熊　偉, 高　霞, 王　力, 楊萬(wàn)扣

(1. 東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 南京 210096;

2. 中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所, 江蘇 無(wú)錫 214063)

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基于UML通用性機(jī)載雷達(dá)仿真器系統(tǒng)建模與仿真

熊偉1,2, 高霞2, 王力2, 楊萬(wàn)扣1

(1. 東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 南京 210096;

2. 中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所, 江蘇 無(wú)錫 214063)

摘要：采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言(unified modeling language,UML)提出了一種模塊化、易擴(kuò)展和通用性的機(jī)載雷達(dá)功能級(jí)仿真器體系結(jié)構(gòu),分為系統(tǒng)控制、天線、信號(hào)處理機(jī)和數(shù)據(jù)處理機(jī)共4個(gè)對(duì)象進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),具備機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)的仿真能力。建立和分析了機(jī)載雷達(dá)仿真器系統(tǒng)的工作流程、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、誤差分析和電磁對(duì)抗模型,并采用Visual C++語(yǔ)言對(duì)所建模型進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn),仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了模型的可行性和有效性,為機(jī)載雷達(dá)的功能驗(yàn)證和作戰(zhàn)效能評(píng)估提供了平臺(tái)和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)載雷達(dá); 仿真器系統(tǒng); 系統(tǒng)建模; 統(tǒng)一建模語(yǔ)言

0引言

雷達(dá)系統(tǒng)仿真是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和作戰(zhàn)效能分析評(píng)估的有效方法。近年來,以雷達(dá)系統(tǒng)仿真技術(shù)為代表的軍用仿真技術(shù)得到了迅猛發(fā)展[1-7]。雷達(dá)系統(tǒng)仿真就是利用雷達(dá)系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,根據(jù)不同階段不同分系統(tǒng)的仿真結(jié)果來輔助雷達(dá)系統(tǒng)研究和作戰(zhàn)效能評(píng)估的各項(xiàng)工作,其根本目的在于基于仿真結(jié)果,代替或部分代替實(shí)際系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果,并對(duì)其進(jìn)行研究和分析[1-2,6-7]。

當(dāng)前雷達(dá)系統(tǒng)的仿真方法主要分為兩類,一類是信號(hào)級(jí)仿真,另一類是功能級(jí)仿真。兩類方法的主要差異在于功能級(jí)仿真只考慮信號(hào)的幅度信息,而信號(hào)級(jí)仿真既考慮信號(hào)的幅度信息又考慮信號(hào)的相位信息[2],仿真復(fù)現(xiàn)了雷達(dá)信號(hào)傳播和處理的全過程因而比功能級(jí)仿真的粒度更細(xì), 模型更加逼真, 精度更高。如美國(guó)Cadence公司的SPW(signal processing workstation)、美國(guó)ELANIX公司的SystemView等信號(hào)層仿真商用軟件,可以建立到雷達(dá)信號(hào)處理濾波器定義、發(fā)射信號(hào)波形脈內(nèi)描述等細(xì)節(jié)的數(shù)字模型,但同時(shí)信號(hào)級(jí)仿真運(yùn)行所需要的設(shè)備和時(shí)間也就更多。與信號(hào)級(jí)仿真相比,功能級(jí)仿真結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、且便于擴(kuò)展,是雷達(dá)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)研制中廣泛采用的一類仿真方法。本文運(yùn)用功能級(jí)仿真對(duì)通用性機(jī)載雷達(dá)仿真器系統(tǒng)的建模和仿真方法進(jìn)行研究。機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng),涉及到系統(tǒng)控制、天線、信號(hào)處理機(jī)、數(shù)據(jù)處理機(jī)等多個(gè)分級(jí)系統(tǒng),它的建模仿真已非傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真模式所能勝任。同時(shí),目前大多數(shù)雷達(dá)仿真系統(tǒng)僅為滿足某一特定的軍事研制需求而建模設(shè)計(jì)的[1-2,5-7],功能比較單一,不能適應(yīng)不同雷達(dá)工作者提出的個(gè)性化需求,因而導(dǎo)致需對(duì)已開發(fā)的雷達(dá)仿真器系統(tǒng)進(jìn)行不斷升級(jí),同時(shí)也使得雷達(dá)仿真器系統(tǒng)陷于建模仿真周期長(zhǎng)、功能低的困境中。因此,模塊化設(shè)計(jì)一個(gè)具有良好通用性和可擴(kuò)展性的機(jī)載雷達(dá)仿真器系統(tǒng)具有重要意義。

