炮位偵察校射雷達(dá)探測(cè)模型建模與仿真

王 銳 戴文瑞 李 俊

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院 合肥 230031)

0 引言

炮位偵察校射雷達(dá)作為炮兵作戰(zhàn)中必不可少的偵察裝備，即可為己方校射彈著點(diǎn)， 也可用于測(cè)定敵方火炮陣地位置，目前已有的部分相關(guān)雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可從功能模擬的角度實(shí)現(xiàn)雷達(dá)操控臺(tái)全仿真模擬訓(xùn)練，但模擬訓(xùn)練系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行雷達(dá)裝備工作原理、偵察及抗干擾性能的仿真模擬，也不能使作戰(zhàn)員對(duì)雷達(dá)機(jī)理和性能有更深層次的認(rèn)識(shí)和理解，限制了雷達(dá)進(jìn)一步的戰(zhàn)術(shù)使用和效能發(fā)揮[1-2]。

為有效解決炮位偵察校射雷達(dá)在研制和訓(xùn)練中面臨的上述難題，本文提出通過(guò)仿真構(gòu)建雷達(dá)探測(cè)模型，為充分體現(xiàn)在自然環(huán)境及復(fù)雜電磁干擾環(huán)境的前提下，構(gòu)建一種針對(duì)該型雷達(dá)探測(cè)過(guò)程的建模與仿真方法，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的可控制性、可重復(fù)性、無(wú)破壞性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)炮位偵察校射雷達(dá)的技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用等進(jìn)行仿真與效能評(píng)估重現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，為雷達(dá)的研制與訓(xùn)練工作提供了理論指導(dǎo)，對(duì)提高雷達(dá)戰(zhàn)斗力具有重大意義。

1 炮位偵察校射雷達(dá)基本原理及仿真要求

炮位偵察校射雷達(dá)波束掃描采用相控陣體制，雷達(dá)天線(xiàn)向空中輻射形成的針狀波束按照功能分為搜索、確認(rèn)和跟蹤三種波束，主要有兩種工作模式：一是對(duì)敵方炮位進(jìn)行偵察； 二是對(duì)己方炮彈炸點(diǎn)進(jìn)行校射[3-4]。雷達(dá)進(jìn)行對(duì)敵炮位偵察時(shí)，天線(xiàn)輻射波束沿地平線(xiàn)輪廓貼地作向上45°～90°的扇形搜索，若在某一波束位置內(nèi)有敵方發(fā)射的彈丸，它的反射電磁波就被雷達(dá)天線(xiàn)陣接收，經(jīng)雷達(dá)接收機(jī)放大，信號(hào)處理機(jī)濾除地物雜波、氣象雜波、鳥(niǎo)類(lèi)雜波、昆蟲(chóng)雜波和地面車(chē)輛等慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的干擾信號(hào)后，如果回波強(qiáng)度達(dá)到檢測(cè)門(mén)限，信號(hào)處理機(jī)則檢測(cè)出彈丸目標(biāo)，并向雷達(dá)控制計(jì)算機(jī)報(bào)告目標(biāo)的距離和多普勒濾波器號(hào)。計(jì)算機(jī)根據(jù)波束編排的原則，立即向該目標(biāo)發(fā)出確認(rèn)波束，經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后，啟動(dòng)起始跟蹤程序?qū)υ撃繕?biāo)進(jìn)行跟蹤，直至能夠穩(wěn)定無(wú)誤地進(jìn)行跟蹤時(shí)即轉(zhuǎn)入正常跟蹤。在跟蹤點(diǎn)的時(shí)間間隔內(nèi)，可安排搜索波束，確認(rèn)波束，第一、第二、第三、……個(gè)目標(biāo)的跟蹤波束，雷達(dá)取得監(jiān)視空域內(nèi)的各彈丸軌道數(shù)據(jù)后，可根據(jù)這一段彈道以反向外推法計(jì)算出彈丸的發(fā)射點(diǎn)，即敵炮陣地坐標(biāo)。

