炮位偵察校射雷達探測模型建模與仿真

王 銳 戴文瑞 李 俊

(陸軍炮兵防空兵學院 合肥 230031)

0 引言

炮位偵察校射雷達作為炮兵作戰中必不可少的偵察裝備，即可為己方校射彈著點， 也可用于測定敵方火炮陣地位置，目前已有的部分相關雷達模擬訓練系統可從功能模擬的角度實現雷達操控臺全仿真模擬訓練，但模擬訓練系統沒有進行雷達裝備工作原理、偵察及抗干擾性能的仿真模擬，也不能使作戰員對雷達機理和性能有更深層次的認識和理解，限制了雷達進一步的戰術使用和效能發揮[1-2]。

為有效解決炮位偵察校射雷達在研制和訓練中面臨的上述難題，本文提出通過仿真構建雷達探測模型，為充分體現在自然環境及復雜電磁干擾環境的前提下，構建一種針對該型雷達探測過程的建模與仿真方法，利用計算機仿真技術的可控制性、可重復性、無破壞性、安全性、經濟性等優點，對炮位偵察校射雷達的技術與戰術運用等進行仿真與效能評估重現雷達系統的動態工作過程，為雷達的研制與訓練工作提供了理論指導，對提高雷達戰斗力具有重大意義。

1 炮位偵察校射雷達基本原理及仿真要求

炮位偵察校射雷達波束掃描采用相控陣體制，雷達天線向空中輻射形成的針狀波束按照功能分為搜索、確認和跟蹤三種波束，主要有兩種工作模式：一是對敵方炮位進行偵察； 二是對己方炮彈炸點進行校射[3-4]。雷達進行對敵炮位偵察時，天線輻射波束沿地平線輪廓貼地作向上45°～90°的扇形搜索，若在某一波束位置內有敵方發射的彈丸，它的反射電磁波就被雷達天線陣接收，經雷達接收機放大，信號處理機濾除地物雜波、氣象雜波、鳥類雜波、昆蟲雜波和地面車輛等慢速運動目標的干擾信號后，如果回波強度達到檢測門限，信號處理機則檢測出彈丸目標，并向雷達控制計算機報告目標的距離和多普勒濾波器號。計算機根據波束編排的原則，立即向該目標發出確認波束，經確認無誤后，啟動起始跟蹤程序對該目標進行跟蹤，直至能夠穩定無誤地進行跟蹤時即轉入正常跟蹤。在跟蹤點的時間間隔內，可安排搜索波束，確認波束，第一、第二、第三、……個目標的跟蹤波束，雷達取得監視空域內的各彈丸軌道數據后，可根據這一段彈道以反向外推法計算出彈丸的發射點，即敵炮陣地坐標。

在校射模式下，雷達波束搜索己方彈丸，在彈道的降弧段對彈丸進行跟蹤，其軌道的建立、平滑濾波、計算機外推和高程修正都與對敵工作方式相同，只是計算機沿著彈道軌跡作正向外推算出己方彈丸在預先設置的低基準面的彈著點坐標并進行高程修正，從而得出精確的地面坐標，供己方炮兵修正射擊諸元用。

根據炮位偵察校射雷達的工作原理，對其建模仿真主要有以下幾點要求：

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

2)調度合理的波束資源管理。炮位偵察校射雷達面臨多種作戰任務，波束需要同時進行搜索、確認和跟蹤，根據作戰任務的緊迫程度，需要合理地分配波束資源方案。

3)過程完整的雷達工作流程。為加強訓練的針對性和深度，全過程采用相參信號仿真，加深對理論理解。

2 炮位偵察校射雷達偵察模型構建

根據前文所述炮位偵察校射雷達的基本工作原理及建模要求，在充分考慮雷達的性能參數、受干擾情況、自然環境等因素，完整地模擬雷達對當前戰場空間內作戰目標的探測及數據生成過程，本文將炮位偵察校射雷達模型構建流程[5-6]分為如下過程。

首先，炮彈目標經過目標過濾，主要包括彈道諸元計算、預處理、門限檢查、視場檢查和地形遮蔽檢查等操作；然后，進行波束資源管理。主要包括跟蹤波束、待確認波束及搜索目標波束分配等步驟；隨后，進行接收機模擬和天線模擬，充分考慮天線增益損耗；再次，模擬大氣降雨等自然環境，進行環境效應模擬，再模擬雷達受干擾效果；接著進行探測判決并進行點跡生成，主要是根據雷達方位和距離分辨率，處理已發現的目標信息，對于方位和距離都在同一分辨率門范圍內的目標點跡根據目標能量進行合并，生成探測點跡，并計算點跡質量；最后，進行航跡管理和位置誤差計算，維護射擊動作列表，進行目標自動禁止處理，遞推彈道，形成炮位或炸點情報并上報，完成數據處理器模擬。具體流程如圖1所示。

圖1 炮位偵察校射雷達模型信息處理流程

3 偵察模型關鍵技術

3.1 作戰環境生成

作戰環境生成主要包括彈道模擬、雷達外部環境數據生成等。

3.1.1 彈道模擬

根據火力打擊單元輸入的射擊諸元指令和戰情產生軟件產生氣象數據的風速信息可以計算出炮彈彈道。

計算可得炮彈坐標和目標與雷達距離、方位和高度為

(1)

