雷張華 謝 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的數(shù)據(jù)處理建模與仿真

雷張華 謝 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

針對(duì)機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)處理模塊化的建模與仿真問(wèn)題，文章首先對(duì)仿真平臺(tái)的對(duì)比、坐標(biāo)變化的必要性、數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)作了簡(jiǎn)單的介紹；然后詳細(xì)地闡述了坐標(biāo)系定義及變換過(guò)程，數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)方法；最后分析驗(yàn)證了飛機(jī)目標(biāo)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的誤差結(jié)果和航跡顯示。通過(guò)對(duì)機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊化的算法研究，不僅提高了軟件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率和可靠性，而且豐富了機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)仿真系統(tǒng)的組件庫(kù)。

坐標(biāo)變換；數(shù)據(jù)處理；模塊化建模和仿真

Abstract: Aiming at modeling and simulation issue of airborne phased array radar data processing modularization, firstly, the comparison of simulation platform, necessity of coordinate transformation and characteristic of data processing is introduced briefly; then the definition of coordinate system and process of coordinate transformation and designing method of data processing module is depicted in detail; and finally, the error result and track display of aircraft target is analyzed and verified after data processing. Efficiency and reliability of developed software product is not only improved, but also assembly library of airborne phased array radar simulation system is enriched via studying algorithm of airborne radar data processing modularization.

Keywords：coordinate transformation; data processing; modularization modeling and simulation

0 引言

在軍用領(lǐng)域中，利用軟件平臺(tái)對(duì)某型號(hào)軍品的工作原理進(jìn)行模擬仿真發(fā)揮著日益重要的作用。不僅可以對(duì)模塊進(jìn)行建模和仿真，而且可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估。雖然MathWorks公司的SIMULINK平臺(tái)、安捷倫公司的ADS平臺(tái)可以直接用圖形來(lái)搭建模型，直觀且易擴(kuò)展，但是與其他仿真系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)兼容性不強(qiáng)，交互比較困難；而本文使用微軟公司的Visual Studio 2010平臺(tái)則能生成雷達(dá)功能模塊的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化建模，仿真速度快、兼容性好。

數(shù)據(jù)處理的航跡管理功能即是對(duì)目標(biāo)建立一個(gè)檔案，保存目標(biāo)信息，不僅可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的跟蹤，而且可以對(duì)當(dāng)前檢測(cè)點(diǎn)跡與已有航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)。因?yàn)樵诓煌淖鴺?biāo)系下定義不同的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模型，為了保持空間一致性，并以大地坐標(biāo)系為慣性參考系，因此要通過(guò)坐標(biāo)系變換，統(tǒng)一到共同的坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算。相控陣?yán)走_(dá)的天線(xiàn)通過(guò)改變輻射單元的相位控制產(chǎn)生的波束指向來(lái)探測(cè)目標(biāo)[1]，掃描方式是電掃，所以相控陣天線(xiàn)具有波束捷變、跟蹤精度高等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)監(jiān)測(cè)空域內(nèi)目標(biāo)的數(shù)量合理配置雷達(dá)天線(xiàn)回訪時(shí)間，而相控陣機(jī)載雷達(dá)的主要工作模式是TAS(Track And Search)，即搜索加跟蹤模式，所以在數(shù)據(jù)處理模塊中要對(duì)搜索、確認(rèn)、跟蹤、小搜這四種不同的事件類(lèi)型進(jìn)行合理的轉(zhuǎn)換。

本文將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化建模的思想應(yīng)用到數(shù)據(jù)處理建模設(shè)計(jì)中，不僅可以豐富雷達(dá)仿真系統(tǒng)組件庫(kù)，更能提高軟件產(chǎn)品研制效率，保證軟件質(zhì)量和可靠性。

1 機(jī)載雷達(dá)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

1.1 坐標(biāo)系定義

圖1 坐標(biāo)系示意圖

(1)大地坐標(biāo)系：如圖1所示，空間目標(biāo)所處在空間T點(diǎn)處，在大地坐標(biāo)系下用(B，L，H)表示，其中B代表目標(biāo)點(diǎn)的緯度，L代表點(diǎn)目標(biāo)的經(jīng)度，H代表目標(biāo)T點(diǎn)在法線(xiàn)方向上與地球球面的絕對(duì)距離，即高度。

(2)地穩(wěn)系：目標(biāo)機(jī)和載機(jī)分別以某固定點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的北東地直角坐標(biāo)系OXYZ，X、Y、Z分別代表北向、東向、地向坐標(biāo)。