統(tǒng)一建模語(yǔ)言(unified modeling language, UML)使用面向?qū)ο蟮母拍罘治?、描述軟件系統(tǒng)并構(gòu)造系統(tǒng)模型[8],是一種在軍事戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略仿真等大型復(fù)雜系統(tǒng)建模領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用并得到普遍認(rèn)可的軟件工程方法[6,9-11]。

本文采用UML面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式,將整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)分為系統(tǒng)控制、天線、信號(hào)處理機(jī)和數(shù)據(jù)處理機(jī)共4個(gè)對(duì)象進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),基于雷達(dá)方程建立綜合信噪比/信干比模型,并進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤和電磁對(duì)抗的功能性建模和仿真。整個(gè)機(jī)載雷達(dá)仿真系統(tǒng)不僅具有模塊化結(jié)構(gòu),而且容易理解,便于擴(kuò)展并同時(shí)具有良好的透明性和重復(fù)使用性。

1系統(tǒng)模型的構(gòu)成

1.1頂層邏輯

將整個(gè)機(jī)載雷達(dá)仿真系統(tǒng)看作一個(gè)聯(lián)邦,如圖1所示,其成員包括綜合航電系統(tǒng)、機(jī)載火控雷達(dá)系統(tǒng)和仿真環(huán)境共3個(gè)成員,其中綜合航電系統(tǒng)成員負(fù)責(zé)仿真航電系統(tǒng)對(duì)機(jī)載雷達(dá)的控制;仿真環(huán)境成員負(fù)責(zé)對(duì)各種仿真環(huán)境進(jìn)行建模仿真,包括目標(biāo)特性、目標(biāo)軌跡、自衛(wèi)式干擾和支援式干擾等;機(jī)載火控雷達(dá)成員負(fù)責(zé)仿真雷達(dá)對(duì)來襲目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤、分辨、抗干擾等,并對(duì)其效能進(jìn)行評(píng)估。

圖1　機(jī)載雷達(dá)仿真器系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

首先,由綜合航電系統(tǒng)向雷達(dá)控制接口發(fā)送雷達(dá)控制指令,同時(shí)雷達(dá)從仿真環(huán)境中獲取所需的相關(guān)數(shù)據(jù)包括目標(biāo)信息、電磁環(huán)境信息等,并根據(jù)航電控制指令及自身的邏輯控制,進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤濾波、抗干擾等相關(guān)計(jì)算,最后輸出雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)信息送至綜合航電系統(tǒng)。

1.2運(yùn)行狀態(tài)

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)圖如圖2所示。首先由仿真實(shí)體創(chuàng)建機(jī)載雷達(dá)仿真模型,模型創(chuàng)建完畢后進(jìn)入待命狀態(tài),等待接收初始化數(shù)據(jù)。當(dāng)接到仿真實(shí)體初始化數(shù)據(jù)后進(jìn)行模型的初始化,如果初始化成功則進(jìn)入就緒狀態(tài),如果初始化失敗則向?qū)嶓w模型報(bào)錯(cuò),并重新進(jìn)入待命狀態(tài)。在就緒狀態(tài)如果接到實(shí)體模型的調(diào)用命令則進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),在運(yùn)行狀態(tài)仿真模型會(huì)周期性接到實(shí)體模型的調(diào)用指令,并周期性地進(jìn)行模型解算。在待命、就緒和運(yùn)行狀態(tài)機(jī)載雷達(dá)仿真模型都有可能接到實(shí)體模型的刪除命令,這時(shí)模型釋放分配的資源,注銷模型,結(jié)束模型的運(yùn)行。

圖2　機(jī)載雷達(dá)仿真系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖

1.3邏輯包設(shè)計(jì)

機(jī)載雷達(dá)仿真系統(tǒng)的頂層邏輯包包括模型入口包、機(jī)載雷達(dá)模型包、機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包和枚舉類型結(jié)構(gòu)體包,其中機(jī)載雷達(dá)模型包又包括系統(tǒng)控制包、天線模型包、信號(hào)處理包和數(shù)據(jù)處理包4個(gè)子包,其仿真運(yùn)行時(shí)序圖如圖3所示。

圖3　機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)仿真時(shí)序圖

1.4類設(shè)計(jì)