(2)

其中：R為目標相對雷達距離；{rx,ry,rz}為雷達坐標；{tx,ty,tz}為目標坐標；α為目標相對雷達方位角；θ為目標相對雷達俯仰角；ha為雷達高度，ht為目標高度，單位均為m。

3.1.2 雷達環境特性模塊

1)干擾信號，主要考慮壓制干擾

根據雷達方程和雷達的體制特點，在對目標回波信號進行模擬時，可以簡單地將目標看作是點目標，回波因子的計算公式為

(3)

2)大氣誤差

根據大氣衰減系數和降雨速度等，計算大氣吸收損耗La。

計算公式為

La=10LdB/20

(4)

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

(5)

RE=3/sin(φc)

(6)

(7)

其中：ka為標準大氣衰減系數(標準單位)；kR為氣象系數(標準單位)，根據瑞利散射理論，ka和kR與雷達頻段存在對應關系，可直接查找相關頻率對照表得到數值；φt為目標仰角；r為降雨速率；R為目標與雷達距離。

3)雨雜波

炮位偵察校射雷達所受到的主要雜波是空中的雨雜波，其雜波功率計算為

(8)

其中：K1為常數；Pt為發射功率；r為降雨速率；Lp為極化損失。

3.2 波束資源分配

雷達探測模型主要負責對目標進行探測，包括波束管理和數據處理。

波束資源管理的功能主要是根據目標的特點，動態分配相控陣雷達的波束資源。相控陣雷達在一段時間內總的能量是固定的，該段時間內所有跟蹤目標、待確認及被搜索目標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、作戰任務、資源調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 炮位偵察校射數據處理

為形成穩定的目標航跡，并進行多目標跟蹤。炮位偵察校射雷達的數據處理模塊的處理流程如圖3所示。主要包括射擊動作列表維護、目標自動禁止處理和彈道外推[7]。

圖3 數據處理流程圖

1)射擊動作列表維護

射擊動作列表維護模塊主要按照時刻將炮彈射擊后的動作列表轉換為炮彈的空間位置填入目標鏈表中。判斷雷達處于炮位偵察模式還是校射模式。如果雷達處于炮位偵察模式，再判斷炮彈處于上升段還是下降段，如果炮彈處在上升段，進行彈道遞推計算和彈道列表維護。反之，如果炮彈處在下降段，則清除彈道，流程結束。如果雷達處于校射模式，再判斷炮彈處于上升段還是下降段，如果炮彈處在下降段，進行彈道遞推計算和彈道列表維護。反之，如果炮彈處在上升段，清除彈道，流程結束。

2)目標自動禁止處理

當處于炮位偵察模式時，需要進行自動禁止處理，主要是防止發射炮彈過多導致雷達飽和，自動禁止處理主要為在對跟蹤的一組數據進行軌道計算后，將該軌道同已有的彈道軌道進行比較，當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較多時，說明所發現的目標可能是已確認的陣地發射的，則所算出的軌道丟棄，不再進行彈道遞推。

3)彈道外推

彈道外推模塊在偵察模式時，如果雷達沒有自動禁止處理，當彈道點數大于5點時，可以根據得到的彈道點推算炮陣地位置。在校射模式時，當彈道點數大于5點時，可根據彈道點跡推算出炮彈落點。

為了得到外推數據，需要對彈道點數據進行最小二乘擬合，以偵察模式為例，先將彈道點投影至地面坐標系水平面xoy，假設這些投影點大致接近一條直線，認為該直線為擬合彈道在地面的投影，將該直線方程設為

y=ax+b

(9)

根據最小二乘理論，得到

(10)

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

(11)

根據式(11)可求出常數a、b，從而確定直線方程。

將彈道點投影至擬合彈道面(即前面所求直線方程所在面，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方程，為分析問題的方便可直接在平面坐標系中分析確定炮位，按照同樣的方法可確定炸點。

4 軟件仿真

炮位偵察校射雷達仿真軟件采用VC++ 6.0進行編程，利用VC++的文檔/視圖框架結構，從而便于整個軟件的管理和維護。其中仿真運行支撐平臺負責炮位偵察校射雷達仿真軟件子模型調用，此外仿真運行支撐平臺還負責子模型間的信息交互，如果進行分布式仿真，則具有計算機網絡初始化的功能。仿真后運行的總體效果如圖4所示。該圖為軟件運行想定后界面，界面左上方為軟件生成雷達實體列表，右上方顯示雷達1在地圖上的位置，顯示界面左下方顯示雷達情報和雷達工作狀態，界面右下方通過B顯方式顯示火力單元陣地坐標。

圖4 軟件仿真結果顯示

5 結束語

本文對炮位偵察校射雷達的探測流程進行了系統建模，在分布式仿真框架上進行了軟件開發，軟件具備較高擴展性。建模理論科學合理、仿真結果可靠，為部隊開展雷達訓練提供了一種新的途徑。