一种通用雷达模拟源的设计和实现

简力 朱莹

上海机电工程研究所，上海201109

近几场局部战争表明，空袭对战争的进程和结局有重大影响，并且现代战争中多采用超远程、一体化、快节奏和高精度的空天合成信息化空袭，防空作战正面临着严峻挑战［1］。因此，加快防空装备发展对提升防空部队战术水平、增强部队战斗力有重大军事意义。

在地面防空导弹型号设计过程中，需要验证武器的作战流程和指标，这要求在实验室搭建一个闭环系统，该系统不仅需要模拟武器系统，也需要模拟多部雷达以及空情信息环境。因此需要设计雷达模拟源，用于模拟搜索雷达和多部跟踪雷达的空情输出。雷达模拟源［2］是模拟仿真技术与雷达技术相结合的产物，它通过模拟的方法产生雷达操作面板和显示器所需的各种信号，以便在实际雷达系统前端不具备的条件下，能够真实地描述雷达的工作状态和过程。

随着型号的增多，针对具体型号的雷达模拟源已经无法满足当前紧迫的需求。通过研制一套通用的雷达模拟源，可以突破型号的限制，兼容多种型号的雷达模拟源，解决作战系统仿真的通用性问题。另外，随着研制型号数量的增加和经验的丰富，积累了典型目标和典型雷达的信息，能提高模拟源的模拟真实程度。

总之，该种通用雷达模拟源作为一个通用化和更专业化的工具，能提高地面防空武器系统设计的效率和实验模拟水平，并且为以后型号的研制提供了极大的方便。

本文通过需求分析，确定了由通用空情模拟器和通用雷达模拟器组成该通用模拟源。在分析2个模拟器功能的基础上，分别实现2个模拟器的设计和两者的通讯设计，最终实现通用雷达模拟源设计。

1 需求分析及概念建模

1.1 需求分析

通用雷达模拟源用于试验室条件下的防空武器系统软件开发调试和外场地面联试，需要实现以下功能:1)模拟多批次、多类型的复杂空情;2)实现模拟多种搜索雷达和跟踪雷达的同源空情输出。

1.2 概念建模

分别设计空情模拟器和雷达模拟器这2个软件配置，完成上述2种功能。

1.2.1 空情模拟器实现空情定制生成功能

空情模拟器实现空情定制生成功能流程图如图1所示。

图1 通用空情模拟器设计流程图

1)收集多种典型飞行器目标的运动参数，建立飞行器参数数据包。目标类型涵盖了多种主流战机、直升机和空地弹;目标的参数包括空速、升限、RCS和过载等。

2)依据数据包中指定目标的特性，建立模型，生成原始空情，包括单架次直线、多架次直线和单架次机动的目标航迹，对生成的数据进行索引、管理和存储。

3)设置定制空情:将多个原始空情数据组合，可对每个原始数据的播放进行设置，包括出现时间、误差设置等，形成多架次、多批次的空情想定。

4)发送空情:将定制好的空情想定发送给一个通用雷达模拟器或同时发送给多个通用雷达模拟器。

1.2.2 雷达模拟器实现同源目标的雷达模拟输出功能

雷达模拟器可以将定制的空情作为目标的输入，模拟多个不同类型的搜索雷达和跟踪雷达的部分特性，如方位、俯仰和探测距离等。

该模拟器还可以根据目标的作战样式，结合干扰模式对雷达的作用效果，输出同源的雷达数据，作为地面武器系统的目标输入，如图2所示。

图2 通用雷达模拟器设计流程图

1.2.3 雷达模拟源的工作流程

设计的通用雷达模拟源的工作流程如下:空情模拟器生成空情信息，发送给雷达模拟器;雷达模拟器模拟多种雷达的工作方式，处理接收到的空情，生成雷达输出数据，发送给武器系统，完成雷达的空情模拟功能。

2个模拟器之间采用网络通讯方式，在一个计算机或在不同计算机上进行数据通讯。逻辑连接图如图3。

1.3 通用雷达模拟源技术指标

最大模拟雷达类型:20种;同时模拟搜索雷达数≥2;同时模拟跟踪雷达数≥4;最大模拟目标类型数:100;最大空情目标数:200批;最大目标速度:5Ma;雷达输出频率:0.1～20Hz。

