郭靈波 李璋靜

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 江蘇 210007）

0 前言

系統(tǒng)仿真是一門綜合性很強的新興技術(shù)學(xué)科，它涉及多個領(lǐng)域的相關(guān)專業(yè)理論與技術(shù)，諸如系統(tǒng)分析、控制理論、計算方法和計算機技術(shù)。系統(tǒng)仿真是指通過對系統(tǒng)模型的試驗去研究一個已經(jīng)存在的或正在設(shè)計中的系統(tǒng)的過程。

計算機仿真具有精度高、重復(fù)性好、通用性強、價格便宜等多重優(yōu)勢。隨著計算機硬件與軟件的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)也迅速發(fā)展起來，已廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)管理、工程技術(shù)、軍事研究、科學(xué)試驗、國民經(jīng)濟以及社會科學(xué)和自然科學(xué)等各個領(lǐng)域，其效果是十分顯著的。特別是在重大國防武器系統(tǒng)研制或者關(guān)鍵技術(shù)的研究中，計算機仿真技術(shù)水平的高低將直接關(guān)系到它們的先進性、研制周期、經(jīng)費開銷，甚至關(guān)系到所研制系統(tǒng)的成敗。

雷達航跡仿真技術(shù)是計算機仿真技術(shù)與雷達技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，即在計算機上通過軟件建立數(shù)學(xué)模型，復(fù)現(xiàn)雷達 航跡產(chǎn)生的動態(tài)過程。根據(jù)實際需求，調(diào)整數(shù)學(xué)模型及其參數(shù)并不斷完善系統(tǒng)，無疑將大大節(jié)省人力和物力，縮短研制周期。本文提出了一種雷達航跡仿真系統(tǒng)是以數(shù)學(xué)建模為核心，研究并解決了系統(tǒng)建模、仿真運行、可視化、通信及其實現(xiàn)等一系列方法和技術(shù)。

1 仿真系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)物理組成

基于高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）技術(shù)構(gòu)建的仿真系統(tǒng)由聯(lián)邦控制成員（對空雷達模擬器、對海雷達模擬器、飛行姿態(tài)模擬器和劇情模擬器等）、仿真資源數(shù)據(jù)庫和航跡綜合顯示席位等組成，如圖1所示。圖中TCP為傳輸控制協(xié)議，IP為網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議，RTI為運行時支持系統(tǒng)。

圖1 仿真物理結(jié)構(gòu)

應(yīng)用HLA架構(gòu)雷 達航跡仿真環(huán)境，解決了仿真環(huán)境中多個仿真器（聯(lián)邦成員）間互操作性問題，提高仿真器的復(fù)用性。

1.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

將雷達航跡仿真系統(tǒng)分解為實現(xiàn)不同功能的聯(lián)邦成員，每個聯(lián)邦成員實現(xiàn)系統(tǒng)的一部分功能。各聯(lián)邦成員之間的數(shù)據(jù)傳輸和交互完全由仿真平臺來解決，通過聯(lián)邦成員之間的互操作實現(xiàn)系統(tǒng)整體的功能。在實現(xiàn)每個聯(lián)邦成員功能時，僅需考慮和其他聯(lián)邦成員的接口關(guān)系，聯(lián)邦成員內(nèi)部功能具有封裝性。這樣的仿真開發(fā)模式不僅使仿真系統(tǒng)的開發(fā)變得簡單靈活，并且開發(fā)出來的仿真系統(tǒng)具有極大的擴充性和重用性。

雷達航跡仿真系統(tǒng)軟件總體功能模塊如圖2所示。

圖2 仿真軟件架構(gòu)

數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊是其中的核心模塊，此模塊根據(jù)劇情的部署情況及其航路規(guī)劃，通過交互多模型（IMM）及多普勒跟蹤濾波等算法實現(xiàn)對目標的穩(wěn)定跟蹤與管理，產(chǎn)生模擬目標航跡信息。它主要由三部分組成：跟蹤管理類，用于對目標跟蹤計算的類進行管理并提供輸出接口；目標跟蹤計算類，每一個待跟蹤的目標對應(yīng)一個該類型的對象，在目標錄取成功后由該對象分配其空間；濾波計算類，用于外推目標航跡，當(dāng)用點跡目標進行錄取時，如果錄取成功，在數(shù)據(jù)進行檢測凝聚后，按扇區(qū)方式進行目標的跟蹤計算及其顯示輸出。推演管理模塊對當(dāng)前模擬推測進行干預(yù)，包括開始、暫停、恢復(fù)和步長控制等；推演控制模塊對目標數(shù)據(jù)進行控制操作，包括目標消失、分批、合批、定向定速等。

2 仿真系統(tǒng)建模

2.1 目標狀態(tài)方程

本系統(tǒng)仿真基于目標狀態(tài)方程來產(chǎn)生雷達航跡的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用最優(yōu)控制理論，考慮目標的運動特性以及目標運動過程中的誤差。目標運動狀態(tài)方程表示為：

其中，F(xiàn)（tn）,G（tn）,C（tn）,D（tn）為隨時間變化的系統(tǒng)矩陣，H（tn）為量測矩陣，W（tn）和V（tn）分別為系統(tǒng)噪聲矢量和測量噪聲矢量，且都是均值為零，方差分別為σw,σv的白噪聲。

