王浩宇,路 強(qiáng)

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

為進(jìn)一步滿足空間態(tài)勢(shì)感知和空間目標(biāo)快速響應(yīng)的軍事需求,各國(guó)都在重點(diǎn)研究開發(fā)臨近空間目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)、天基預(yù)警雷達(dá)等裝備[1]?？臻g目標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)[2]呈現(xiàn)顯著的軟件化趨勢(shì),其軟件配置項(xiàng)個(gè)數(shù)越來越多,代碼規(guī)模也越來越龐大、各配置項(xiàng)的功能日趨復(fù)雜,軟件錯(cuò)誤發(fā)生的概率也越來越高,因此在空間監(jiān)視雷達(dá)的軟件研制過程中進(jìn)行軟件測(cè)試顯得更為重要?？臻g監(jiān)視雷達(dá)具有項(xiàng)目等級(jí)高、測(cè)試數(shù)據(jù)量大、測(cè)試數(shù)據(jù)構(gòu)造復(fù)雜、測(cè)試安全性[3]要求高、測(cè)試難度大等特點(diǎn),且嵌入式軟件自動(dòng)化測(cè)試還未得到有效開展?？臻g監(jiān)視雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)生成方法的研究意義在于通過對(duì)空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真建模,依據(jù)建立的軌道模型自動(dòng)化生成測(cè)試數(shù)據(jù),解決了空間監(jiān)視雷達(dá)嵌入式軟件黑盒測(cè)試領(lǐng)域測(cè)試數(shù)據(jù)難以仿真的問題,從而能提升空間監(jiān)視雷達(dá)嵌入式軟件黑盒測(cè)試領(lǐng)域的測(cè)試技術(shù)手段,保證空間監(jiān)視雷達(dá)嵌入式軟件產(chǎn)品質(zhì)量。

1 空間監(jiān)視雷達(dá)中目標(biāo)仿真

1.1 空間監(jiān)視雷達(dá)測(cè)試特點(diǎn)

隨著世界各國(guó)發(fā)射活動(dòng)的日益增多,太空環(huán)境變得越來越擁擠,其中,地球周邊的空間碎片數(shù)量大于10 cm的大約有2×104個(gè),而大于1 cm的超過20×104個(gè)[4],這說明在軌運(yùn)行空間碎片的個(gè)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了20×104個(gè),且這些空間碎片主要分布在近地軌道、地球同步軌道和遠(yuǎn)地軌道等3個(gè)地球軌道,包括近地軌道區(qū)域即距地球在2 000 km以下的區(qū)域,地球同步軌道區(qū)域?yàn)榫嗟厍?6 000 km的區(qū)域,而遠(yuǎn)地軌道區(qū)域則是距地球20 000 km的中高軌區(qū)域[5]。因此,對(duì)空間目標(biāo)的探測(cè)和監(jiān)視是一段十分艱巨任務(wù)。

目前,在空間監(jiān)視雷達(dá)的軟件測(cè)試中主要是通過仿真數(shù)據(jù)建模,模擬飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式軟件從點(diǎn)跡接收、點(diǎn)跡處理、點(diǎn)跡融合、航跡處理到綜合顯示能力測(cè)試的。對(duì)于飛機(jī)目標(biāo),主要是通過設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括速度、加速度、起始位置等來模擬目標(biāo)進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)、直線加速運(yùn)動(dòng)、載機(jī)轉(zhuǎn)彎等飛機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景的;對(duì)于導(dǎo)彈目標(biāo),則主要是通過設(shè)置導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括軌道的起始時(shí)間和終止時(shí)間、軌道數(shù)據(jù)計(jì)算的時(shí)間間隔、發(fā)射點(diǎn)位置、落點(diǎn)位置等來仿真導(dǎo)彈的運(yùn)行軌跡的;而對(duì)于衛(wèi)星目標(biāo),由于衛(wèi)星的軌道相對(duì)固定,可通過設(shè)置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(包括軌道半長(zhǎng)軸、軌道橢圓偏心率)等,來模擬衛(wèi)星運(yùn)行。

