雷達(dá)抗戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁干擾仿真實(shí)驗(yàn)主控航跡數(shù)據(jù)處理

童 源，朱 兵，閔 嘯

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

雷達(dá)抗戰(zhàn)場(chǎng)電磁干擾仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠模擬雷達(dá)在戰(zhàn)場(chǎng)中的典型電磁環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定標(biāo)校，旨在借助部分真實(shí)環(huán)境，通過在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上架設(shè)的模擬器模擬目標(biāo)、雜波、干擾來構(gòu)建逼真度良好的典型雷達(dá)電子戰(zhàn)對(duì)抗場(chǎng)景，滿足不同體制的被試?yán)走_(dá)在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行抗自衛(wèi)式、支援式或復(fù)合式干擾試驗(yàn)需求，并在綜合視景大屏上顯示，最終能夠輸出、存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐抗干擾效能評(píng)估。本文重點(diǎn)闡述試驗(yàn)平臺(tái)中主控顯示分系統(tǒng)航跡數(shù)據(jù)處理。如圖1所示[1]。

圖1 航跡數(shù)據(jù)處理流程

主控機(jī)顯控軟件接收綜合模擬控制視景顯示及數(shù)據(jù)錄取設(shè)備的航路場(chǎng)景設(shè)置，通過解算，將設(shè)置場(chǎng)景航路大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為以雷達(dá)為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系，然后將轉(zhuǎn)換后的航路坐標(biāo)及目標(biāo)信息下發(fā)搖臂及模擬器。

1 航跡數(shù)據(jù)生成

航跡數(shù)據(jù)生成主要是在綜合場(chǎng)景軟件中，利用系統(tǒng)工具軟件(STK)來實(shí)現(xiàn)的。該軟件是用于航空航天通信領(lǐng)域的一個(gè)仿真和數(shù)據(jù)分析工具，支持多種形式的二維、三維顯示引擎，可逼真地顯示衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、飛機(jī)、地面設(shè)施等對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；還支持加載外部地形地貌數(shù)據(jù)，構(gòu)建真實(shí)的三維地理環(huán)境。STK分析引擎用于計(jì)算數(shù)據(jù)，其中一個(gè)核心能力是生成各種坐標(biāo)系下的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)[2]。

在飛行任務(wù)中，參與試驗(yàn)的對(duì)象包括飛機(jī)、導(dǎo)彈、地面站等3類，見圖2。地面站部署在地面的O點(diǎn)，并通過雷達(dá)探測(cè)飛機(jī)的位置。飛機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置A點(diǎn)時(shí)，發(fā)射導(dǎo)彈。地面站通過雷達(dá)探測(cè)導(dǎo)彈的位置。

圖2 飛行任務(wù)示意圖

在整個(gè)試驗(yàn)任務(wù)時(shí)間段內(nèi)，飛機(jī)在飛行過程中實(shí)時(shí)下傳位置數(shù)據(jù)；當(dāng)飛機(jī)飛行至A點(diǎn)發(fā)射導(dǎo)彈后，飛機(jī)下傳導(dǎo)彈的相對(duì)位置數(shù)據(jù)；地面雷達(dá)站下傳對(duì)飛機(jī)和導(dǎo)彈的測(cè)量數(shù)據(jù)。在飛行試驗(yàn)的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)顯示中，即需要顯示飛機(jī)和導(dǎo)彈的真實(shí)狀態(tài)，也需要顯示二者的測(cè)量狀態(tài)。

因此，在完整的試驗(yàn)過程中，STK需要接收如下數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 傳輸數(shù)據(jù)種類

軟件接收到所有數(shù)據(jù)之后，將各對(duì)象實(shí)時(shí)顯示在STK的三維窗口中；同時(shí)需要解算飛機(jī)/導(dǎo)彈位置的真實(shí)數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，支持測(cè)量精度的分析。

地面站位置和飛機(jī)位置都是在WGS84地理坐標(biāo)系下的緯度、經(jīng)度和高度，該坐標(biāo)系在STK中已經(jīng)自帶，不需要自定義創(chuàng)建，在使用時(shí)僅需調(diào)用即可，如圖3、圖4所示。

