雷達航跡處理軟件仿真測試環(huán)境構(gòu)建方法研究

龐紅彪，李欣桐，楊清華，吳一超，秦征

（中國兵器工業(yè)信息中心，北京，100089）

0 引言

雷達航跡處理軟件是現(xiàn)代雷達整機系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)處理中樞，它能夠接收雷達信息處理軟件所發(fā)送的所有點跡信息，完成目標航跡的起始、濾波預(yù)測、目標融合以及航跡輸出，而航跡處理的好壞關(guān)乎整個雷達系統(tǒng)的品質(zhì)，好的航跡處理是目標搜索和穩(wěn)定跟蹤的保證。但如何測試驗證雷達航跡處理軟件卻成了一個長期困擾的難題，具體原因如下：

a、目標的多樣性和不可獲取性：雷達需要搜索跟蹤的目標種類很多，一般來說，包括飛機（包括軍用和民用，其中軍用又分殲擊機、截擊機、強擊機、轟炸機、偵察機、預(yù)警機、武裝直升機、教練機、加油機、運輸機、艦載機、反潛機等）、火箭、導(dǎo)彈、裝甲車、坦克、無人飛機等等，每個種類又分很多具體型號，目標種類繁多；同時在實際測試過中，一般采用民航飛機或靶機來模擬目標，導(dǎo)致無法真正意義上獲取“敵方”目標數(shù)據(jù)。

b、目標大規(guī)模和數(shù)據(jù)的強實時性：雷達航跡處理軟件的多目標處理能力一般在100批左右，甚至超過1000批，而目標采集和處理周期一般在毫秒級，數(shù)據(jù)處理量大；而在實際測試過程中，通常采用一批或幾批民航飛機或靶機來模擬目標，導(dǎo)致其航跡處理能力無法驗證。

c、背景環(huán)境干擾的復(fù)雜性：目標可能出現(xiàn)的背景一般包括山地、沙漠、城市、河流以及綜合背景，并且隨著氣象變化和電氣電磁環(huán)境而導(dǎo)致目標背景環(huán)境干擾更加復(fù)雜，而在實際測試過程中，通常采用在固定場景中進行，導(dǎo)致無法逐一驗證，存在遺漏。

d、軟件運行硬件環(huán)境非獨立性：雷達航跡處理軟件一般同接收機軟件、目標檢測軟件、波束形成軟件、干擾檢測軟件和系統(tǒng)控制軟件運行在同一主板上的不同芯片上，造成許多功能性能無法直接驗證。

e、軟件工程化滯后：由于各個研制單位軟件工程化開展不均衡，導(dǎo)致許多研制方在描述軟件需求時存在描述不完整、不準確、不清晰，導(dǎo)致難驗證、漏驗證的情況時有發(fā)生。

因此，在雷達產(chǎn)品研制過程中，急需構(gòu)建一套雷達航跡處理軟件仿真測試平臺，本文就如何構(gòu)建雷達航跡處理軟件仿真測試平臺進行了探討。

1 雷達航跡處理軟件的仿真測試平臺搭建方法

在雷達航跡處理軟件仿真測試平臺設(shè)計中，航跡生成是關(guān)鍵，它為雷達航跡處理測試驗證所需的目標數(shù)據(jù)生成提供了針對性舉措，確?？衫蒙傻哪M目標測試驗證軟件對雷達數(shù)據(jù)處理方法與跟蹤算法的正確性，并以此來提高算法的有效性與可靠性。生成的目標數(shù)據(jù)必須符合飛機飛行速度與航跡特征，同時必須符合雷達測量特征，明確輸出目標的基本距離、方位、高度與受到干擾的真實狀況等。