在校射模式下，雷達(dá)波束搜索己方彈丸，在彈道的降弧段對(duì)彈丸進(jìn)行跟蹤，其軌道的建立、平滑濾波、計(jì)算機(jī)外推和高程修正都與對(duì)敵工作方式相同，只是計(jì)算機(jī)沿著彈道軌跡作正向外推算出己方彈丸在預(yù)先設(shè)置的低基準(zhǔn)面的彈著點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行高程修正，從而得出精確的地面坐標(biāo)，供己方炮兵修正射擊諸元用。

根據(jù)炮位偵察校射雷達(dá)的工作原理，對(duì)其建模仿真主要有以下幾點(diǎn)要求：

1)要素齊全的作戰(zhàn)環(huán)境模擬。包括能夠模擬敵我雙方的炮位及相應(yīng)彈道，大氣等自然條件和復(fù)雜電磁干擾環(huán)境等。

2)調(diào)度合理的波束資源管理。炮位偵察校射雷達(dá)面臨多種作戰(zhàn)任務(wù)，波束需要同時(shí)進(jìn)行搜索、確認(rèn)和跟蹤，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)的緊迫程度，需要合理地分配波束資源方案。

3)過(guò)程完整的雷達(dá)工作流程。為加強(qiáng)訓(xùn)練的針對(duì)性和深度，全過(guò)程采用相參信號(hào)仿真，加深對(duì)理論理解。

2 炮位偵察校射雷達(dá)偵察模型構(gòu)建

根據(jù)前文所述炮位偵察校射雷達(dá)的基本工作原理及建模要求，在充分考慮雷達(dá)的性能參數(shù)、受干擾情況、自然環(huán)境等因素，完整地模擬雷達(dá)對(duì)當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)作戰(zhàn)目標(biāo)的探測(cè)及數(shù)據(jù)生成過(guò)程，本文將炮位偵察校射雷達(dá)模型構(gòu)建流程[5-6]分為如下過(guò)程。

首先，炮彈目標(biāo)經(jīng)過(guò)目標(biāo)過(guò)濾，主要包括彈道諸元計(jì)算、預(yù)處理、門(mén)限檢查、視場(chǎng)檢查和地形遮蔽檢查等操作；然后，進(jìn)行波束資源管理。主要包括跟蹤波束、待確認(rèn)波束及搜索目標(biāo)波束分配等步驟；隨后，進(jìn)行接收機(jī)模擬和天線(xiàn)模擬，充分考慮天線(xiàn)增益損耗；再次，模擬大氣降雨等自然環(huán)境，進(jìn)行環(huán)境效應(yīng)模擬，再模擬雷達(dá)受干擾效果；接著進(jìn)行探測(cè)判決并進(jìn)行點(diǎn)跡生成，主要是根據(jù)雷達(dá)方位和距離分辨率，處理已發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)信息，對(duì)于方位和距離都在同一分辨率門(mén)范圍內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)跡根據(jù)目標(biāo)能量進(jìn)行合并，生成探測(cè)點(diǎn)跡，并計(jì)算點(diǎn)跡質(zhì)量；最后，進(jìn)行航跡管理和位置誤差計(jì)算，維護(hù)射擊動(dòng)作列表，進(jìn)行目標(biāo)自動(dòng)禁止處理，遞推彈道，形成炮位或炸點(diǎn)情報(bào)并上報(bào)，完成數(shù)據(jù)處理器模擬。具體流程如圖1所示。

圖1 炮位偵察校射雷達(dá)模型信息處理流程

3 偵察模型關(guān)鍵技術(shù)

3.1 作戰(zhàn)環(huán)境生成

作戰(zhàn)環(huán)境生成主要包括彈道模擬、雷達(dá)外部環(huán)境數(shù)據(jù)生成等。

3.1.1 彈道模擬

根據(jù)火力打擊單元輸入的射擊諸元指令和戰(zhàn)情產(chǎn)生軟件產(chǎn)生氣象數(shù)據(jù)的風(fēng)速信息可以計(jì)算出炮彈彈道。