圖3 地面站的坐標(biāo)描述

圖4 飛機(jī)的坐標(biāo)描述

2 航跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

綜合場(chǎng)景軟件將各目標(biāo)航跡生成之后通過Ftp將軌跡文件發(fā)送至顯控軟件。然后將航跡文件中WGS84坐標(biāo)下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地心直角坐標(biāo)系中。

WGS84大地坐標(biāo)系屬于地心坐標(biāo)系，即以地心作為橢球體中心，它是以地球旋轉(zhuǎn)軸作為Z軸，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向，X軸指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交點(diǎn)，Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系。目前GPS測(cè)量數(shù)據(jù)多以WGS-1984為基準(zhǔn)。對(duì)應(yīng)于WGS-84大地坐標(biāo)系，有一個(gè)WGS-84橢球，如圖5所示，其常數(shù)采用IUGG第17屆大會(huì)大地測(cè)量常數(shù)的推薦值。下面介紹WGS-84橢球參考模型。

地球可以近似看做是一個(gè)橢球，公式為：

(1)

式中：X，Y，Z為地球表面上一點(diǎn)的坐標(biāo)；a為地球長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度(m),在WGS84中，a=6 378 137.0 m;b為地球短半軸長(zhǎng)度(m),在WGS84中，b=6 356 752.314 2 m。

于是有:

(2)

式中：Rp為P點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑(m)；e為地球第一偏心率常數(shù)，并有e2=0.006 694 379 901 4；e′為地球第二偏心率常數(shù)。

如圖5所示，設(shè)空間一點(diǎn)P的大地坐標(biāo)用大地緯度B，大地經(jīng)度L和大地高H表示，點(diǎn)P′是其在XOY平面(赤道面)的投影。其中，P點(diǎn)的大地子午面和起始大地子午面所構(gòu)成的二面角L是P點(diǎn)的大地經(jīng)度，即∠XOP′，從起始大地子午面算起，向東為正，向西為負(fù)；P點(diǎn)的法線和赤道面的夾角B是P點(diǎn)的大地緯度，即過參考橢球上一點(diǎn)M的垂線PM與赤道平面相交的角度。從赤道算起，向北為正，向南為負(fù)。而過參考橢球體上一點(diǎn)N與地心O的連線OP與赤道平面的夾角B′為地心緯度。P點(diǎn)沿法線到地球球面的距離H是大地高度，從地球球面起，向外為正，向內(nèi)為負(fù)。該P(yáng)點(diǎn)以(L,B,H)來表示大地坐標(biāo)系,以(X0,Y0,Z0)來表示地心直角坐標(biāo)系(地固坐標(biāo)系)。

設(shè)P點(diǎn)地理位置(L,B,H)，則由大地坐標(biāo)系變換到地心直角坐標(biāo)系的公式：

(3)

式中：L、B、H為P點(diǎn)所處地理位置的經(jīng)緯度、高程(MP長(zhǎng)度)；Rp為及卯酉圈曲率半徑，即CM的長(zhǎng)度；a為地球橢球體的長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度；e2為地球第一偏心率常數(shù)的平方。

3 坐標(biāo)投影

雷達(dá)北天東系到雷達(dá)天線陣面系的轉(zhuǎn)換：2個(gè)坐標(biāo)系之間進(jìn)行方位角β和仰角α2個(gè)角度的轉(zhuǎn)換，其中，雷達(dá)坐標(biāo)系的X軸與北向東向組成的平面的夾角為仰角，指向與天的方向一致時(shí)夾角為正，反之為負(fù)；雷達(dá)坐標(biāo)系X軸在北東面上的投影與北向的夾角為方位角，從天向觀測(cè)，逆時(shí)針為正，則旋轉(zhuǎn)過程為：首先要繞Y軸轉(zhuǎn)β，后繞Z軸旋轉(zhuǎn)α，則旋轉(zhuǎn)矩陣為：

(4)

假設(shè)目標(biāo)、目標(biāo)模擬器在雷達(dá)北天東坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x,y,z)，轉(zhuǎn)換到雷達(dá)天線陣面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x0,y0,z0)，則目標(biāo)由雷達(dá)北天東坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到雷達(dá)天線陣面坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(5)

