空间监视雷达测试数据的自动生成方法研究

王浩宇,路 强

(1.中国电子科技集团公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088; 2.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

为进一步满足空间态势感知和空间目标快速响应的军事需求,各国都在重点研究开发临近空间目标探测雷达、天基预警雷达等装备[1]。空间目标监视雷达[2]呈现显著的软件化趋势,其软件配置项个数越来越多,代码规模也越来越庞大、各配置项的功能日趋复杂,软件错误发生的概率也越来越高,因此在空间监视雷达的软件研制过程中进行软件测试显得更为重要。空间监视雷达具有项目等级高、测试数据量大、测试数据构造复杂、测试安全性[3]要求高、测试难度大等特点,且嵌入式软件自动化测试还未得到有效开展。空间监视雷达测试数据自动生成方法的研究意义在于通过对空间目标运动轨迹的仿真建模,依据建立的轨道模型自动化生成测试数据,解决了空间监视雷达嵌入式软件黑盒测试领域测试数据难以仿真的问题,从而能提升空间监视雷达嵌入式软件黑盒测试领域的测试技术手段,保证空间监视雷达嵌入式软件产品质量。

1 空间监视雷达中目标仿真

1.1 空间监视雷达测试特点

随着世界各国发射活动的日益增多,太空环境变得越来越拥挤,其中,地球周边的空间碎片数量大于10 cm的大约有2×104个,而大于1 cm的超过20×104个[4],这说明在轨运行空间碎片的个数远远超过了20×104个,且这些空间碎片主要分布在近地轨道、地球同步轨道和远地轨道等3个地球轨道,包括近地轨道区域即距地球在2 000 km以下的区域,地球同步轨道区域为距地球36 000 km的区域,而远地轨道区域则是距地球20 000 km的中高轨区域[5]。因此,对空间目标的探测和监视是一段十分艰巨任务。

目前,在空间监视雷达的软件测试中主要是通过仿真数据建模,模拟飞机、导弹、卫星等目标的运动点迹数据来实现对嵌入式软件从点迹接收、点迹处理、点迹融合、航迹处理到综合显示能力测试的。对于飞机目标,主要是通过设置运动参数包括速度、加速度、起始位置等来模拟目标进行匀速直线运动、直线加速运动、载机转弯等飞机运行场景的;对于导弹目标,则主要是通过设置导弹的运动参数包括轨道的起始时间和终止时间、轨道数据计算的时间间隔、发射点位置、落点位置等来仿真导弹的运行轨迹的;而对于卫星目标,由于卫星的轨道相对固定,可通过设置的运动参数(包括轨道半长轴、轨道椭圆偏心率)等,来模拟卫星运行。

前期研究已经取得了大量的飞机实际飞行数据,在进行实际测试时可通过实飞数据来验证空间监视雷达对飞机的探测能力,因此本文主要研究有关导弹、卫星等数据的仿真建模和测试数据生成方法。

1.2 导弹目标运动轨迹建模

在导弹从发射点到落点的运动过程中,可将导弹弹道[6]分为发射阶段、平飞阶段和下落阶段等3个阶段，其弹道导弹可以用6个参数描述弹道导弹的椭圆轨道,这6个参数分别为α、e、i、ω、Ω、tp,其中,α为弹道的半长轴;e为偏心率;i为弹道平面与赤道面的夹角,其与赤道面逆时针方向为正,0≤i≤π;ω为近地点中心角,即轨道面内由升交点(即导弹沿发射点到落点方向的反向和赤道面的交点)到近地点拱线的夹角,由升交点起沿导弹运动方向为正,即有0≤ω≤2π;Ω为升交点与X轴的夹角,从X轴开始逆时针为正,即有0≤Ω≤2π;tp为导弹飞过近地点的时刻。轨道在惯性空间的位置由i和Ω决定,其在轨道面上的指向由ω决定,而其形状和大小则由α和e决定,一旦仿真出轨道区,6个参数信息便已确定。

导弹在t时刻的运动状态,可以根据导弹目标的6个弹道参数进行确定。具体求解过程如下:

(1) 对t时刻,求出此时的偏近地点角为：

(1)

其中,μ=3.986×1014m3/s2。

(2) 根据偏近地点角E(t),确定r(t)、v(t)、θ(t)和f(t)分别为：

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)为：

μ(t)=ω+f(t)

(6)

δ(t)=arcsin[sinisinμ(t)]

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

根据设置的运动参数(包括3个控制点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);根据坐标变换可得到t时刻导弹在大地坐标系中的位置、速度、方位、俯仰等。

1.3 卫星目标运动轨迹建模

围绕地球运动的卫星轨道一般分为圆或近圆轨道、椭圆轨道。因此,本文根据卫星轨道特点构建卫星目标运动轨迹模型。

1.3.1 圆或近圆运动轨道建模

圆轨卫星可分为近地卫星(离地面200～500 km)、中等高度卫星(在500 km到数千千米高度)和远地卫星(离地面数千千米或更远处),由于其轨道偏心率一般都不大于0.02,因此可近似看成圆[7]。

由于是近圆轨道,通过卫星距地面的距离r就可以仿真出圆形或近圆的轨道信息。其中径向水平速度为:

(12)

圆轨卫星的运行周期为:

(13)

其中,R为地球半径;μ为地心引力常数。

圆轨道卫星的轨道方程为:

(14)