(3)地滾系：是目標(biāo)飛機(jī)以當(dāng)前載機(jī)質(zhì)心為原點(diǎn)的北東地直角坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的原點(diǎn)隨載機(jī)雷達(dá)位置的改變而改變。

1.2 坐標(biāo)系變換

仿真時(shí)，按如圖2的轉(zhuǎn)換流程進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，已知載機(jī)和目標(biāo)機(jī)的大地坐標(biāo)，以載機(jī)初始時(shí)刻位置為原點(diǎn)[1]，建立目標(biāo)的北東地直角坐標(biāo)系，再建立一個(gè)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模塊，分別根據(jù)載機(jī)和目標(biāo)機(jī)的北、東、地三向速度，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)載雷達(dá)和目標(biāo)飛機(jī)的北東地坐標(biāo)，然后以機(jī)載雷達(dá)為原點(diǎn)建立目標(biāo)點(diǎn)的北東地坐標(biāo)系，再考慮目標(biāo)飛機(jī)的偏航角、爬升角、橫滾角這三個(gè)姿態(tài)角[3]對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的影響，求出機(jī)體坐標(biāo)系下目標(biāo)機(jī)的北東地坐標(biāo)，接著考慮有源相控陣?yán)走_(dá)天線(xiàn)安裝角的影響，最后根據(jù)此時(shí)北東地坐標(biāo)算出球坐標(biāo)系下目標(biāo)飛機(jī)相對(duì)于機(jī)載雷達(dá)的徑向距離(PlaneR)、方位角(PlaneAzi)、俯仰角(PlaneEle)。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程圖

(1)由大地測(cè)量學(xué)知，在WGS84(World Geodetic System 1984)坐標(biāo)系[4]中，以地心原點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，得到地穩(wěn)系(X，Y，Z)和大地坐標(biāo)緯經(jīng)高(B，L，H)之間的關(guān)系，規(guī)定X指北向、Y指東向、Z指地向。

上式中，RN是地球的卯酉圈曲率半徑，a表示地球長(zhǎng)半軸的長(zhǎng)度6378137m，b表示地球短半軸的長(zhǎng)度6356752.3142m，e是地球第一偏心率常數(shù)錯(cuò)誤！未找到引用源。

在工程應(yīng)用中，可以利用下面公式，直接將目標(biāo)飛機(jī)的經(jīng)緯高轉(zhuǎn)到以載機(jī)為原點(diǎn)的北東地地滾系。設(shè)置載機(jī)的經(jīng)緯高度坐標(biāo)為(Jr，Wr，Hr)，目標(biāo)機(jī)的經(jīng)緯高度坐標(biāo)為(Jt，Wt，Ht)，而經(jīng)線(xiàn)上的每分代表1853.2m，所以，目標(biāo)機(jī)相對(duì)于載機(jī)的北東地坐標(biāo)(XNorth，YEast，ZDown)為：

(2)從目標(biāo)機(jī)相對(duì)于載機(jī)的地滾系下的北東地(XNorth，YEast，ZDown)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī)體系(X4，Y4，Z4)的變換過(guò)程為：

第一步，考慮偏航角(yaw)對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的影響：

第二步，考慮爬升角(pitch)對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的影響：

第三步，考慮橫滾角(roll)對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的影響：

(3)考慮相控陣天線(xiàn)安裝角(kesh)對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的影響：

一般情況下天線(xiàn)安裝角設(shè)置為零，此時(shí)，X5=X4，Y5=Y4，Z5=Z4。

(4)最后，求出目標(biāo)機(jī)在球坐標(biāo)系下相對(duì)于機(jī)載雷達(dá)的徑向距離、方位角、俯仰角：

PlaneAzi=atan(Y5，X5)

2 機(jī)載雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊的主要任務(wù)如圖3所示，信號(hào)處理模塊的輸出即目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果作為數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、航跡管理(起始、關(guān)聯(lián)、維持、終結(jié))、坐標(biāo)反轉(zhuǎn)換、點(diǎn)跡濾波、事件轉(zhuǎn)換這五個(gè)小模塊，得到目標(biāo)檢測(cè)信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊的濾波輸出。

