機載監視雷達軟件系統設計

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

機載監視雷達系統是一種全天候全天時遠距離廣域對地主動式監視系統,它穿透性好,能高分辨率、大范圍成像和進行地面、海面靜止/固定目標,地面、海面和低空動目標檢測、跟蹤和監視。奪取信息優勢是當代與未來戰爭取勝的關鍵要素,戰場偵察雷達是獲取戰場情報的主要信息來源,是信息化戰爭中不可缺少的信息探測裝備[1],已廣泛用于偵察、目標識別、目標指示和打擊效果評估等軍事領域。其中,裝載了機載監視雷達的美國JSTARS(聯合監視與目標攻擊雷達系統)在海灣戰爭、巴爾干地區的維和行動以及阿富汗和伊拉克的軍事行動中,發揮了重要作用[2]。

就平臺而言,大型機載監視雷達系統雖然具有廣域偵察監視能力,但由于高昂的裝備使用費用,部署數量不足,難以對特定區域進行全天24小時連續監視;而無人機偵察系統依靠長航時、低成本、高安全性成為有人機載偵察系統的理想輔助偵察系統。但是典型的戰場偵察雷達與無人機載偵察雷達的工作環境不同,這對雷達的關鍵技術提出了新的要求與挑戰[3]。在無人機載科研試飛前,均需要在有人機載條件下掛飛,因此雷達軟件系統的設計必須要兼具它機本機適應性飛行任務。本文針對機載監視雷達軟件系統進行了研究,論述了系統組成及特點,并對某些關鍵技術進行了說明,最后給出了仿真實驗結果。

1 機載監視雷達軟件系統設計

1.1 軟件系統設計方案

機載監視雷達系統由機載設備和地面站設備組成,如圖1所示。其中,機載設備主要包括雷達天線、電源分機、運補分機、接收分機、綜合電子分機、實時處理分機、數據處理分機、數據記錄器、顯控臺(有人機載)和機載數據鏈;地面站設備主要包括地面站系統和地面站數據鏈。

圖1 機載監視雷達系統組成框圖

在對地面運動目標進行搜索檢測時,通過二維有源相控陣天線全孔徑發射信號,多個子孔徑同時接收信號,接收單元中的多個MTI接收通道同時進行下變頻和I/Q正交解調后,將I/Q信號送接收機進行數據變換,變換的數據和工作參數經綜合電子分機打包后送入實時處理分機中,進行時空二維、雜波干涉等自適應處理,抑制強地雜波,提取地面慢速運動目標軌跡,在數據處理單元進行濾波和預測處理、點跡凝聚、航跡相關以及坐標變換等,將動目標的航跡用符號疊加在SAR圖像或電子地圖上,形成完整的戰場態勢圖,并通過數據鏈下傳到地面控制系統(含指揮中心)以供二次信息處理和指揮決策。如須配合火力的攻擊,即為了精確打擊目標,須提供敵軍的位置和速度信息給炮彈、導彈,并對打擊后的目標區域進行監視[4]。

本系統基于多任務多模式要求研制,不僅須適應雷達內外控制信息需求,且要求適用多種試驗飛行方案。當載機為無人機時,設備操作員不能上機試飛,須由地面站進行遙控并顯示偵察數據和雷達狀態信息;當載機為有人機時,設備操作員可以上飛機進行操作,可在機上進行雷達控制并顯示偵察數據和雷達狀態信息,同時要求可在地面站進行遙控顯示。因此軟件設計方案中,將綜合任務管理軟件作為整個軟件系統的信息交換樞紐,負責雷達內外不同信息的交換翻譯及控制方式切換工作,適應機上本控和地面站遙控不同任務多模式需求,并采用盡可能少的資源滿足各任務功能需求,實現軟件配置項之間低耦合,系統集成可靠性高,并且易移植、維護簡易可行。

其中,當適用有人機方案時,指揮中心也可以搬到飛機上,成為空中指揮中心。

機載監視雷達軟件系統數據鏈路圖如圖2所示。

在硬件具備支撐條件下的軟件配置項采用多種傳輸接口方式,控制軟件之間的信息傳輸采用光纖、總線、串口傳輸方式,計算機軟件之間采用網絡互聯,機上機下計算機軟件分別接入兩個星型網絡拓撲,完成對雷達探測控制及偵察信息處理任務。

系統完成3種控制方式,第一種方式為雷達本控,所有雷達設備包括控制設備放在飛機上,由雷達顯控發出控制命令;第二種方式為地面站遙控,地面站配備通信車,和雷達進行無線鏈路通信,控制顯示終端位于地面站,對雷達發出控制命令,并顯示動目標和圖像畫面,然后將實時信息傳輸至指揮中心進行攻擊策劃控制。該方式中,飛機上的雷達顯控作為維護顯示器,該模式也可適應于無人機掛載方案;第三種方式為指揮中心控制,該指揮中心位于飛機,采用任務列表方式對雷達進行控制并顯示雷達偵察信息畫面,雷達顯控作為維護顯示器。

機載監視雷達系統軟件主要完成雷達系統各工作模式波束資源調度,控制時序和波束指向,對探測到的目標原始回波進行實時信號處理,進行地面動目標檢測定位和跟蹤,最后形成航跡顯示在SAR圖像或電子地圖背景畫面上,并對打擊后的動目標進行區域監視。

1.2 機載監視軟件任務方案設計

本機載監視雷達軟件系統的基本模式設計為:

1)廣域搜索(WAS):雷達系統的基本工作模式(缺省模式),覆蓋戰區,能對雷達視場內的地面運動目標進行探測、定位、分類;

2)扇區搜索(SS)模式:用于雷達探測范圍內指定區域的搜索,該區域回訪時間間隔比 WAS短,時間間隔設置的原則是保證對操作員指定目標的自動跟蹤;