图3 通用雷达模拟源逻辑连接图

2 软件设计与实现

2.1 空情模拟器与雷达模拟器的通讯设计

2.1.1 网络通讯方式

1)依据系统的通讯要求，实现1对1、1对多的数据通讯，也可在一台计算机上实现2个模拟器软件的通讯。选用UDP组播通讯方式，满足2个模拟器通讯的要求。

2)空情模拟器将目标信息送给雷达模拟器，由于搜索雷达和跟踪雷达的数据频率不一致，所以目标信息分2种频率进行发送。这里假设一种武器的全部跟踪雷达数据频率都相同。

2.1.2 传输的数据内容

1)空情模拟器向雷达模拟器传输目标信息，数据的内容应满足雷达模拟器的模拟计算，传输的数据包括:目标号，目标的位置、速度数据、该数据的时间，目标的RCS数据及干扰数据。

2)空情模拟器定期发送目标的观测中心位置信息，空情信息以该中心播发，雷达模拟器使用该位置和雷达自身位置实现坐标的转换。

2.1.3 发送数据的报文设计

为满足每秒最大200批目标的可靠传输，避免因同时传输的数据报文过多导致UDP丢包，同时还应限制报文的长度，避免过长的UDP报文传输产生通信异常，采用了可变长度设计和分包发送设计。即在1个报文中放置一定数量的目标信息，同一时刻产生的目标信息由1个报文发送或拆为几个报文发送。

2.2 空情模拟器的设计

2.2.1 空情目标的坐标系选取

生成的空情应具有可重复使用性，因此，目标的位置信息数据格式选用相对坐标系，即相对于观测中心(通常默认搜索雷达为中心)的距离、方位和俯仰来描述目标的航迹。

2.2.2 飞行器参数库设计

本文在设计空情模拟器时收集了大部分典型飞行器目标信息，比如战斧式巡航导弹、先进隐身巡航导弹AGM-129、X-59M/AS-18空地导弹、JDAM精确制导炸弹、F-22隐身飞机、米-24雌鹿式武装直升机和哈姆反辐射导弹等，着重收集了速度、射程、目标RCS和过载等参数。

设计的空情模拟器软件包含了目标库中目标增加、修改、删除等维护功能，数据库采用Windows的INI文件形式。数据项包括:飞行器名称、最大飞行速度、最小飞行速度、最大飞行过载、升限、爬升坡度、最大RCS和最小RCS。

2.2.3 直线航迹的生成

航迹的生成受到飞行器的运动特性限制，需要根据飞行器的类型设置航迹的方位、高度、速度、航向和航路捷径等参数。

在空情模拟器的初期，本文先设计了简单的直线航迹，为了后期航迹复用，又进一步实现了可一次生成多批直线航迹的功能，并对航迹增加说明。

由于发送频率随雷达的数据输出频率而改变，所以航迹的存储采用描述语言进行保存，存储的文件格式采用INI文件格式，实现了对过去制作的航迹文件进行编辑。直线航迹制作功能分解如图4。

2.2.4 机动航迹的生成

在设计了直线航迹的基础上，本文设计的空情模拟器又进一步制作了单条机动航迹。设置初始的目标类型、位置速度和初始段的飞行时间数据后，再添加垂向机动和水平机动，制作机动航迹的界面如图5所示。

现代战争中，电磁干扰环境无时无刻不在变化，而且，先进干扰系统一般都自带侦察设备，干扰针对性强，作用显著。因此，在设计空情模拟器时，增加了噪声干扰、函数扫频、箔条干扰、距离和速度欺骗，多假目标干扰、转发式干扰、多普勒干扰和拖曳式干扰共8种干扰方式。