圖3 數(shù)據(jù)處理模塊的流程圖

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)目標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)跡信息進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，刪除虛假點(diǎn)跡，而虛假點(diǎn)跡的主要產(chǎn)生原因是重復(fù)檢測(cè)同一個(gè)目標(biāo)的情況?？赡苁抢走_(dá)在搜索過(guò)程中在相鄰波位都能檢測(cè)到的已有目標(biāo)，以第一次檢測(cè)到的目標(biāo)信息為準(zhǔn)點(diǎn)跡信息；有可能在跟蹤過(guò)程中重新搜索到與已有目標(biāo)信息能關(guān)聯(lián)上的新目標(biāo)，則不處理該點(diǎn)跡信息，而應(yīng)執(zhí)行其他事件；若是小搜事件，只處理能夠搜索到的，且幅值最大的一個(gè)點(diǎn)跡信息。

(2)航跡管理

航跡管理是要將準(zhǔn)目標(biāo)信息和已建立好的航跡進(jìn)行門(mén)限關(guān)聯(lián)，然后按判定結(jié)果決定航跡起始、航跡維持或航跡終結(jié)。

第一，航跡管理其實(shí)是一個(gè)配對(duì)的過(guò)程。在搜索過(guò)程中搜索到新目標(biāo)和已有目標(biāo)的航跡信息在距離、方位、俯仰三維進(jìn)行共同關(guān)聯(lián)，若關(guān)聯(lián)成功則更新航跡信息；若關(guān)聯(lián)失敗，則需起始一條新的航跡。更新點(diǎn)跡信息時(shí)，要將準(zhǔn)目標(biāo)信息，即是在球坐標(biāo)系下的距離、方位、俯仰角信息反轉(zhuǎn)到地穩(wěn)系下的北、東、地三向位置坐標(biāo)，采用卡爾曼濾波技術(shù)[6]進(jìn)行濾波和預(yù)測(cè)，以便獲得最佳估計(jì)。

第二，如果在跟蹤過(guò)程中，目標(biāo)丟失，則進(jìn)入小范圍搜索過(guò)程，若小搜不到目標(biāo)，則判為航跡終結(jié)。目標(biāo)丟失的原因有：目標(biāo)飛離雷達(dá)威力范圍，或目標(biāo)強(qiáng)烈機(jī)動(dòng)飛出跟蹤濾波波門(mén)。如果在敵我作戰(zhàn)中，敵機(jī)目標(biāo)被我方飛機(jī)上的武器擊落，仿真中敵機(jī)目標(biāo)被判航跡終結(jié)。

(3)事件轉(zhuǎn)換

在卡爾曼濾波后，要進(jìn)行事件類(lèi)型的轉(zhuǎn)換。對(duì)于機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)而言，有四種事件類(lèi)型：搜索、確認(rèn)、跟蹤、小搜。搜索是指對(duì)預(yù)先設(shè)定好的飛機(jī)掃描最大區(qū)域，在正弦空間坐標(biāo)系下用交錯(cuò)波束編排方法進(jìn)行波位編排。如圖4所示，圖中橫縱坐標(biāo)為弧度單位，轉(zhuǎn)換為度則為方位范圍(-30°，30°)，俯仰范圍(-5°，5°)，共安排了78個(gè)交錯(cuò)波位。當(dāng)天線(xiàn)波束以電掃方式遍歷空域時(shí)，搜索目標(biāo)。剛開(kāi)始為搜索事件，直到連續(xù)兩次搜索到新目標(biāo)后，才把事件類(lèi)型轉(zhuǎn)為確認(rèn)事件。確認(rèn)事件后，再次檢測(cè)到目標(biāo)點(diǎn)跡，且和已有航跡關(guān)聯(lián)成功，在進(jìn)行點(diǎn)跡濾波后把事件類(lèi)型由確認(rèn)轉(zhuǎn)為跟蹤，跟蹤事件的天線(xiàn)指向來(lái)自于執(zhí)行確認(rèn)事件中濾波器輸出的方位角和俯仰角的預(yù)測(cè)值。小搜事件指對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤事件時(shí)目標(biāo)丟失，天線(xiàn)指向?yàn)樯弦粋€(gè)跟蹤狀態(tài)下濾波器輸出的方位角和俯仰角的預(yù)測(cè)值。此時(shí)若重新搜到目標(biāo)，則轉(zhuǎn)確認(rèn)事件，再次跟蹤，若沒(méi)有重新搜索到，則判定目標(biāo)丟失，航跡終結(jié)。此時(shí)事件轉(zhuǎn)換小模塊需要和復(fù)雜的資源調(diào)度模塊來(lái)聯(lián)合安排這些事件的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖5示：

