

圖6 截獲概率

5 結(jié)束語

火控雷達(dá)在跟蹤敵方目標(biāo)時必須要盡量延長被偵察系統(tǒng)截獲的時間，在敵方發(fā)射反輻射導(dǎo)彈攻擊之前指揮高炮對目標(biāo)進(jìn)行打擊。本文研究了3部火控雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)交替輻射的原理，并開發(fā)了基于高層體系結(jié)構(gòu)的融合控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。由于戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，如何進(jìn)一步優(yōu)化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，更好地發(fā)揮組網(wǎng)優(yōu)勢，實現(xiàn)與反輻射武器的對抗有待深入研究。

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對于一般嵌入式應(yīng)用，若設(shè)tmul=0.000015s、tadd= 0.000001s、tabs=0.000005s，可求得TCFDSE比Tcheby顯著減少約54%。

4 結(jié)束語

本文提出CFDSE標(biāo)簽數(shù)估算方法，無需或僅需少量乘法運(yùn)算實現(xiàn)RFID標(biāo)簽數(shù)估算。估算時間比切比雪夫不等式法顯著減少約54%，估算誤差小于5%，適用于計算能力不強(qiáng)的應(yīng)用場合，對提高RFID標(biāo)簽識別效率、信息獲取速度具有重要作用，促進(jìn)RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

范堅強(qiáng)臉色一暗，剛才那個接到命令的男子朝一杭逼過來，一把抓住他的衣領(lǐng)，提起來，說：“你他媽別得寸進(jìn)尺！”范堅強(qiáng)朝他揮揮手，看看一杭說：“說來聽聽?！?/p>

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Simulation system design for fire control radar network based on HLA

LI Cheng-yu1，DU Wei-ming2，PENG Jian-yi1，ZHANG Wen-quan1
（1.Department of Optics and Electronics Equipment，Wuhan Ordnance N.C.O.Academy，Wuhan 470035，China；2.Department of Radar，Wuhan Ordnance N.C.O.Academy，Wuhan 470035，China）

In order to improve the survival probability of fire control radars，the technique of radar network was studied.For the hypothesized scene，the working process of fire control radar network was introduced，the structure of data fusion and control system was designed and the dynamic process of simulation was given.Simulation software based on high level architecture was developed as a platform to test the fire control radar network theory.And simulation experiments were carried out with run time infrastructure（RTI）.The results indicate the software can simulate the data fusion and parameter control of fire control radar network and the network system can effectively delay the intercept time of fire control radar by enemy reconnaissance system.

fire control radar；radar network；high level architecture；simulation；RTI

TJ810.3+7；TN95；TP398.028；TP391.9

：A

：1674-5124（2014)03-0137-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.036

2013-09-17；

：2013-11-21

李成玉（1988-），男，河南南陽市人，助教，碩士，研究方向為導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。