簡力 朱瑩
上海機(jī)電工程研究所,上海201109
近幾場局部戰(zhàn)爭表明,空襲對戰(zhàn)爭的進(jìn)程和結(jié)局有重大影響,并且現(xiàn)代戰(zhàn)爭中多采用超遠(yuǎn)程、一體化、快節(jié)奏和高精度的空天合成信息化空襲,防空作戰(zhàn)正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。因此,加快防空裝備發(fā)展對提升防空部隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)水平、增強(qiáng)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力有重大軍事意義。
在地面防空導(dǎo)彈型號設(shè)計(jì)過程中,需要驗(yàn)證武器的作戰(zhàn)流程和指標(biāo),這要求在實(shí)驗(yàn)室搭建一個閉環(huán)系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅需要模擬武器系統(tǒng),也需要模擬多部雷達(dá)以及空情信息環(huán)境。因此需要設(shè)計(jì)雷達(dá)模擬源,用于模擬搜索雷達(dá)和多部跟蹤雷達(dá)的空情輸出。雷達(dá)模擬源[2]是模擬仿真技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它通過模擬的方法產(chǎn)生雷達(dá)操作面板和顯示器所需的各種信號,以便在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)前端不具備的條件下,能夠真實(shí)地描述雷達(dá)的工作狀態(tài)和過程。
隨著型號的增多,針對具體型號的雷達(dá)模擬源已經(jīng)無法滿足當(dāng)前緊迫的需求。通過研制一套通用的雷達(dá)模擬源,可以突破型號的限制,兼容多種型號的雷達(dá)模擬源,解決作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真的通用性問題。另外,隨著研制型號數(shù)量的增加和經(jīng)驗(yàn)的豐富,積累了典型目標(biāo)和典型雷達(dá)的信息,能提高模擬源的模擬真實(shí)程度。
總之,該種通用雷達(dá)模擬源作為一個通用化和更專業(yè)化的工具,能提高地面防空武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率和實(shí)驗(yàn)?zāi)M水平,并且為以后型號的研制提供了極大的方便。
本文通過需求分析,確定了由通用空情模擬器和通用雷達(dá)模擬器組成該通用模擬源。在分析2個模擬器功能的基礎(chǔ)上,分別實(shí)現(xiàn)2個模擬器的設(shè)計(jì)和兩者的通訊設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)通用雷達(dá)模擬源設(shè)計(jì)。
通用雷達(dá)模擬源用于試驗(yàn)室條件下的防空武器系統(tǒng)軟件開發(fā)調(diào)試和外場地面聯(lián)試,需要實(shí)現(xiàn)以下功能:1)模擬多批次、多類型的復(fù)雜空情;2)實(shí)現(xiàn)模擬多種搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)的同源空情輸出。
分別設(shè)計(jì)空情模擬器和雷達(dá)模擬器這2個軟件配置,完成上述2種功能。
1.2.1 空情模擬器實(shí)現(xiàn)空情定制生成功能
空情模擬器實(shí)現(xiàn)空情定制生成功能流程圖如圖1所示。
圖1 通用空情模擬器設(shè)計(jì)流程圖
1)收集多種典型飛行器目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù),建立飛行器參數(shù)數(shù)據(jù)包。目標(biāo)類型涵蓋了多種主流戰(zhàn)機(jī)、直升機(jī)和空地彈;目標(biāo)的參數(shù)包括空速、升限、RCS和過載等。
2)依據(jù)數(shù)據(jù)包中指定目標(biāo)的特性,建立模型,生成原始空情,包括單架次直線、多架次直線和單架次機(jī)動的目標(biāo)航跡,對生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行索引、管理和存儲。