圖4 波位編排圖

圖5 事件轉(zhuǎn)換過(guò)程示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)或以上的多目標(biāo)互相靠近時(shí)，關(guān)聯(lián)的過(guò)程就變得復(fù)雜。要么是單個(gè)點(diǎn)跡位于多個(gè)波門(mén)內(nèi)，要么是多個(gè)點(diǎn)跡位于單個(gè)目標(biāo)波門(mén)內(nèi)，目前對(duì)此類(lèi)問(wèn)題有兩種解決方法[7]：一種是最近鄰域法，另一種是全鄰域法。此處采取最近鄰域法中的距離最近優(yōu)先準(zhǔn)則進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)處理，此方法易于工程實(shí)現(xiàn)，它選用落入波門(mén)內(nèi)與航跡預(yù)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)距離最近的點(diǎn)跡分配給航跡，進(jìn)行航跡維持。

數(shù)據(jù)交互功能作為輸入輸出信息交互，根據(jù)具體的實(shí)際應(yīng)用，可提供多種通信接口模塊。在軟件仿真中，輸入輸出接口寫(xiě)成矩陣格式較為方便，模塊內(nèi)部初始化參數(shù)可寫(xiě)在XML表里或數(shù)據(jù)庫(kù)里；若跟其他平臺(tái)進(jìn)行交互時(shí)，設(shè)計(jì)師可使用以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)等通信接口連接[8]。

3 仿真數(shù)據(jù)分析

基于Visual Studio 2010平臺(tái)，用數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)目標(biāo)的航跡管理進(jìn)行驗(yàn)證。由表1知，設(shè)置藍(lán)方1和藍(lán)方2飛機(jī)的初始緯度、經(jīng)度、高度完全相同，藍(lán)方1、藍(lán)方2、紅方1飛機(jī)以各自的三向速度做勻速運(yùn)動(dòng)。

表1 目標(biāo)初始位置參數(shù)

圖6為紅方1雷達(dá)的B顯界面[4]，橫軸表示相控陣天線(xiàn)方位維上的掃描區(qū)間(-60°，60°)，縱向代表目標(biāo)飛機(jī)相對(duì)于載機(jī)的徑向距離，藍(lán)色小方塊表示機(jī)載雷達(dá)實(shí)時(shí)的掃描波束，紅色圓點(diǎn)表示機(jī)載雷達(dá)實(shí)時(shí)探測(cè)到的藍(lán)方目標(biāo)信息。

圖6(a) B顯界面示意圖

圖6(b) B顯界面示意圖

由于藍(lán)方1和藍(lán)方2的初始緯度、經(jīng)度、高度相同，北向速度雖然方向相同，但大小不同，如圖6(a)示，剛開(kāi)始兩個(gè)目標(biāo)顯示結(jié)果為一個(gè)共同的圓點(diǎn)；又因?yàn)樗{(lán)方2飛得比藍(lán)方1快，過(guò)一段時(shí)間后，如圖6(b)示，兩個(gè)目標(biāo)在界面上就可以獨(dú)立顯示。從而驗(yàn)證了兩個(gè)距離較近的目標(biāo)可以通過(guò)最近鄰域法區(qū)分，且成功地完成了對(duì)目標(biāo)的點(diǎn)跡管理進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

進(jìn)而對(duì)單目標(biāo)的數(shù)據(jù)處理輸出的濾波徑向距離和真實(shí)目標(biāo)信息做誤差分析。如圖、圖8所示，橫軸代表采樣點(diǎn)數(shù)目，縱軸分別代表距離、角度誤差值。徑向距離誤差在50m內(nèi)，方位角度誤差在0.2°內(nèi)，進(jìn)而證明了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的正確性。

圖7 徑向距離誤差圖

圖8 方位角誤差圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)，最近鄰域法關(guān)聯(lián)的機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的實(shí)例。從仿真結(jié)果可以看出，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活。標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)架構(gòu)符合“低耦合，高內(nèi)聚”特點(diǎn)，可豐富仿真組件庫(kù)，可逐步適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件復(fù)雜化、智能化發(fā)展的要求，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

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ModelingandSimulationofDataProcessingforAirbornePhasedArrayRadar

Lei Zhanghua， Xie Min

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100)

TN95

A

1008-8652(2017)02-095-05

2016-10-12

雷張華(1990-)，女，碩士研究生。研究方向?yàn)槲⒉夹g(shù)。