卫星的向心加速度为:

(15)

卫星的角速度为:

(16)

1.3.2 椭圆运动轨道建模

当卫星的入轨速度在第一宇宙速度和第二宇宙速度之间,且方向也是水平时,其轨道一般为椭圆。椭圆的半长轴为α、焦距为2c和偏心率为e。

近地点据地心的距离为:

rj=α(1-e)

(17)

远地点距地心的距离为:

ry=α(1+e)

(18)

卫星在轨道上任意一点到地心的距离为:

(19)

其中,θ为轨道上该点与近地点方向的夹角。

椭圆轨道卫星的运动周期为:

(20)

其中,T0见(13)式。

椭圆卫星的速度为:

(21)

其中

(22)

根据(1)～(11)式以及卫星椭圆轨道的6个参数(α,e,i,ω,Ω,tp),可得出在t时刻的运动状态r(t)、v(t)、θ(t)、A(t)、α(t)和δ(t)。再根据近地点、远地点的卫星坐标位置,进行坐标变换,得到t时刻卫星在大地坐标系中的位置、速度、方位、俯仰等信息,确定轨道参数。

2 测试数据自动生成技术

在军用软件测试领域的动态黑盒测试领域,主要通过分析了解软件的输入和输出关系及软件的功能、性能等特性,来编写测试说明文档,而测试说明文档则由许多个测试用例组成,每个测试数据又组成了测试用例。因此,测试质量依赖测试数据。在空间监视雷达的嵌入式软件测试中,测试数据包括雷达控制指令和空间目标运动轨迹数据2个方面。本文采用自动化的方法,自动生成空间监视雷达嵌入式软件测试中的测试数据自动生成。

2.1 空间目标运动轨道测试数据生成

在自动生成空间目标运动轨道参数的测试数据时,首先需要对空间目标按本文提出的轨迹模型进行仿真建模。建模过程主要包括读取测试人员选择的空间目标类型(飞机、导弹、卫星)和设置的空间目标运动轨迹参数。其中,不同类型空间目标可设置的运动轨迹参数见表1所列。

表1 空间目标可设置的运动轨道参数

根据空间目标类型和轨迹参数选择相应的建模公式进行计算,具体计算过程是按轨道数据计算的时间间隔每隔单位时间产生一次自中断,从而不断更新空间目标的位置信息;再将每次中断更新得到的空间目标位置信息输出至轨迹数据文件中。

本文以圆轨卫星轨道数据为例,根据上文提出的建模方法进行卫星轨道数据建模,得到有关卫星轨迹数据见表2所列，表2共有1 230个轨道点。

空间目标运动轨道测试数据的自动化生成具体步骤为:

(1) 从指定目录中读取并解析空间监视雷达目标运动轨迹仿真建模过程生成的轨迹数据文件,并从中提取空间目标的时间、经度、纬度及高度等目标运动信息;再从被测系统的接口信息格式文件中读取并解析目标点迹信息的结构体。

(2) 按照点迹信息结构体格式将空间目标的运动信息填写入至点迹报文中。

(3) 按照点迹信息结构体格式生成空间目标的一系列点迹信息(即空间目标运动轨迹测试数据)。

表2 卫星轨道数据数据文件内容

通过以上方法,按照建模产生的空间目标轨道产生运动轨迹及运动参数,自动生成空间目标的点迹测试数据,据此可用来对空间监视雷达从点迹处理、航迹处理、显示处理等一系列目标的数据处理和显示功能的测试。

2.2 雷达控制指令测试数据生成

雷达控制指令是用来控制雷达运行状态和雷达的工作模式[8]、雷达目标运行方式。通过雷达工作状态指令来控制雷达的整机进入工作、待机、校正、维护等状态；通过雷达战术操作命令来控制不同批号目标的改、换批操作,分、合批操作,目标重要显示以及目标删除操作等。雷达控制指令是雷达作战的指挥部,通过雷达控制指令来实现雷达整机资源的调度,因此,雷达控制指令也需要重点测试。本文通过对控制指令的信息格式的解析,对基本数据单元进行识别,通过人工赋值的方式,生成雷达控制指令的仿真测试数据,其具体的实施步骤为:

(1) 从被测系统接口信息格式文件读取并解析控制指令的信息结构体,并将解析后的信息结构体以数据项为基本单元显示在操作界面上。

(2) 测试人员在操作界面对控制指令信息结构体中的各个数据项进行赋值,根据边界值分析、等价类划分等测试方法,对各数据项的有效值、无效值、边界值进行赋值。

(3) 依据测试人员的赋值结果进行数据进制的转换,将十进制、字符型数据,自动转换成十六进制数据,自动化生成软件控制指令的测试数据。

3 结 论

对空间监视雷达嵌入式软件测试中的难点是空间目标的仿真建模及测试数据的自动生成。本文主要对空间监视雷达中目标的特点进行了分析,研究了空间监视雷达中两大类型的目标:导弹和卫星的运动轨道仿真建模,从而实现了在轨的卫星数据、常规的导弹轨道等测试数据的自动化生成。通过场景仿真,设置目标属性的部分参数,即可自动化产生空间目标的测试数据,供整个测试周期使用,减少了人工编制测试数据的工作量,缩短测试数据的编制时间,且提高了测试数据的正确率。该测试数据自动生成方法可推广至软件自动化测试的其他领域,通过软件测试可大大提高软件安全性。