机动航迹图界面右上部下拉选择框即为干扰选项，可选8种干扰方式，干扰选项下方的列表框表示每个机动段的条目，右下方为注释说明区，可写入航迹注释。最右边为操作按钮，＜添加直线段＞按钮，按下弹出直线飞行段设置对话框，可产生直线航迹。航迹的第一段可以设置全部的参数，之后的飞行段仅可设置部分参数。

图4 直线航迹制作功能

图5 机动航迹制作功能的界面示意图

机动目标运动采用三自由度模型，即将空袭目标理想化为一个质点，用质点在三维空间中的位置来描述目标的运动，同时忽略地球曲率的影响。

在目标航向坐标系OXmZmHm中构建4种典型航迹，分别是水平等速直线航迹、等速圆周航迹、俯冲航迹和爬升航迹。

2.2.5 复杂空情的生成

单个目标的航迹模型是上述制作好的直线航迹和机动航迹的组合。在使用过程中，可加载已保存的空情文件，对其进行二次编辑，也可删除空情中的航迹。

为了模拟真实的作战环境，在生成复杂空情时，除了组合直线航迹、机动航迹外，必须以战术任务为依据，并支持对抗，因此还必须考虑下列因素:

1)空袭兵器编队数量和按兵器类型、数量的组成;

2)空袭兵器编队的飞行速度、高度、航路捷径和进入、退出攻击时的航迹;

3)空袭编队载机的机载武器、弹药类型和数量;

4)机载武器、弹药投放或发射的距离、高度、速度;

5)空袭兵器的时空参数，即各机群按时间和位置的相互作用关系等。

现代防空作战中，空袭目标多以小编队，多批次形式进入，并且带有明确的作战意图，由于空袭目标流的随机性，处理上通常认为其服从泊松分布。

2.2.6 空情的发送处理

选取空情后，需设置搜索雷达、跟踪雷达的频率，以及搜索雷达(观测中心)的坐标，确认发送后，在界面上同步显示目标的航迹和数据如图6和7。

图6 目标的航迹图

图7 目标的数据显示

2.3 雷达模拟器的设计

2.3.1 雷达参数库设计

雷达数据库包含几种搜索雷达和跟踪雷达的特性数据，用于模拟雷达的工作过程，参数包括:雷达名称、雷达水平方位角范围、雷达最小俯仰角、雷达最大俯仰角、雷达作用距离、雷达搜索转速、雷达数据更新率和雷达检测RCS等参数，雷达库对应雷达库管理功能，雷达库的保存采用Windows的INI文件格式。

2.3.2 模拟雷达对目标的处理

雷达模拟器可模拟搜索雷达和跟踪雷达的工作过程。其工作包括检测和建航两部分，该系统处理的重点是雷达检测。

雷达模拟器可模拟搜索雷达的搜索功能，指向的作用扇区内的目标若符合雷达的威力范围，则该目标被检测。雷达的威力范围判定包括扇区范围、作用范围、俯仰角范围和RCS检测范围等，且该功能可被不断增加。搜索雷达仿真的界面如图 8所示。

图8 雷达模拟器模拟搜索雷达的界面

雷达模拟器也可模拟跟踪雷达的跟踪功能。通过设置其天线调转角度实现对目标的跟踪。雷达的威力范围判定包括扇区范围、作用范围、俯仰角范围和RCS检测范围等，且该功能可被不断增加。跟踪雷达仿真的界面如图9所示。

2.3.3 雷达数据的输出

雷达的目标信息输出频率与空情的频率保持一致，报文格式可按照武器系统的要求进行定制输出，传输给武器系统的指控和火控子系统。

图9 雷达模拟器模拟跟踪雷达的界面

3 总结

为满足防空作战的紧迫需求，节约防空导弹武器系统设计的资源，本文按照“通用+专用”的设计思想，设计了一种通用雷达模拟源。该模拟器的空情功能比较完善，可满足各种空情的制作，较以往武器系统的雷达模拟更加趋向真实。

后续工作中可进一步完善雷达模拟器的功能，使之更真实的仿真作战环境。

［1］ 边际，高嵩，邹阳森.防空一体化-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，孙书鹰，张卫杰.雷达模拟器的设计与实现［J］.火力与指挥控制，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.)