前期研究已經(jīng)取得了大量的飛機(jī)實(shí)際飛行數(shù)據(jù),在進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)可通過實(shí)飛數(shù)據(jù)來驗(yàn)證空間監(jiān)視雷達(dá)對(duì)飛機(jī)的探測(cè)能力,因此本文主要研究有關(guān)導(dǎo)彈、衛(wèi)星等數(shù)據(jù)的仿真建模和測(cè)試數(shù)據(jù)生成方法。

1.2 導(dǎo)彈目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡建模

在導(dǎo)彈從發(fā)射點(diǎn)到落點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程中,可將導(dǎo)彈彈道[6]分為發(fā)射階段、平飛階段和下落階段等3個(gè)階段，其彈道導(dǎo)彈可以用6個(gè)參數(shù)描述彈道導(dǎo)彈的橢圓軌道,這6個(gè)參數(shù)分別為α、e、i、ω、Ω、tp,其中,α為彈道的半長(zhǎng)軸;e為偏心率;i為彈道平面與赤道面的夾角,其與赤道面逆時(shí)針方向?yàn)檎?0≤i≤π;ω為近地點(diǎn)中心角,即軌道面內(nèi)由升交點(diǎn)(即導(dǎo)彈沿發(fā)射點(diǎn)到落點(diǎn)方向的反向和赤道面的交點(diǎn))到近地點(diǎn)拱線的夾角,由升交點(diǎn)起沿導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎?即有0≤ω≤2π;Ω為升交點(diǎn)與X軸的夾角,從X軸開始逆時(shí)針為正,即有0≤Ω≤2π;tp為導(dǎo)彈飛過近地點(diǎn)的時(shí)刻。軌道在慣性空間的位置由i和Ω決定,其在軌道面上的指向由ω決定,而其形狀和大小則由α和e決定,一旦仿真出軌道區(qū),6個(gè)參數(shù)信息便已確定。

導(dǎo)彈在t時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),可以根據(jù)導(dǎo)彈目標(biāo)的6個(gè)彈道參數(shù)進(jìn)行確定。具體求解過程如下:

(1) 對(duì)t時(shí)刻,求出此時(shí)的偏近地點(diǎn)角為：

(1)

其中,μ=3.986×1014m3/s2。

(2) 根據(jù)偏近地點(diǎn)角E(t),確定r(t)、v(t)、θ(t)和f(t)分別為：

r(t)=α[1-cosE(t)]

(2)

(3)

(4)

(5)

(3) 由ω、Ω、i和f(t)得到A(t)、α(t)、δ(t)為：

μ(t)=ω+f(t)

(6)

δ(t)=arcsin[sinisinμ(t)]

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

根據(jù)設(shè)置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(包括3個(gè)控制點(diǎn)的方位向和俯仰向信息)求解r(t)、v(t)、θ(t)、A(t)、α(t)和δ(t);根據(jù)坐標(biāo)變換可得到t時(shí)刻導(dǎo)彈在大地坐標(biāo)系中的位置、速度、方位、俯仰等。

1.3 衛(wèi)星目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡建模

圍繞地球運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星軌道一般分為圓或近圓軌道、橢圓軌道。因此,本文根據(jù)衛(wèi)星軌道特點(diǎn)構(gòu)建衛(wèi)星目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡模型。

1.3.1 圓或近圓運(yùn)動(dòng)軌道建模

圓軌衛(wèi)星可分為近地衛(wèi)星(離地面200～500 km)、中等高度衛(wèi)星(在500 km到數(shù)千千米高度)和遠(yuǎn)地衛(wèi)星(離地面數(shù)千千米或更遠(yuǎn)處),由于其軌道偏心率一般都不大于0.02,因此可近似看成圓[7]。

由于是近圓軌道,通過衛(wèi)星距地面的距離r就可以仿真出圓形或近圓的軌道信息。其中徑向水平速度為:

(12)

圓軌衛(wèi)星的運(yùn)行周期為:

(13)

其中,R為地球半徑;μ為地心引力常數(shù)。

圓軌道衛(wèi)星的軌道方程為:

(14)

衛(wèi)星的向心加速度為:

(15)

衛(wèi)星的角速度為:

(16)

1.3.2 橢圓運(yùn)動(dòng)軌道建模

當(dāng)衛(wèi)星的入軌速度在第一宇宙速度和第二宇宙速度之間,且方向也是水平時(shí),其軌道一般為橢圓。橢圓的半長(zhǎng)軸為α、焦距為2c和偏心率為e。

近地點(diǎn)據(jù)地心的距離為:

rj=α(1-e)

(17)

遠(yuǎn)地點(diǎn)距地心的距離為:

ry=α(1+e)

(18)

衛(wèi)星在軌道上任意一點(diǎn)到地心的距離為:

(19)

其中,θ為軌道上該點(diǎn)與近地點(diǎn)方向的夾角。

橢圓軌道衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)周期為:

(20)

其中,T0見(13)式。

橢圓衛(wèi)星的速度為:

(21)

其中

(22)

根據(jù)(1)～(11)式以及衛(wèi)星橢圓軌道的6個(gè)參數(shù)(α,e,i,ω,Ω,tp),可得出在t時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)r(t)、v(t)、θ(t)、A(t)、α(t)和δ(t)。再根據(jù)近地點(diǎn)、遠(yuǎn)地點(diǎn)的衛(wèi)星坐標(biāo)位置,進(jìn)行坐標(biāo)變換,得到t時(shí)刻衛(wèi)星在大地坐標(biāo)系中的位置、速度、方位、俯仰等信息,確定軌道參數(shù)。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)生成技術(shù)

在軍用軟件測(cè)試領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)黑盒測(cè)試領(lǐng)域,主要通過分析了解軟件的輸入和輸出關(guān)系及軟件的功能、性能等特性,來編寫測(cè)試說明文檔,而測(cè)試說明文檔則由許多個(gè)測(cè)試用例組成,每個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)又組成了測(cè)試用例。因此,測(cè)試質(zhì)量依賴測(cè)試數(shù)據(jù)。在空間監(jiān)視雷達(dá)的嵌入式軟件測(cè)試中,測(cè)試數(shù)據(jù)包括雷達(dá)控制指令和空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)2個(gè)方面。本文采用自動(dòng)化的方法,自動(dòng)生成空間監(jiān)視雷達(dá)嵌入式軟件測(cè)試中的測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)生成。

2.1 空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌道測(cè)試數(shù)據(jù)生成

在自動(dòng)生成空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌道參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí),首先需要對(duì)空間目標(biāo)按本文提出的軌跡模型進(jìn)行仿真建模。建模過程主要包括讀取測(cè)試人員選擇的空間目標(biāo)類型(飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星)和設(shè)置的空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)。其中,不同類型空間目標(biāo)可設(shè)置的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)見表1所列。

表1 空間目標(biāo)可設(shè)置的運(yùn)動(dòng)軌道參數(shù)

根據(jù)空間目標(biāo)類型和軌跡參數(shù)選擇相應(yīng)的建模公式進(jìn)行計(jì)算,具體計(jì)算過程是按軌道數(shù)據(jù)計(jì)算的時(shí)間間隔每隔單位時(shí)間產(chǎn)生一次自中斷,從而不斷更新空間目標(biāo)的位置信息;再將每次中斷更新得到的空間目標(biāo)位置信息輸出至軌跡數(shù)據(jù)文件中。

本文以圓軌衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)為例,根據(jù)上文提出的建模方法進(jìn)行衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)建模,得到有關(guān)衛(wèi)星軌跡數(shù)據(jù)見表2所列，表2共有1 230個(gè)軌道點(diǎn)。

空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌道測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)化生成具體步驟為:

(1) 從指定目錄中讀取并解析空間監(jiān)視雷達(dá)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真建模過程生成的軌跡數(shù)據(jù)文件,并從中提取空間目標(biāo)的時(shí)間、經(jīng)度、緯度及高度等目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息;再?gòu)谋粶y(cè)系統(tǒng)的接口信息格式文件中讀取并解析目標(biāo)點(diǎn)跡信息的結(jié)構(gòu)體。