1.1 模擬目標的選擇原則

目標種類很多，每個種類又分為不同的具體型號，而每個目標特性差異很大，并且不同雷達針對的目標不同，因此在測試驗證時非必要且不可能一一驗證，需根據(jù)不同雷達特性和要求選擇不同的模擬目標進行針對性測試驗證，具體原則如下：

a、根據(jù)雷達型號研制總要求或研制合同，確定雷達的主要作戰(zhàn)使命、典型任務(wù)剖面和作戰(zhàn)對象，選擇典型目標；

b、根據(jù)典型目標的運動特性，比如最大最小飛行速度、最大最小飛行高度、最大飛行加速度、最大飛行仰角、最大飛行滾轉(zhuǎn)角等，選擇飛行特性與之相似的目標；

c、根據(jù)雷達類型和性能，包括波段、工作帶寬、作戰(zhàn)空域等，選擇與雷達極限性能相近的目標。

1.2 模擬目標運動模型選擇

在選定模擬目標后，需要根據(jù)典型目標建立目標的運動模型，其步驟如下：

首先，根據(jù)典型目標設(shè)置每類典型目標的運動參數(shù)，比如最大最小飛行速度、最大最小飛行高度、最大飛行加速度、最大飛行仰角、最大飛行滾轉(zhuǎn)角等等。

其次，按照設(shè)置的目標運動參數(shù)，設(shè)置目標航跡產(chǎn)生模型，常用目標航跡模型如下：

a、按預(yù)設(shè)航路點直飛：是飛機巡航、飛向攻擊對象、投放炸彈、發(fā)射低空導(dǎo)彈最常用的一種方式，也是最簡單的一種航路模擬，一般說來，目標先沿著直線巡飛，當(dāng)?shù)竭_目標攻擊范圍內(nèi)，進行投彈，然后沿著一段圓弧爬升，可以將巡飛段和攻擊段飛別建立方程。其中還包括幾種特例：水平勻速直線運動、水平等加速運動、直線俯沖航路以及直線爬升。

b、水平圓弧航路（也叫盤旋航路）：飛機調(diào)準航線或?qū)Φ啬繕诉M行偵察和攻擊的另外一種主要方式，主要特點是在水平面內(nèi)做等半徑、變半徑的圓弧飛行，垂直平面內(nèi)可以升降。其中以盤旋航路所在圓弧的圓心為極點，建立極坐標系和航路方程，進入段和離去段均可以按照直線建立巡飛方程。

c、垂直平面內(nèi)的圓弧運動（也叫俯沖航路）：飛機對地面固定目標俯沖攻擊、偵察的一種主要方式，并且命中精度極高的一種方式。這種攻擊航路一般分為水平直線巡飛段、過渡段、爬升段、俯沖攻擊段、過渡段以及升空離去段，其中爬升段、俯沖攻擊段以及升空離去段均是直線運動，過渡段一般可以當(dāng)作圓弧運動。過渡段可以以所在圓弧的圓心為極點，建立極坐標系和航路方程。

（1）導(dǎo)彈類目標

可以按照導(dǎo)彈的運動分為3段：爬升段、平飛段或滑翔段、末端導(dǎo)引段，分別按照相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型建立航路。

（2）炮射彈丸、火箭類目標

炮射彈丸類、火箭類目標的飛行運動軌跡一般選擇六自由彈道模型進行模擬。不同口徑的炮射彈丸、火箭類目標，需根據(jù)目標特性，包括射程、重量等，對彈道模型的具體參數(shù)進行調(diào)整。

（3）人工實時控制飛行

人工規(guī)劃航路，將航路分為若干段，分別設(shè)置航路上主要節(jié)點的運動參數(shù)，包括飛行高度、速度、加速度、角速度，兩個主要節(jié)點之間通過節(jié)點參數(shù)按照目標的運動特性實時進行插值產(chǎn)生，以實現(xiàn)運動變化的連續(xù)性以及航跡的連續(xù)性。

