基于HLA和PCI-E的雷达目标跟踪系统设计与研究*

徐 飞 易成涛

(1.海军大连舰艇学院研究生管理大队 大连 116018)(2.海军大连舰艇学院航海系 大连 116018)



基于HLA和PCI-E的雷达目标跟踪系统设计与研究*

徐 飞1易成涛2

(1.海军大连舰艇学院研究生管理大队 大连 116018)(2.海军大连舰艇学院航海系 大连 116018)

为了节约部队日常训练中雷达海情模拟器的设计成本，设计并实现了一种通用雷达模拟源,并根据雷达接收数据信息量大、实时性强的特点，采用PCI-Express总线来实现系统高速数据传输的可能。最后基于HLA构建了可扩展、可重用的雷达目标跟踪仿真系统，结果表明该仿真系统能够逼真有效地实现雷达目标的跟踪仿真，能够较好地适应部队日常训练，对以后的实战研究具有一定的参考价值。

雷达； 模拟源； PCI-Express； HLA

Class Number TN95

1 引言

近年来，我国海上环境安全问题愈演愈烈，东海和南海冲突时有发生，从近来的几场局部战争看，情报的获取对打赢一场现代化战争的必要性越来越受到重视[1]。而对一艘舰船来说，提早、快速、准确地发现并跟踪可疑目标，对接下来的战争无疑是掌握了先发制人的准备。现代化战争武器的维护与保养费用越来越高，使得部队不能及时有效地得到长时间的训练，战斗力的提升得不到有效的保障，开发与之配套的训练用仿真设备对解决这一难题有着重要作用。

从国内外的雷达仿真器研究现状来看，虽然能够实现目标跟踪的基本功能，但是在数据量越来越大的今天，保证数据接收的实效性和准确性方面还有待进步，同时在信号接收与处理的各个模块之间的有效转换也是一个亟待解决的问题。针对这些现状，本文基于HLA和PCI-Express总线构建了一套雷达目标跟踪系统，通过运用PCI-Express总线的高速传输特性和HLA分布交互仿真技术可以有效地满足目前部队对于可疑目标的跟踪模拟训练要求。

2 分布式雷达目标跟踪仿真系统原理

一个完整的雷达目标跟踪仿真系统分为雷达模拟源模块仿真、数据采集模块仿真、跟踪滤波模块仿真和效能评估模块仿真四个核心部分[2]。雷达模拟源模块仿真是模拟雷达获得目标的各种运动信息以及不同杂波干扰信息。数据采集模块仿真是模拟雷达信号转化为数字信号以后传输到处理系统的过程[3]。跟踪滤波模块仿真是对数据采集模块采集到的信息进行滤波跟踪，最终形成目标准确的航迹。效能评估模块仿真是对所有算法进行综合的评估，以便进行比较改正。运用HLA分布交互仿真技术将雷达对目标的跟踪进行模块化仿真。雷达目标跟踪系统原理如图1所示。

图1 雷达目标跟踪系统原理

3 雷达模拟源的设计

雷达模拟源分为两个主要部分：海情数据库的建立和雷达特征参数数据库的建立[4]。海情数据库的建立需要收集多种典型假想敌的舰船参数，依据这些数据建立模型，模拟单批次、多批次机动目标航迹，同时生成各种不同的干扰信号，如岛屿杂波、海浪杂波等，对生成的数据进行索引、管理和保存，同时向雷达模拟器发送模拟的数据[5]。雷达特征参数数据库的建立是模拟多个不同雷达搜索目标的特征信息，如最小探测距离和方位等。雷达模拟源的设计原理如图2所示。

目标信号回波的功率可根据雷达方程估计[6]：

(1)

式中：R为雷达距离目标的距离；Pt为雷达发射功率；Gt为雷达天线增益；σ为目标散射截面积。

图2 雷达模拟源设计原理

4 数据采集卡的设计

高速数据采集系统是现代雷达装备研制中不可或缺的一部分，该系统的主要功能包括雷达回波信号的高速采集和海量存储，传统的采集系统运用的是USB2.0或者USB3.0传输数据，虽然实现了方便快捷、即插即拔的思想，但是对于雷达信号的实时性和大量性特点选则性的进行了忽略，严重不符合军队现实的需要要求[7]。而PCI-E总线具有速度高、可靠性好、数据不易丢失等特点，因此其能较好地适应当前的部队需求，应用前景较好[8]。