(2) 按照點(diǎn)跡信息結(jié)構(gòu)體格式將空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息填寫入至點(diǎn)跡報(bào)文中。

(3) 按照點(diǎn)跡信息結(jié)構(gòu)體格式生成空間目標(biāo)的一系列點(diǎn)跡信息(即空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)試數(shù)據(jù))。

表2 衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)文件內(nèi)容

通過以上方法,按照建模產(chǎn)生的空間目標(biāo)軌道產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)參數(shù),自動(dòng)生成空間目標(biāo)的點(diǎn)跡測(cè)試數(shù)據(jù),據(jù)此可用來對(duì)空間監(jiān)視雷達(dá)從點(diǎn)跡處理、航跡處理、顯示處理等一系列目標(biāo)的數(shù)據(jù)處理和顯示功能的測(cè)試。

2.2 雷達(dá)控制指令測(cè)試數(shù)據(jù)生成

雷達(dá)控制指令是用來控制雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)和雷達(dá)的工作模式[8]、雷達(dá)目標(biāo)運(yùn)行方式。通過雷達(dá)工作狀態(tài)指令來控制雷達(dá)的整機(jī)進(jìn)入工作、待機(jī)、校正、維護(hù)等狀態(tài)；通過雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)操作命令來控制不同批號(hào)目標(biāo)的改、換批操作,分、合批操作,目標(biāo)重要顯示以及目標(biāo)刪除操作等。雷達(dá)控制指令是雷達(dá)作戰(zhàn)的指揮部,通過雷達(dá)控制指令來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)整機(jī)資源的調(diào)度,因此,雷達(dá)控制指令也需要重點(diǎn)測(cè)試。本文通過對(duì)控制指令的信息格式的解析,對(duì)基本數(shù)據(jù)單元進(jìn)行識(shí)別,通過人工賦值的方式,生成雷達(dá)控制指令的仿真測(cè)試數(shù)據(jù),其具體的實(shí)施步驟為:

(1) 從被測(cè)系統(tǒng)接口信息格式文件讀取并解析控制指令的信息結(jié)構(gòu)體,并將解析后的信息結(jié)構(gòu)體以數(shù)據(jù)項(xiàng)為基本單元顯示在操作界面上。

(2) 測(cè)試人員在操作界面對(duì)控制指令信息結(jié)構(gòu)體中的各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行賦值,根據(jù)邊界值分析、等價(jià)類劃分等測(cè)試方法,對(duì)各數(shù)據(jù)項(xiàng)的有效值、無效值、邊界值進(jìn)行賦值。

(3) 依據(jù)測(cè)試人員的賦值結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)制的轉(zhuǎn)換,將十進(jìn)制、字符型數(shù)據(jù),自動(dòng)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)據(jù),自動(dòng)化生成軟件控制指令的測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 論

對(duì)空間監(jiān)視雷達(dá)嵌入式軟件測(cè)試中的難點(diǎn)是空間目標(biāo)的仿真建模及測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)生成。本文主要對(duì)空間監(jiān)視雷達(dá)中目標(biāo)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析,研究了空間監(jiān)視雷達(dá)中兩大類型的目標(biāo):導(dǎo)彈和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌道仿真建模,從而實(shí)現(xiàn)了在軌的衛(wèi)星數(shù)據(jù)、常規(guī)的導(dǎo)彈軌道等測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)化生成。通過場(chǎng)景仿真,設(shè)置目標(biāo)屬性的部分參數(shù),即可自動(dòng)化產(chǎn)生空間目標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù),供整個(gè)測(cè)試周期使用,減少了人工編制測(cè)試數(shù)據(jù)的工作量,縮短測(cè)試數(shù)據(jù)的編制時(shí)間,且提高了測(cè)試數(shù)據(jù)的正確率。該測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)生成方法可推廣至軟件自動(dòng)化測(cè)試的其他領(lǐng)域,通過軟件測(cè)試可大大提高軟件安全性。