3)設(shè)置定制空情:將多個原始空情數(shù)據(jù)組合,可對每個原始數(shù)據(jù)的播放進(jìn)行設(shè)置,包括出現(xiàn)時間、誤差設(shè)置等,形成多架次、多批次的空情想定。
4)發(fā)送空情:將定制好的空情想定發(fā)送給一個通用雷達(dá)模擬器或同時發(fā)送給多個通用雷達(dá)模擬器。
1.2.2 雷達(dá)模擬器實(shí)現(xiàn)同源目標(biāo)的雷達(dá)模擬輸出功能
雷達(dá)模擬器可以將定制的空情作為目標(biāo)的輸入,模擬多個不同類型的搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)的部分特性,如方位、俯仰和探測距離等。
該模擬器還可以根據(jù)目標(biāo)的作戰(zhàn)樣式,結(jié)合干擾模式對雷達(dá)的作用效果,輸出同源的雷達(dá)數(shù)據(jù),作為地面武器系統(tǒng)的目標(biāo)輸入,如圖2所示。
圖2 通用雷達(dá)模擬器設(shè)計(jì)流程圖
1.2.3 雷達(dá)模擬源的工作流程
設(shè)計(jì)的通用雷達(dá)模擬源的工作流程如下:空情模擬器生成空情信息,發(fā)送給雷達(dá)模擬器;雷達(dá)模擬器模擬多種雷達(dá)的工作方式,處理接收到的空情,生成雷達(dá)輸出數(shù)據(jù),發(fā)送給武器系統(tǒng),完成雷達(dá)的空情模擬功能。
2個模擬器之間采用網(wǎng)絡(luò)通訊方式,在一個計(jì)算機(jī)或在不同計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。邏輯連接圖如圖3。
最大模擬雷達(dá)類型:20種;同時模擬搜索雷達(dá)數(shù)≥2;同時模擬跟蹤雷達(dá)數(shù)≥4;最大模擬目標(biāo)類型數(shù):100;最大空情目標(biāo)數(shù):200批;最大目標(biāo)速度:5Ma;雷達(dá)輸出頻率:0.1~20Hz。
圖3 通用雷達(dá)模擬源邏輯連接圖
2.1.1 網(wǎng)絡(luò)通訊方式
1)依據(jù)系統(tǒng)的通訊要求,實(shí)現(xiàn)1對1、1對多的數(shù)據(jù)通訊,也可在一臺計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)2個模擬器軟件的通訊。選用UDP組播通訊方式,滿足2個模擬器通訊的要求。
2)空情模擬器將目標(biāo)信息送給雷達(dá)模擬器,由于搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)的數(shù)據(jù)頻率不一致,所以目標(biāo)信息分2種頻率進(jìn)行發(fā)送。這里假設(shè)一種武器的全部跟蹤雷達(dá)數(shù)據(jù)頻率都相同。
2.1.2 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容
1)空情模擬器向雷達(dá)模擬器傳輸目標(biāo)信息,數(shù)據(jù)的內(nèi)容應(yīng)滿足雷達(dá)模擬器的模擬計(jì)算,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括:目標(biāo)號,目標(biāo)的位置、速度數(shù)據(jù)、該數(shù)據(jù)的時間,目標(biāo)的RCS數(shù)據(jù)及干擾數(shù)據(jù)。
2)空情模擬器定期發(fā)送目標(biāo)的觀測中心位置信息,空情信息以該中心播發(fā),雷達(dá)模擬器使用該位置和雷達(dá)自身位置實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。
2.1.3 發(fā)送數(shù)據(jù)的報文設(shè)計(jì)
為滿足每秒最大200批目標(biāo)的可靠傳輸,避免因同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報文過多導(dǎo)致UDP丟包,同時還應(yīng)限制報文的長度,避免過長的UDP報文傳輸產(chǎn)生通信異常,采用了可變長度設(shè)計(jì)和分包發(fā)送設(shè)計(jì)。即在1個報文中放置一定數(shù)量的目標(biāo)信息,同一時刻產(chǎn)生的目標(biāo)信息由1個報文發(fā)送或拆為幾個報文發(fā)送。
2.2.1 空情目標(biāo)的坐標(biāo)系選取
生成的空情應(yīng)具有可重復(fù)使用性,因此,目標(biāo)的位置信息數(shù)據(jù)格式選用相對坐標(biāo)系,即相對于觀測中心(通常默認(rèn)搜索雷達(dá)為中心)的距離、方位和俯仰來描述目標(biāo)的航跡。