如圖4所示,機(jī)載雷達(dá)模型類CRadarModel可根據(jù)不同型號(hào)、不同類型的機(jī)載雷達(dá)(如脈沖多普勒雷達(dá)或相控陣?yán)走_(dá))創(chuàng)建相應(yīng)的系統(tǒng)控制類CRadarControl、天線模型類CRadarAntenna、信號(hào)處理類CRadarSigProc和數(shù)據(jù)處理類CRadarDataProc,實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)模型的創(chuàng)建,并仿真主流程的控制等。其中類CRadarControl、CRadarAntenna、CRadarSigProc和CRadarData-Proc分別為雷達(dá)系統(tǒng)控制、天線、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)對(duì)象的抽象基類,分別定義了各種不同分系統(tǒng)對(duì)象的統(tǒng)一接口和功能,并由相應(yīng)的類工廠CRadarControl-Factory、CRadarAntenna-Factory、CRadarSigProc-Factory、CRadarDataProc-Factory負(fù)責(zé)創(chuàng)建。如圖5所示,類CRadarPhaseAntenna和類CRadarMechAntenna不僅繼承了天線基類CRadarAntenna的統(tǒng)一接口和功能,而且分別實(shí)現(xiàn)了相掃天線和機(jī)掃天線模型。

圖4　機(jī)載雷達(dá)仿真系統(tǒng)類視圖

圖5　天線類的繼承關(guān)系

2機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)功能模型

2.1系統(tǒng)仿真流程

機(jī)載雷達(dá)仿真系統(tǒng)以固定時(shí)間為仿真步長(zhǎng)向前推進(jìn),在每個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)仿真系統(tǒng)的處理流程如圖6所示。

圖6　機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)仿真流程

2.2目標(biāo)檢測(cè)

2.2.1綜合信噪比

雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)的SNR或者電磁干擾環(huán)境中的SJR是決定目標(biāo)能否被檢測(cè)的關(guān)鍵因素。由式(1)、式(2)可知,SNR和SJR由目標(biāo)回波信號(hào)功率、接收機(jī)噪聲功率、雜波功率以及干擾信號(hào)功率等因素決定[12]。

(1)

(2)

式中,Ps為目標(biāo)回波信號(hào)功率;Pn表示接收機(jī)噪聲功率與雜波功率和;Pc,Pj分別為雷達(dá)接收到的無(wú)源干擾信號(hào)功率和有源干擾信號(hào)功率;Dc≥1、Da≥1分別表示雷達(dá)采用綜合抗干擾措施抗無(wú)源干擾、有源干擾的改善因子, 未采用綜合抗干擾措施時(shí)Dc=1,Da=1。

在雷達(dá)回波信號(hào)功能仿真模型中,目標(biāo)散射回波信號(hào)功率和有源干擾功率[12]分別為

(3)

(4)

式中,R為目標(biāo)與雷達(dá)距離;Lt,Lr分別表示雷達(dá)的發(fā)射綜合損耗和接收綜合損耗,LAtm為電磁波在大氣中的傳輸損耗;Pt為雷達(dá)發(fā)射峰值功率;Gt,Gr分別表示雷達(dá)發(fā)射天線增益和接收天線增益;λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng);σ為目標(biāo)的有效雷達(dá)截面積;D表示雷達(dá)抗干擾綜合改善因子;Pj為干擾機(jī)發(fā)射功率;Gj,Grj分別表示干擾機(jī)發(fā)射天線增益和干擾機(jī)方向雷達(dá)的接收天線增益;Rj為干擾機(jī)與雷達(dá)的距離;Lj為干擾機(jī)綜合損耗;Br,Bj分別表示雷達(dá)接收機(jī)的瞬時(shí)帶寬和干擾信號(hào)帶寬。特別地,當(dāng)Grj為雷達(dá)天線主瓣增益時(shí),則Pj表示自衛(wèi)式干擾功率,當(dāng)Grj為雷達(dá)天線旁瓣增益時(shí),則Pj表示支援式干擾功率。

(5)

式中,k=1.38×10-23J/K為玻爾茲曼常數(shù);T0=290 K為接收機(jī)參考溫度;BR為接收機(jī)瞬時(shí)帶寬;NF∈(0 dB,15 dB)為噪聲系數(shù)[12]。

通過對(duì)智能工程建設(shè)過程中各階段的了解，發(fā)現(xiàn)智能工程建造中存在著各種影響因素。因此，為確保政府大樓智能工程項(xiàng)目可以按時(shí)保質(zhì)完成，需要在智能工程建設(shè)施工中進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，做好工程進(jìn)度控制。