計(jì)算可得炮彈坐標(biāo)和目標(biāo)與雷達(dá)距離、方位和高度為

(1)

(2)

其中：R為目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)距離；{rx,ry,rz}為雷達(dá)坐標(biāo)；{tx,ty,tz}為目標(biāo)坐標(biāo)；α為目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)方位角；θ為目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)俯仰角；ha為雷達(dá)高度，ht為目標(biāo)高度，單位均為m。

3.1.2 雷達(dá)環(huán)境特性模塊

1)干擾信號(hào)，主要考慮壓制干擾

根據(jù)雷達(dá)方程和雷達(dá)的體制特點(diǎn)，在對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行模擬時(shí)，可以簡(jiǎn)單地將目標(biāo)看作是點(diǎn)目標(biāo)，回波因子的計(jì)算公式為

(3)

2)大氣誤差

根據(jù)大氣衰減系數(shù)和降雨速度等，計(jì)算大氣吸收損耗La。

計(jì)算公式為

La=10LdB/20

(4)

LdB=kaRE(1-eR/RE)+rkRR

(5)

RE=3/sin(φc)

(6)

(7)

其中：ka為標(biāo)準(zhǔn)大氣衰減系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)單位)；kR為氣象系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)單位)，根據(jù)瑞利散射理論，ka和kR與雷達(dá)頻段存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，可直接查找相關(guān)頻率對(duì)照表得到數(shù)值；φt為目標(biāo)仰角；r為降雨速率；R為目標(biāo)與雷達(dá)距離。

3)雨雜波

炮位偵察校射雷達(dá)所受到的主要雜波是空中的雨雜波，其雜波功率計(jì)算為

(8)

其中：K1為常數(shù)；Pt為發(fā)射功率；r為降雨速率；Lp為極化損失。

3.2 波束資源分配

雷達(dá)探測(cè)模型主要負(fù)責(zé)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，包括波束管理和數(shù)據(jù)處理。

波束資源管理的功能主要是根據(jù)目標(biāo)的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)分配相控陣?yán)走_(dá)的波束資源。相控陣?yán)走_(dá)在一段時(shí)間內(nèi)總的能量是固定的，該段時(shí)間內(nèi)所有跟蹤目標(biāo)、待確認(rèn)及被搜索目標(biāo)各自獲得的能量可以不同，但能量總和不變。主要考慮波束資源、作戰(zhàn)任務(wù)、資源調(diào)度和管理流程等因素，具體波束資源分配的流程如圖2所示。

圖2 波束資源分配流程圖

3.3 炮位偵察校射數(shù)據(jù)處理

為形成穩(wěn)定的目標(biāo)航跡，并進(jìn)行多目標(biāo)跟蹤。炮位偵察校射雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理模塊的處理流程如圖3所示。主要包括射擊動(dòng)作列表維護(hù)、目標(biāo)自動(dòng)禁止處理和彈道外推[7]。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

1)射擊動(dòng)作列表維護(hù)

射擊動(dòng)作列表維護(hù)模塊主要按照時(shí)刻將炮彈射擊后的動(dòng)作列表轉(zhuǎn)換為炮彈的空間位置填入目標(biāo)鏈表中。判斷雷達(dá)處于炮位偵察模式還是校射模式。如果雷達(dá)處于炮位偵察模式，再判斷炮彈處于上升段還是下降段，如果炮彈處在上升段，進(jìn)行彈道遞推計(jì)算和彈道列表維護(hù)。反之，如果炮彈處在下降段，則清除彈道，流程結(jié)束。如果雷達(dá)處于校射模式，再判斷炮彈處于上升段還是下降段，如果炮彈處在下降段，進(jìn)行彈道遞推計(jì)算和彈道列表維護(hù)。反之，如果炮彈處在上升段，清除彈道，流程結(jié)束。