2.2.2 飛行器參數(shù)庫設(shè)計(jì)
本文在設(shè)計(jì)空情模擬器時收集了大部分典型飛行器目標(biāo)信息,比如戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、先進(jìn)隱身巡航導(dǎo)彈AGM-129、X-59M/AS-18空地導(dǎo)彈、JDAM精確制導(dǎo)炸彈、F-22隱身飛機(jī)、米-24雌鹿式武裝直升機(jī)和哈姆反輻射導(dǎo)彈等,著重收集了速度、射程、目標(biāo)RCS和過載等參數(shù)。
設(shè)計(jì)的空情模擬器軟件包含了目標(biāo)庫中目標(biāo)增加、修改、刪除等維護(hù)功能,數(shù)據(jù)庫采用Windows的INI文件形式。數(shù)據(jù)項(xiàng)包括:飛行器名稱、最大飛行速度、最小飛行速度、最大飛行過載、升限、爬升坡度、最大RCS和最小RCS。
2.2.3 直線航跡的生成
航跡的生成受到飛行器的運(yùn)動特性限制,需要根據(jù)飛行器的類型設(shè)置航跡的方位、高度、速度、航向和航路捷徑等參數(shù)。
在空情模擬器的初期,本文先設(shè)計(jì)了簡單的直線航跡,為了后期航跡復(fù)用,又進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了可一次生成多批直線航跡的功能,并對航跡增加說明。
由于發(fā)送頻率隨雷達(dá)的數(shù)據(jù)輸出頻率而改變,所以航跡的存儲采用描述語言進(jìn)行保存,存儲的文件格式采用INI文件格式,實(shí)現(xiàn)了對過去制作的航跡文件進(jìn)行編輯。直線航跡制作功能分解如圖4。
2.2.4 機(jī)動航跡的生成
在設(shè)計(jì)了直線航跡的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)的空情模擬器又進(jìn)一步制作了單條機(jī)動航跡。設(shè)置初始的目標(biāo)類型、位置速度和初始段的飛行時間數(shù)據(jù)后,再添加垂向機(jī)動和水平機(jī)動,制作機(jī)動航跡的界面如圖5所示。
現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,電磁干擾環(huán)境無時無刻不在變化,而且,先進(jìn)干擾系統(tǒng)一般都自帶偵察設(shè)備,干擾針對性強(qiáng),作用顯著。因此,在設(shè)計(jì)空情模擬器時,增加了噪聲干擾、函數(shù)掃頻、箔條干擾、距離和速度欺騙,多假目標(biāo)干擾、轉(zhuǎn)發(fā)式干擾、多普勒干擾和拖曳式干擾共8種干擾方式。
機(jī)動航跡圖界面右上部下拉選擇框即為干擾選項(xiàng),可選8種干擾方式,干擾選項(xiàng)下方的列表框表示每個機(jī)動段的條目,右下方為注釋說明區(qū),可寫入航跡注釋。最右邊為操作按鈕,<添加直線段>按鈕,按下彈出直線飛行段設(shè)置對話框,可產(chǎn)生直線航跡。航跡的第一段可以設(shè)置全部的參數(shù),之后的飛行段僅可設(shè)置部分參數(shù)。
圖4 直線航跡制作功能
圖5 機(jī)動航跡制作功能的界面示意圖
機(jī)動目標(biāo)運(yùn)動采用三自由度模型,即將空襲目標(biāo)理想化為一個質(zhì)點(diǎn),用質(zhì)點(diǎn)在三維空間中的位置來描述目標(biāo)的運(yùn)動,同時忽略地球曲率的影響。
在目標(biāo)航向坐標(biāo)系OXmZmHm中構(gòu)建4種典型航跡,分別是水平等速直線航跡、等速圓周航跡、俯沖航跡和爬升航跡。
2.2.5 復(fù)雜空情的生成
單個目標(biāo)的航跡模型是上述制作好的直線航跡和機(jī)動航跡的組合。在使用過程中,可加載已保存的空情文件,對其進(jìn)行二次編輯,也可刪除空情中的航跡。
為了模擬真實(shí)的作戰(zhàn)環(huán)境,在生成復(fù)雜空情時,除了組合直線航跡、機(jī)動航跡外,必須以戰(zhàn)術(shù)任務(wù)為依據(jù),并支持對抗,因此還必須考慮下列因素:
1)空襲兵器編隊(duì)數(shù)量和按兵器類型、數(shù)量的組成;
2)空襲兵器編隊(duì)的飛行速度、高度、航路捷徑和進(jìn)入、退出攻擊時的航跡;
3)空襲編隊(duì)載機(jī)的機(jī)載武器、彈藥類型和數(shù)量;
4)機(jī)載武器、彈藥投放或發(fā)射的距離、高度、速度;