图3 数据采集卡设计原理

5 跟踪滤波模块的设计

在整个雷达目标跟踪系统中跟踪滤波算法是重中之重。不同目标的运动模型采用不同的滤波算法对其进行滤波，在雷达目标跟踪方面，滤波算法有α—β算法、卡尔曼滤波算法和推广的卡尔曼滤波算法等[9]。典型的机动目标模型有CV模型、CA模型、Singer模型和CS模型。下面就CV匀速运动模型和CA匀加速运动模型简要介绍一下。

设目标在一维空间作匀速直线运动，则连续条件下用高斯白噪声描述的CV模型为

(2)

设目标在一维空间作匀加速直线运动，则连续条件下用高斯白噪声描述的CA模型为[10]

(3)

图4所示为跟踪算法流程。

6 结语

针对现有雷达目标跟踪仿真系统无法实时大量收集目标雷达信息，雷达模拟系统复杂多样，跟踪算法无法逼真准确显示目标的缺点，本文设计研究了一种新型雷达目标跟踪系统，阐释了一种新的系统构建的思想，使得本系统具有结构简单、精度高的特点，为我军海洋权利的维护，海洋强国的建立提供强了有力的支撑。

图4 跟踪算法流程

[1] 马萍.基于PCI Express总线高速数据采集系统的设计与实现[D].北京:中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心),2008.

[2] 兰华,杨峰,吴俊,等.HLA的雷达目标跟踪算法验证系统[J].火力与指挥控制,2012(2):112-115,119.

[3] 周换.基于PCI Express总线的雷达数据采集系统显控软件设计[D].西安:西安电子科技大学,2013.

[4] 简力,朱莹.一种通用雷达模拟源的设计和实现[J].航天控制,2015(3):74-78.

[5] 宋杰,何友,唐小明.基于FPGA的超高速雷达信号实时采集存储系统[J].电子技术应用,2005(11):18-20.

[6] 许文忠,张阳阳,王梓斌,等.雷达目标跟踪模拟技术[J]. 四川兵工学报,2013(5):99-101,112.

[7] 韩雪峰,黄焱,杨涛.基于PCI总线的高速数据采集接口的设计与实现[J].微计算机信息,2005(12):71-73.

[8] 葛起翔.基于PCI总线的高速雷达数据采集回放系统的研制[D].南京:南京信息工程大学,2007.

[9] 张连伟,华祖耀.基于HLA的雷达训练仿真器雷达方开发[J].计算机仿真,2004(7):20-21,185.

[10] 肖强,李孝玉,黄世银,等.基于HLA信号级火控雷达目标跟踪系统仿真[J].计算机系统应用,2016(2):268-271.

Design and Research of Radar Target Tracking System Based on HLA and PCI-E

XU Fei1YI Chengtao2

(1.Administrative Division for Postgraduates, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)(2.Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)

In order to reduce the design cost of radar sea situation simulation of forces’ daily training, a general radar simulator is designed and realized.Based on its large volume of data and high real-time performance, PCI-Express is chosen to achieve a high-speed data transmission. Extensible and repeatable radar target tracking simulation system based on HLA is developed in this paper. The simulation result indicates that the dynamical process of target tracking is carried out through the simulation system distinctly and effectively, which is good for daily training of the forces and of some reference value for the research on practical research.

radar, signal simulation, PCI-Express, HLA

2016年5月12日,

2016年6月26日

国家自然科学基金(编号：61002052)；辽宁省自然科学基金(编号：2015020086)；辽宁省博士启动基金(编号：201501029)资助。

徐飞,男,硕士,研究方向：交通信息工程及控制。易成涛,男,博士,副教授，研究方向：交通信息工程及控制。

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.017