3)攻擊策劃模式(AP)模式:用于雷達探測范圍內指定小區域的搜索,該區域回訪時間間隔比SS短,時間間隔設置的原則是保證攻擊策劃階段使用;

4)攻擊控制模式(AC)模式:用于雷達探測范圍內指定小區域的搜索,系統反應最快(最短波束回訪時間間隔),時間間隔設置的原則是保證攻擊實施階段使用。

工作模式可以作為一個單一任務執行,也可以作為一個子任務在察打任務中進行編排執行,一般事先規劃好任務列表。察打任務執行時,雷達首先進行大范圍廣域搜索,進入重點區域后,切換到扇區搜索模式,區域態勢實時報指揮中心,進入攻擊策劃階段,采用高數據率對重點目標進行探測跟蹤,進入到攻擊實施階段時,則采用更短的回訪時間對重點目標進行高精度回訪和跟蹤,并引導武器實施打擊。機載監視雷達工作模式切換如圖3所示。

圖3 機載監視雷達工作模式切換

任務執行方案可以采取航線規劃、時間規劃和實時控制三種方式執行。

1)航線規劃,即按照既定航線規劃,根據當前飛行位置確定執行哪個任務;

2)時間規劃,即按照既定任務列表的時間順序進行任務調度;

3)實時控制,即操作員進行實時任務調度。

某典型任務時間規劃設計方案如圖4所示,將每一個工作模式看成是一個子任務,結合任務作戰需求和雷達能量合理編排子任務及其回訪時間,稱之為“時間片輪轉”復合任務列表,該典型任務列表設計方案下,一個任務需要完成1個WAS子任務和多個AP,AC子任務,WAS任務持續時間為20 s,數據率不固定,AC,AP分別持續時間為100 ms,AP數據率為15 s,AC數據率為10 s。在該任務列表中,需要實現的功能是WAS可以實現大區域目標跟蹤,AP,AC實現小區域重點目標跟蹤。進行動目標數據處理時,將WAS和AP,AC任務分別提取出來,在各自的任務執行中可以進行自關聯,也可以將AP,AC任務獲取的點跡分別和WAS任務中的航跡進行關聯,提高重點目標的數據率。

圖4 多任務協同拼接

1.3 資源調度設計

在MTI類任務列表中,最多可包括4種模式的任務(WAS,AC,AP和SS),各個任務之間須瞬時切換,因此要求時序參數及波束參數能動態實時同步控制。

本資源調度設計兼顧航線規劃、時間規劃和實時控制三種任務調度方式。由波束調度軟件根據3種不同的任務調度方式生成子任務隊列,并轉換成當前任務待執行隊列,在收到碼值請求中斷后,提前將子任務波控參數發送給波束控制軟件,控制移相器碼值[5]。資源調度流程如圖5所示。

1.4 變掃描策略下的數據關聯

為了保證對重點區域重點目標進行長時可持續跟蹤,在雷達探測距離不變的情況下,采用AP,AC模式可以最大限度地延長照射。AP,AC模式是根據探測對象的經緯度計算波束的掃描角度,控制波束一直照射該區域,即變掃描策略,類似于聚束照射,無論是從SS模式切換到AP,AC模式,還是AP,AC模式自行切換時,都會進行波束切換,這時數據率是變化的。在變波束掃描時,如何保證波束切換后航跡信息無損是關鍵所在。

常規的解決方法是波束切換時按丟點處理,這樣在下一個掃描周期來到時,如果沒有點跡與航跡匹配上,按丟點后補點處理。這樣會導致信息冗余,且容易造成目標跟丟。

提出的解決方法是一旦波束切換,調整暫時航跡緩區和穩定航跡緩區內航跡的預置參數門限,并重新預測航跡在點跡時刻的位置和多普勒信息,再進行點航匹配,如圖6所示。這樣在波束切換前后能保證點跡和航跡可以實現無縫匹配,不補點、不丟點、不丟批。

圖5 資源調度流程

圖6 變掃描策略跟蹤解決方案

2 試驗結果

根據本系統方案搭建地面半實物仿真系統,并模擬指揮大廳對發現目標進行打擊控制和打擊后區域顯示,仿真系統組成如圖7所示。

圖7 地面半實物仿真系統組成

場景仿真器模擬目標航線、參數設置和慣導參數,產生目標原始數據輸出到機載監視雷達,送入地面站信息處理設備,進行動目標發現和跟蹤后傳遞到模擬指揮中心進行顯示,指揮中心對發現的目標進行打擊指揮決策,最后在地面站信息處理設備和指揮中心給出打擊后的監視畫面。通過本仿真系統驗證了系統設計的可行性,圖8和圖9分別為動目標打擊前后畫面。

圖8 發現目標畫面

圖9 打擊目標后畫面

3 結束語

本文提出了一種兼容使用于有人機和無人機的機載監視雷達軟件體系架構設計,并對方案設計、資源調度設計以及變掃描速率下的數據處理關聯方案作了闡述。該軟件架構設計方案和關鍵技術的相關思路和流程可以推廣應用在機載監視雷達上。

[1]王恒科.國外地面戰場偵察雷達發展現狀與趨勢[J].電訊技術,2015,55(7):814-821.

[2]周雷.基于機載GMTI雷達的地面動目標跟蹤技術研究[D].北京:中國電子科學研究院,2007:1-2.

[3]李嘉誠,馬彥恒,董健,等.小型無人機機載戰場偵察雷達關鍵技術研究[J].飛航導彈,2015(8):37-41.

[4]王保偉.基于戰場偵察雷達的信號處理技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2014:2.

[5]張衛華,趙寧,魯加國,等.機載遠程戰場偵察雷達波控分系統的設計[J].現代電子,1999(3):1-4.