1.3 干擾的形成

干擾按照干擾能量可分為有源干擾和無源干擾。其中無源干擾種類較多，一般包括箔條走廊、箔條區(qū)域、地物氣象干擾、鳥群干擾、建筑干擾等等。而有源干擾是現(xiàn)代電子戰(zhàn)中的主要方式，它是敵方有意施放的，針對性強，對雷達的破壞力也強，能夠直接進入雷達接收機和同時進入的回波信號進行抗衡，破壞雷達正常工作，可分為壓制式和欺騙式。壓制式干擾按信號寬度可分為阻塞式、瞄準式和掃頻式；按噪聲調(diào)制方式可分為射頻噪聲干擾、噪聲調(diào)幅干擾、噪聲調(diào)頻干擾、噪聲調(diào)相干擾、隨機脈沖干擾等。欺騙式干擾包括距離欺騙、角度欺騙、速度欺騙以及距離速度同步干擾等方式。也可以根據(jù)雷達體制進行組合干擾。

干擾信號的選擇也可以根據(jù)雷達特性進行，一般選擇與雷達接收機噪聲具有相似正態(tài)分布且具有最大遮蓋性熵的噪聲作為噪聲干擾信號，經(jīng)過加權(quán)調(diào)制而成。

1.4 多目標模擬能力

a、單雷達多目標能力：模擬同一雷達同時搜索跟蹤多批目標；b、多雷達單目標能力：模擬多部雷達同時搜索同一目標的情況；c、多雷達多目標能力：模擬多部雷達同時搜索多個目標的情況。

2 對原始點跡與實時方位的記錄分析

在雷達航跡處理軟件的測試過程中，需要記錄大量雷達數(shù)據(jù)，一般以當(dāng)天日期為作為系統(tǒng)平臺模塊記錄文件名，將接收到的雷達點跡或模擬目標點跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到硬盤中，在每經(jīng)過一個方位扇區(qū)就插入一個表示方位扇區(qū)號的同步碼，可實現(xiàn)對原始點跡的實時方位動態(tài)監(jiān)測與記錄,主要用于事后分析，并尋找出雷達航跡數(shù)據(jù)處理中軟件缺陷。因此必須具備如下功能：

a、可通過記錄重演文件進行重演，并顯示重演時間與進度條內(nèi)容，默認的重演速度應(yīng)該為1:1，結(jié)合方位扇區(qū)的同步碼，隨時改變重演速度，以找到可能引發(fā)錯誤問題的條件，通常提供10檔重演速度選擇，包括1～9、48倍速。

b、可提取一次、二次雷達點跡數(shù)據(jù)，也包括對詢問機點跡的處理，通過表格、繪圖等方式繪制趨勢，進行數(shù)據(jù)分析。

2.1 數(shù)據(jù)記錄設(shè)計方法

如前文所述，雷達航跡處理測試環(huán)境構(gòu)建平臺中涵蓋了多種待處理的數(shù)據(jù)類型，包括一次雷達點跡、二次雷達點跡、詢問機點跡等，它們均存在于方位扇區(qū)中，應(yīng)結(jié)合距離、時間、方位、應(yīng)答高度、應(yīng)答代碼等指標展開測試，建立航跡扇區(qū)管理體系，同時對方位扇區(qū)中的方位扇區(qū)號、時間等等進行全面記錄。

首先，考慮到一次雷達點跡、二次雷達點跡以及詢問機點跡存在較大差異，因此需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，保證點跡背景、距離、方位位置、方位寬度、高度等滿足設(shè)計要求，根據(jù)可獲取點跡背景判斷其點跡類型。如在點跡類型為0的一次雷達點跡中，需要根據(jù)點跡背景與其他比特位內(nèi)容表達其波束號、雷達工作參數(shù)等等重要參數(shù)指標；點跡類型為1表示其數(shù)據(jù)而二次雷達所獲得點跡，如果點跡類型為2表示數(shù)據(jù)為詢問機點跡，需要對它們的點跡背景進行分析，包括比特位、距離厚度、方位寬度、多普勒速度、幅度等等展開分析；如果點跡類型為3則表示數(shù)據(jù)在方位扇區(qū)中，此時同樣需要對其點跡背景進行分析?？傊褪且`活合理應(yīng)用雷達航跡處理軟件處理某些實時數(shù)據(jù)，并記錄形成數(shù)據(jù)文件，主要用于事后回放操作與雷達航跡處理的計算、操作設(shè)計流程中[2]。