在計(jì)算綜合SNR/SJR前,需綜合判斷目標(biāo)是否在雷達(dá)天線掃描范圍和雷達(dá)最大作用距離內(nèi),當(dāng)目標(biāo)在雷達(dá)天線掃描范圍和雷達(dá)最大作用距離之外時(shí),直接將SNR或SJR置為0。

2.2.2檢測(cè)確認(rèn)模型

計(jì)算出雷達(dá)接收目標(biāo)的SNR或SJR后,基于預(yù)先擬合的檢測(cè)曲線計(jì)算目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率Pd,并在(0,1)均勻分布上隨機(jī)取值,記為P0,當(dāng)Pd≥P0時(shí)表示發(fā)現(xiàn)目標(biāo),反之未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

為了減少虛警率,搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)采用目標(biāo)確認(rèn)處理方式,即連續(xù)檢測(cè)m次,當(dāng)有k(k≤m)次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí),確認(rèn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。仿真中m，k取值隨具體雷達(dá)型號(hào)而定,一般取m=5,k=3。

2.3誤差模型

誤差模型可以分別表示為雷達(dá)跟蹤測(cè)距精度σR、測(cè)速精度σv和測(cè)角精度σΔθ的正態(tài)隨機(jī)分布。理論上,由雷達(dá)時(shí)延測(cè)量距離的均方根誤差[12]為

(6)

式中,β為有效帶寬;C為電磁波傳播速度;E/N0為匹配濾波器輸出端峰值最大信噪比。徑向速度測(cè)量的均方根誤差[12]為

(7)

(8)

式中,s(t)為雷達(dá)時(shí)域信號(hào)。雷達(dá)角度測(cè)量的均方根誤差為

(9)

式中,γ為有效孔徑寬度。對(duì)于孔徑上具有均勻幅度照射的天線而言,理論角度測(cè)量均方根誤差[12]為

(10)

式中,θB為波束寬度。

2.4目標(biāo)跟蹤

雷達(dá)目標(biāo)跟蹤處理的邏輯框圖如圖7所示。常見的跟蹤濾波器α-β有濾波器、α-β-γ濾波器、卡爾曼濾波器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器、粒子濾波器和概率假設(shè)密度濾波器等,數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法可選用概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法、最近鄰域關(guān)聯(lián)算法等[13-17]。本文仿真系統(tǒng)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器和最近鄰域關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行目標(biāo)跟蹤仿真和功能驗(yàn)證,也可直接替換為其他濾波器和關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行論證分析。

圖7　目標(biāo)跟蹤邏輯流程圖

2.5電磁對(duì)抗模型

雷達(dá)干擾基本上可以分別為遮蓋性干擾和欺騙性干擾。遮蓋性干擾主要表現(xiàn)為壓制性的強(qiáng)噪聲,影響雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)的SJR,使目標(biāo)的距離和多普勒信息難以提取。欺騙性干擾主要破壞雷達(dá)的跟蹤系統(tǒng),使雷達(dá)跟蹤出現(xiàn)錯(cuò)誤的假目標(biāo)信息,從而保護(hù)目標(biāo)[18]。

欺騙性干擾仿真的數(shù)學(xué)模型[18]為

(11)

式中,AJ為干擾信號(hào)幅度并大于目標(biāo)回波信號(hào);Δt和Δω分別為欺騙信號(hào)相對(duì)目標(biāo)正?；夭ㄐ盘?hào)的距離延時(shí)和多普勒頻移量。特別地，當(dāng)Δω=0,Δt≠0且作周期性拖引變化,式(11)表示距離拖引干擾;當(dāng)Δt=0,Δω≠0且作周期性拖引變化時(shí),式(11)表示速度拖引干擾。

在雷達(dá)抗干擾措施效果的定量分析和仿真研究時(shí),需對(duì)抗干擾措施的性能指標(biāo)進(jìn)行定量評(píng)估。本文在遮蓋式干擾的對(duì)抗效果仿真中,引入不同抗干擾措施的抗干擾改善因子D[18],根據(jù)式(2)和式(3)以改善目標(biāo)檢測(cè)的SJR。

(12)

式中,D1,D2,…,Dn分別表示低副瓣天線、旁瓣對(duì)消、頻率捷變等抗干擾措施的抗干擾改善因子。與對(duì)抗遮蓋式干擾仿真不同,抗欺騙干擾成功與否可以用抗欺騙干擾的概率p[18]來描述:

(13)