2)目標(biāo)自動(dòng)禁止處理

當(dāng)處于炮位偵察模式時(shí)，需要進(jìn)行自動(dòng)禁止處理，主要是防止發(fā)射炮彈過(guò)多導(dǎo)致雷達(dá)飽和，自動(dòng)禁止處理主要為在對(duì)跟蹤的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道計(jì)算后，將該軌道同已有的彈道軌道進(jìn)行比較，當(dāng)某已存在的炮陣地位置同該軌道算出的炮陣地距離小于一定的值且處理次數(shù)較多時(shí)，說(shuō)明所發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)可能是已確認(rèn)的陣地發(fā)射的，則所算出的軌道丟棄，不再進(jìn)行彈道遞推。

3)彈道外推

彈道外推模塊在偵察模式時(shí)，如果雷達(dá)沒(méi)有自動(dòng)禁止處理，當(dāng)彈道點(diǎn)數(shù)大于5點(diǎn)時(shí)，可以根據(jù)得到的彈道點(diǎn)推算炮陣地位置。在校射模式時(shí)，當(dāng)彈道點(diǎn)數(shù)大于5點(diǎn)時(shí)，可根據(jù)彈道點(diǎn)跡推算出炮彈落點(diǎn)。

為了得到外推數(shù)據(jù)，需要對(duì)彈道點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，以偵察模式為例，先將彈道點(diǎn)投影至地面坐標(biāo)系水平面xoy，假設(shè)這些投影點(diǎn)大致接近一條直線(xiàn)，認(rèn)為該直線(xiàn)為擬合彈道在地面的投影，將該直線(xiàn)方程設(shè)為

y=ax+b

(9)

根據(jù)最小二乘理論，得到

(10)

式(10)中n為彈道點(diǎn)數(shù)，為使M值最小，將式(10)分別對(duì)a、b取偏微分得到

(11)

根據(jù)式(11)可求出常數(shù)a、b，從而確定直線(xiàn)方程。

將彈道點(diǎn)投影至擬合彈道面(即前面所求直線(xiàn)方程所在面，該面垂直于地面)。按照上面介紹的方法確定在彈道面中的擬合彈道拋物線(xiàn)方程，為分析問(wèn)題的方便可直接在平面坐標(biāo)系中分析確定炮位，按照同樣的方法可確定炸點(diǎn)。

4 軟件仿真

炮位偵察校射雷達(dá)仿真軟件采用VC++ 6.0進(jìn)行編程，利用VC++的文檔/視圖框架結(jié)構(gòu)，從而便于整個(gè)軟件的管理和維護(hù)。其中仿真運(yùn)行支撐平臺(tái)負(fù)責(zé)炮位偵察校射雷達(dá)仿真軟件子模型調(diào)用，此外仿真運(yùn)行支撐平臺(tái)還負(fù)責(zé)子模型間的信息交互，如果進(jìn)行分布式仿真，則具有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)初始化的功能。仿真后運(yùn)行的總體效果如圖4所示。該圖為軟件運(yùn)行想定后界面，界面左上方為軟件生成雷達(dá)實(shí)體列表，右上方顯示雷達(dá)1在地圖上的位置，顯示界面左下方顯示雷達(dá)情報(bào)和雷達(dá)工作狀態(tài)，界面右下方通過(guò)B顯方式顯示火力單元陣地坐標(biāo)。

圖4 軟件仿真結(jié)果顯示

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)炮位偵察校射雷達(dá)的探測(cè)流程進(jìn)行了系統(tǒng)建模，在分布式仿真框架上進(jìn)行了軟件開(kāi)發(fā)，軟件具備較高擴(kuò)展性。建模理論科學(xué)合理、仿真結(jié)果可靠，為部隊(duì)開(kāi)展雷達(dá)訓(xùn)練提供了一種新的途徑。