當(dāng)利用目標運動的狀態(tài)方程進行航跡模擬時，首先對上述狀態(tài)方程進行分析，如果x（tn）和u（tn）已知，那么x（tn-1）唯一確定。以此類推，當(dāng)任意起始條件x（k）和控制序列{u（k）,u（k+1),…}固定時，目標狀態(tài)方程的解存在并且唯一確定。其解表示如下：

x（k）=F（k-1)…F（1）F（0）x（0）+G（k-1）u（k-1）+F（k-1）G（k-2）u（k-2）+…+F（k-1）…F（1）G（0）u（0）。

2.2 目標仿真控制

因為在雷達目標航跡模擬中，一般可知目標的起始點和終止點，根據(jù)目標狀態(tài)方程，可以求出控制序列。考慮最優(yōu)控制理論中起始點和終止點已知情況，假設(shè)：

經(jīng)過適當(dāng)?shù)木仃囎儞Q計算后，可求出控制序列u（0），u（1），…，u（k），即可實現(xiàn)航跡的模擬控制。

在航跡推測過程中，系統(tǒng)根據(jù)仿真雷達掃描得到數(shù)據(jù)信息，獲得當(dāng)前目標的坐標、航向和速度信息，將當(dāng)前目標位置作為新的起始點重新推算，同時更新之前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。對于任意一個正在跟蹤的目標，如果其跟蹤質(zhì)量下降到一定程度，系統(tǒng)將自動刪除該目標及其相關(guān)顯示信息。同時用戶也可實時刪除指定的任意一個或全部目標，跟蹤及航跡顯示也將相應(yīng)地自動調(diào)整。

3 仿真關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高層體系結(jié)構(gòu)

高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）屬于分布交互仿真技術(shù)范疇，其目的是解決絕大多數(shù)仿真器的應(yīng)用實現(xiàn)較為獨立，仿真器之間的互操作性和重用性差，開發(fā)維護和使用費時且成本高，有效性、可驗證性和置信度較差等問題。分布交互仿真技術(shù)以計 算機網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，把分散在不同地點的軟硬件設(shè)備及有關(guān)人員聯(lián)系起來，生成人工合成的這樣一種電子環(huán)境。

分布交互仿真系統(tǒng)除了具有分布性、交互性的特點外，還有以下特點：

3.1.1 實時并發(fā)性

接入的仿真系統(tǒng)都要求實時，要能實時傳送人工干預(yù)信息，對分布在不同地點、不同層次的仿真對象進行并發(fā)運行，實現(xiàn)時空一致性。

3.1.2 靈活性

系統(tǒng)功能可按模塊結(jié)構(gòu)單元分割，系統(tǒng)單元可容易地從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中移出或加入，易于動態(tài)管理，組合成不同的仿真任務(wù)。

3.1.3 可靠性

系統(tǒng)按功能分割，各子模塊或子系統(tǒng)可靠性容易保證，當(dāng)某一部分出現(xiàn)故障時，不影響整個系統(tǒng)。

一個典型的分布交互仿真軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 航跡轉(zhuǎn)彎點平滑處理

在航跡模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生中，目標運動狀態(tài)在轉(zhuǎn)彎時需要平滑處理，在建立目標運動模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)目標的運動特性產(chǎn)生出理想航跡。目標并不是剛好到達轉(zhuǎn)彎點處才開始機動，往往是在距離轉(zhuǎn)彎點一定距離開始的。因此，用轉(zhuǎn)彎半徑R來描述目標在轉(zhuǎn)彎處的運動特征,若目標的運動速度為v，轉(zhuǎn)彎時的坡度為β，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，則目標轉(zhuǎn)彎半徑R的計算公式如下：

圖3 仿真軟件體系結(jié)構(gòu)圖

R=v*v/g*tan（β），

依據(jù)經(jīng)驗，β一般取π/4，此時，速度與轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系如下表：

表 1 目標速度與轉(zhuǎn)彎半

轉(zhuǎn)彎點的雷達航跡經(jīng)過平滑處理后，目標航跡以轉(zhuǎn)彎角平分線上的某點為圓心，繞轉(zhuǎn)彎點作圓弧運動的平滑曲線。

3.3 隨機二維正態(tài)數(shù)據(jù)生成

雷達在探測過程中由于受到自然界的干擾，以及設(shè)備精度的影響，探測得到的量測信號是帶有一定噪聲的隨機變量，這些隨機變量是均值為零，特定方差的高斯白噪聲，因此，模擬雷達航跡應(yīng)該在理想航跡數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加上測量噪聲，其公式如下：

4 總結(jié)

對雷達航跡的目標狀態(tài)進行了仿真建模，考慮到目標轉(zhuǎn)彎時的運動特征，對航跡進行了平滑處理。該建模方法實現(xiàn)了雷達航跡的功能級仿真，形成雷達探測情報，為雷達情報處理中心提供了功能級的信息源數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，在驗證和測試雷達情報處理功能方面具有應(yīng)用價值。

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