2.2 航跡處理數(shù)據(jù)重演設(shè)計應(yīng)用

雷達航跡處理軟件中是包括諸多組成部分的，其中最核心的4類線程就包括了主線程、時間線程、方位線程以及網(wǎng)絡(luò)通信線程。

其中主線程主要負責(zé)實施數(shù)據(jù)解析、航跡起始監(jiān)測、點航相關(guān)、濾波預(yù)測以及航跡輸出等過程內(nèi)容。同時它的數(shù)據(jù)解析也會針對一次雷達、二次雷達和詢問機點跡展開解析，并申請相應(yīng)的點跡鏈表，還可實現(xiàn)對某些戰(zhàn)術(shù)干預(yù)操作的命令內(nèi)容解析。具體來講，當(dāng)雷達航跡起始點對點跡鏈表產(chǎn)生影響時，就要對點跡的幀間相關(guān)內(nèi)容進行分析，在目標點跡成功積累若干幀，看其是否已經(jīng)滿足了航跡起始條件要求，是否已經(jīng)生成了目標航跡。

再以點航相關(guān)指標為例，如果專門實施目標點跡與航行點跡的相互配對，則需要通過濾波預(yù)測點跡相關(guān)的目標點跡與航跡內(nèi)容，在完全濾波處理后才能對目標航跡的移動位置實施動態(tài)預(yù)測，并同時展示航跡輸出的雷達航跡線路，采用方位線程對雷達方位內(nèi)容進行科學(xué)處理。在該過程中，時間線程是可以根據(jù)系統(tǒng)時間隨意累加處理的，再通過網(wǎng)絡(luò)通信線程進行網(wǎng)絡(luò)報文與數(shù)據(jù)整理。

方位線程是可以實現(xiàn)對雷達政績系統(tǒng)的全時段、全方位有效解析的，可設(shè)置雷達系統(tǒng)方位為360°且完全輻射64個扇區(qū)，此時就能夠做到對真實數(shù)據(jù)的回放重演。在該過程中，每當(dāng)雷達方位掃描通過一個扇區(qū)循環(huán)時系統(tǒng)就讀取一次記錄數(shù)據(jù)文件，而扇區(qū)所記錄的所有數(shù)據(jù)內(nèi)容都會形成一次、二次雷達點跡，且點跡能夠被插入到點跡鏈表中保存。再者，還可根據(jù)扇區(qū)的實際方位與記錄信息時間進行系統(tǒng)調(diào)整，第一時間合理有效校正存在于線程中的系統(tǒng)時間累計結(jié)果。當(dāng)主線程在點跡鏈表起始位置時，就可以展開點跡相關(guān)、航跡輸出、濾波預(yù)測等等過程，主要對航跡的處理軟件真是數(shù)據(jù)內(nèi)容進行回放重演處理，保證做到雷達航跡處理測試軟件滿足技術(shù)要求，其所構(gòu)建的環(huán)境處理算法與操作設(shè)計測試內(nèi)容都能圍繞平臺展開，有效簡化工程工作流程，并發(fā)現(xiàn)、解決存在于軟件實際運行環(huán)境中所存在的各種技術(shù)缺陷問題[3]。

最后，還要在平臺搭建完畢后進行點跡數(shù)據(jù)回放開關(guān)重演計算，結(jié)合點跡數(shù)據(jù)建立雷達點跡曲線，并實現(xiàn)航跡處理軟件功能模塊的全方位測試覆蓋。