4 航跡文件傳輸

航跡文件傳輸主要分為兩部分，一部分是控制航跡文件生成的控制命令傳輸;一部分是航跡數(shù)據(jù)的傳輸。

4.1 控制命令傳輸

當(dāng)操作員用顯控軟件進(jìn)行目標(biāo)配置之后會(huì)向綜合場(chǎng)景軟件發(fā)送相關(guān)控制命令。當(dāng)前傳輸機(jī)制為高級(jí)體系結(jié)構(gòu)(HLA)分布式設(shè)計(jì)。HLA是基于訂閱/發(fā)布模式的分布式架構(gòu)，訂閱發(fā)布模式定義了一種一對(duì)多的依賴關(guān)系，讓多個(gè)訂閱者同時(shí)監(jiān)聽某一個(gè)主題對(duì)象。這個(gè)主題對(duì)象在自身狀態(tài)變化時(shí)，會(huì)通知所有訂閱者，使它們能夠自動(dòng)更新自己的狀態(tài)。

在本仿真系統(tǒng)中，仿真對(duì)象是分離耦合的，相互之間獨(dú)立而又有密切關(guān)聯(lián)，一個(gè)聯(lián)邦成員對(duì)象的改變，會(huì)直接影響到其他系統(tǒng)中關(guān)聯(lián)的對(duì)象。據(jù)此設(shè)計(jì)出圖6的分布式結(jié)構(gòu)，聯(lián)邦成員組成為：

(1) 顯控軟件聯(lián)邦成員，負(fù)責(zé)在試驗(yàn)初始化時(shí)給綜合場(chǎng)景軟件發(fā)送任務(wù)數(shù)據(jù)；試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)控制綜合場(chǎng)景軟件的啟動(dòng)/停止；控制狀態(tài)監(jiān)控軟件的保存/停止保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

(2) 服務(wù)器系統(tǒng)聯(lián)邦成員，負(fù)責(zé)接收采集的和解析后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

(3) 綜合場(chǎng)景軟件聯(lián)邦成員，負(fù)責(zé)接收顯控軟件發(fā)送的任務(wù)數(shù)據(jù),接收顯控軟件的啟動(dòng)/停止;

(4) 狀態(tài)監(jiān)控聯(lián)邦成員，負(fù)責(zé)接收顯控軟件的保存/停止保存指令，將采集的和解析后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存/停止保存在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖6 分布式設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化成功后，在服務(wù)器系統(tǒng)上創(chuàng)建HLA聯(lián)邦，其它各個(gè)系統(tǒng)加入該聯(lián)邦，成為聯(lián)邦成員。

HLA聯(lián)邦運(yùn)行啟動(dòng)，顯控軟件邦員給綜合場(chǎng)景軟件邦員和狀態(tài)監(jiān)控邦員發(fā)送試驗(yàn)啟動(dòng)指令和停止指令。

綜合場(chǎng)景軟件邦員通過HLA接收顯控軟件邦員的任務(wù)指令，載入本地的場(chǎng)景想定文件，進(jìn)行任務(wù)初始化，生成場(chǎng)景文件和航跡文件。

HLA由RTI服務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行支撐，系統(tǒng)集成了聯(lián)邦對(duì)象模型、聯(lián)邦對(duì)象管理、聯(lián)盟管理、仿真時(shí)間管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理等功能。

4.2 航跡數(shù)據(jù)傳輸

如圖7所示，將顯控軟件作為FTP服務(wù)器，綜合場(chǎng)景軟件將場(chǎng)景文件和航跡文件編輯好后通過FTP推送到綜合顯控軟件本地文件夾。操作員通過顯控軟件分配目標(biāo)之后，生成的新的場(chǎng)景文件，并通知其他相關(guān)軟件來獲取新的場(chǎng)景文件和對(duì)應(yīng)的目標(biāo)航跡文件。

圖7 航跡文件FTP傳輸示意圖

5 結(jié)束語

本文主要闡述了目標(biāo)航跡的生成、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)冗^程。綜合場(chǎng)景軟件通過HLA通信架構(gòu)接收顯控軟件中操作員下發(fā)的控制命令，利用STK開發(fā)包生成操作員擬定的目標(biāo)航跡文件，并通過FTP文件傳輸協(xié)議將文件放置顯控軟件FTP服務(wù)器，然后在顯控軟件中完成航跡數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換，生成仿真環(huán)境下的航跡數(shù)據(jù)，供其他軟件使用。