式中，pj1,pj2,pj3分別表示干擾機(jī)偵察系統(tǒng)截獲、分選和模擬雷達(dá)信號(hào)的概率;pr1,pr2,pr3分別表示雷達(dá)在空域、時(shí)域以及采用其他方法識(shí)別假目標(biāo)概率。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的UML模型,利用UML快速開發(fā)應(yīng)用程序Rational Rose 2002提供的代碼導(dǎo)出功能生成仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的C++代碼,然后基于上述的仿真模型添加各實(shí)體模塊的功能仿真代碼,并采用MFC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)。

3.1場(chǎng)景想定

在進(jìn)行機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)功能仿真之前,首先需對(duì)仿真的場(chǎng)景進(jìn)行想定。首先，如圖8所示,在場(chǎng)景想定中,需確定紅藍(lán)雙方的飛機(jī)型號(hào)以便實(shí)現(xiàn)不同類型雷達(dá)的不同功能,其中當(dāng)藍(lán)方目標(biāo)為地面或海上目標(biāo)時(shí),其飛機(jī)型號(hào)選定無(wú)效。其次，如圖9所示,在態(tài)勢(shì)參數(shù)設(shè)置框中設(shè)置紅方飛機(jī)的航向角、載機(jī)高度、飛行速度等飛行參數(shù),確定藍(lán)方目標(biāo)的個(gè)數(shù)、目標(biāo)隊(duì)列、場(chǎng)景模式、速度、目標(biāo)RCS、目標(biāo)起伏特性等參數(shù),以便實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)實(shí)體(包括空中、地面和海上目標(biāo))的模擬仿真。最后,根據(jù)仿真需求,決定是否體現(xiàn)電子干擾環(huán)境和抗干擾效果,確定干擾載機(jī)平臺(tái)和相應(yīng)的干擾類型,其中仿真的干擾類型包括噪聲干擾和欺騙性干擾。

圖8　場(chǎng)景想定界面

圖9　態(tài)勢(shì)參數(shù)設(shè)置

3.2雷達(dá)仿真參數(shù)設(shè)置

在仿真場(chǎng)景想定完畢后,下面需要對(duì)紅藍(lán)雙方加載的不同類型的雷達(dá)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,如圖10所示,以便實(shí)現(xiàn)雷達(dá)相應(yīng)功能的仿真。在圖10(a)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面中按照雷達(dá)系統(tǒng)的主要構(gòu)成分為天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理5個(gè)部分設(shè)置。其中在信號(hào)處理部分,高中低重頻下的脈沖個(gè)數(shù)、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率、脈壓增益、占空比等參數(shù)組成雷達(dá)波形參數(shù)結(jié)構(gòu)體,以文本文件進(jìn)行讀入。在圖10(b)雷達(dá)電磁對(duì)抗參數(shù)設(shè)置界面中,根據(jù)圖8選擇的干擾類型設(shè)置相應(yīng)的干擾參數(shù),并可根據(jù)仿真需要選擇是否采用抗干擾措施和干擾抑制率的大小,其中常用的抗干擾措施包括頻率捷變、頻率分集、旁瓣對(duì)消、低副瓣天線、抗干擾波形等是以數(shù)字編號(hào)的組合形式進(jìn)行讀取。

圖10　雷達(dá)參數(shù)設(shè)置界面

3.3仿真分析

以對(duì)空狀態(tài)為例,如圖9所示,在雷達(dá)載機(jī)航向角為0°,距離為50～160 km范圍內(nèi)模擬4個(gè)空中目標(biāo),均勻分布在4個(gè)視線上,每個(gè)方向有1個(gè)目標(biāo),距離間隔為5 km,方位間隔為15o,起始距離為100 km,起始方位為25o,航速均為300 m/s,目標(biāo)的航向及高度與視線的序號(hào)有關(guān),偶數(shù)視線上目標(biāo)航向角與視線方向相同,高度為4 km,奇數(shù)視線上目標(biāo)航向角與視線方向相反,高度為6 km。機(jī)載雷達(dá)的方位掃描范圍為[-30°,-30°],俯仰掃描線數(shù)為2,載機(jī)高度為5 km,載機(jī)地速為200 m/s,工作方式為邊掃描邊跟蹤,其目標(biāo)跟蹤的結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出,雷達(dá)通過天線掃描、信號(hào)檢測(cè)和目標(biāo)跟蹤等處理后,輸出的徑向距離、徑向速度、方位角和俯仰角與實(shí)際目標(biāo)觀測(cè)值的誤差小,并能穩(wěn)定跟蹤,可滿足雷達(dá)精確跟蹤的功能驗(yàn)證需求。此外為論證和分析其他濾波器和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法的性能,可將此模塊的擴(kuò)展卡爾曼濾波器和最近鄰關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行替換。