5)空襲兵器的時空參數(shù),即各機(jī)群按時間和位置的相互作用關(guān)系等。
現(xiàn)代防空作戰(zhàn)中,空襲目標(biāo)多以小編隊(duì),多批次形式進(jìn)入,并且?guī)в忻鞔_的作戰(zhàn)意圖,由于空襲目標(biāo)流的隨機(jī)性,處理上通常認(rèn)為其服從泊松分布。
2.2.6 空情的發(fā)送處理
選取空情后,需設(shè)置搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)的頻率,以及搜索雷達(dá)(觀測中心)的坐標(biāo),確認(rèn)發(fā)送后,在界面上同步顯示目標(biāo)的航跡和數(shù)據(jù)如圖6和7。
圖6 目標(biāo)的航跡圖
圖7 目標(biāo)的數(shù)據(jù)顯示
2.3.1 雷達(dá)參數(shù)庫設(shè)計(jì)
雷達(dá)數(shù)據(jù)庫包含幾種搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)的特性數(shù)據(jù),用于模擬雷達(dá)的工作過程,參數(shù)包括:雷達(dá)名稱、雷達(dá)水平方位角范圍、雷達(dá)最小俯仰角、雷達(dá)最大俯仰角、雷達(dá)作用距離、雷達(dá)搜索轉(zhuǎn)速、雷達(dá)數(shù)據(jù)更新率和雷達(dá)檢測RCS等參數(shù),雷達(dá)庫對應(yīng)雷達(dá)庫管理功能,雷達(dá)庫的保存采用Windows的INI文件格式。
2.3.2 模擬雷達(dá)對目標(biāo)的處理
雷達(dá)模擬器可模擬搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)的工作過程。其工作包括檢測和建航兩部分,該系統(tǒng)處理的重點(diǎn)是雷達(dá)檢測。
雷達(dá)模擬器可模擬搜索雷達(dá)的搜索功能,指向的作用扇區(qū)內(nèi)的目標(biāo)若符合雷達(dá)的威力范圍,則該目標(biāo)被檢測。雷達(dá)的威力范圍判定包括扇區(qū)范圍、作用范圍、俯仰角范圍和RCS檢測范圍等,且該功能可被不斷增加。搜索雷達(dá)仿真的界面如圖 8所示。
圖8 雷達(dá)模擬器模擬搜索雷達(dá)的界面
雷達(dá)模擬器也可模擬跟蹤雷達(dá)的跟蹤功能。通過設(shè)置其天線調(diào)轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。雷達(dá)的威力范圍判定包括扇區(qū)范圍、作用范圍、俯仰角范圍和RCS檢測范圍等,且該功能可被不斷增加。跟蹤雷達(dá)仿真的界面如圖9所示。
2.3.3 雷達(dá)數(shù)據(jù)的輸出
雷達(dá)的目標(biāo)信息輸出頻率與空情的頻率保持一致,報文格式可按照武器系統(tǒng)的要求進(jìn)行定制輸出,傳輸給武器系統(tǒng)的指控和火控子系統(tǒng)。
圖9 雷達(dá)模擬器模擬跟蹤雷達(dá)的界面
為滿足防空作戰(zhàn)的緊迫需求,節(jié)約防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的資源,本文按照“通用+專用”的設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)了一種通用雷達(dá)模擬源。該模擬器的空情功能比較完善,可滿足各種空情的制作,較以往武器系統(tǒng)的雷達(dá)模擬更加趨向真實(shí)。
后續(xù)工作中可進(jìn)一步完善雷達(dá)模擬器的功能,使之更真實(shí)的仿真作戰(zhàn)環(huán)境。
[1] 邊際,高嵩,鄒陽森.防空一體化-要地防空的新生命[J].科技信息,2010,(1):111.(Bian Ji,Gao Song,Zou Yangsen.Air Defense Intergration-The New Life of Point Air Defence[J].Technology Information,2010,(1):111.
[2] 全厚德,王春平,孫書鷹,張衛(wèi)杰.雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].火力與指揮控制,2002,(6):79-81.(Quan Houde,Wang Chunping,Sun Shuying,Zhang Weijie.Design and Realization of Radar Simulator[J].Fire Control& Command Control,2002,(6):79-81.)