圖11　雷達(dá)目標(biāo)跟蹤結(jié)果

本仿真系統(tǒng)還成功實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)電磁干擾和抗干擾、RCS測(cè)量、功率管理、對(duì)地測(cè)高、對(duì)地目標(biāo)跟蹤、對(duì)海目標(biāo)探測(cè)和跟蹤等功能的仿真。圖12為雷達(dá)采用抗干擾措施前后對(duì)抗欺騙式干擾的效果比較,其中紅色圓點(diǎn)表示目標(biāo),紅色直線代表機(jī)頭方向,藍(lán)色直線表示天線掃描波束。圖12(a)中，天線掃描展示區(qū)左上部分的多個(gè)紅色圓點(diǎn)顯示為由1號(hào)目標(biāo)欺騙干擾產(chǎn)生的多個(gè)假目標(biāo),由數(shù)據(jù)監(jiān)視窗可以看出,跟蹤系統(tǒng)結(jié)果輸出有24個(gè)目標(biāo)航跡,其中編號(hào)為6 001的假目標(biāo)航跡有20個(gè)。采用頻率捷變、低截獲波形等抗干擾措施后的雷達(dá)跟蹤效果如圖12(b)所示。本機(jī)載雷達(dá)仿真器系統(tǒng)不僅可對(duì)現(xiàn)役和在研型號(hào)的機(jī)載雷達(dá)進(jìn)行功能仿真和效能評(píng)估分析,通過對(duì)相應(yīng)的子模型進(jìn)行擴(kuò)展,還可滿足未來預(yù)研型號(hào)機(jī)載雷達(dá)功能仿真和效能評(píng)估的需求。

圖12　雷達(dá)欺騙式干擾對(duì)抗效果比較

4結(jié)論

本文首先采用UML對(duì)機(jī)載雷達(dá)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可視化建模。通過UML的頂層邏輯、運(yùn)行狀態(tài)、邏輯包和類設(shè)計(jì)等,優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了系統(tǒng)的可讀性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。其次,對(duì)機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)功能模型的工作流程、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、誤差模型和雷達(dá)電磁對(duì)抗模型進(jìn)行了分析,逼真地模擬了實(shí)際機(jī)載雷達(dá)天線、信號(hào)處理機(jī)和數(shù)據(jù)處理機(jī)等分系統(tǒng)性能。最后,想定了仿真場(chǎng)景,設(shè)置了仿真環(huán)境,并基于上述機(jī)載雷達(dá)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果的分析充分表明了系統(tǒng)模型的可行性和有效性,為研究機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的功能驗(yàn)證和效能評(píng)估提供了仿真依據(jù)和驗(yàn)證平臺(tái)。

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熊偉(1984-), 男,高級(jí)工程師,博士研究生,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)仿真、雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別。

E-mail:xiongweiwhumath@sina.com

高霞(1984-),女,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)仿真、氣象雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)。

E-mail:gx-1984@163.com

王力(1984-),男,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)仿真、目標(biāo)跟蹤。

E-mail:wang_li_apple@163.com

楊萬(wàn)扣(1979-),男,副教授,博士,主要研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、系統(tǒng)仿真。

E-mail:youngwankou@yeah.net

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20141022.1310.002.html

Modeling and simulation of universal airborne radar

simulator system based on UML

XIONG Wei1,2, GAO Xia2, WANG Li2, YANG Wan-kou1

(1.CollegeofAutomation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 2.LeihuaElectronic

TechnologyInstitute,AviationIndustryCorporationofChina,Wuxi214063,China)

Abstract:A modularized, expandable and universal system structure of the airborne radar functional simulator is proposed based on unified modeling language (UML), which is consisted with four modularization designed objects, including system control, antenna, signal processing machine and data processing machine. The universal airborne radar simulator has the simulation ability of pulse Doppler radar and phased array radar. Then, the work flowchart, target detection model, target track model, error analysis model and electronic counter-countermeasure model of the airborne radar simulation system are established and analyzed in detail. Finally, the simulation model is carried out with the visual C++ language, which results verify the feasibility and efficiency. The successful exploitation of the airborne radar simulator will supply the platform and basis for functional validation and efficiency evaluation of airborne radar.

Keywords:airborne radar; simulator system; system modeling; unified modeling language (UML)

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TN 95

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.07.12

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA7042013)資助課題

收稿日期：2014-07-08；修回日期：2014-09-05；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2014-10-22。