機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)仿真系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)仿真系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

摘

要：通過(guò)對(duì)機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)原理、工作流程的研究，對(duì)其功能進(jìn)行分解和融合，轉(zhuǎn)化為目標(biāo)檢測(cè)、多目標(biāo)濾波跟蹤和任務(wù)資源調(diào)度管理等多個(gè)數(shù)學(xué)模型;著重分析研究了機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的核心模塊，其相關(guān)功能、原理和實(shí)現(xiàn)流程，以及仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提出了機(jī)載雷達(dá)仿真軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)提出的方法進(jìn)行仿真試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了模型和方法的可行性和有效性。該仿真軟件已成功應(yīng)用到工程試驗(yàn)項(xiàng)目。Key：機(jī)載雷達(dá);相控陣;仿真建模;數(shù)據(jù)融合;目標(biāo)跟蹤：TN955

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

：1006-8228（2019）06-26-05Abstract：Byanalyzingairbornephasedarrayradar'sfunctionanditsdecompositionandsynchronization，themathematicmodelssuchastargetindicationbyradar，multi-targettrackingandresourcemanagementarebuilt.Focusonthefunction，thetheoryandtherealizationprocessofthecoremodel，arealizationmethodofthesimulationsoftwaresystemforairbornephasedarrayradarispresented.Theresultofthesimulationhasvalidatedthemodelandthemethod，thesimulationsoftwaresystemhasbeensuccessfullyappliedtothetestproject.Keywords：airborneradar;phasedarray;simulationmodeling;datafusion;targettracking0引言由于現(xiàn)代空戰(zhàn)上各種復(fù)雜環(huán)境的影響，要求利用多種傳感器組網(wǎng)來(lái)采集目標(biāo)信息并加以融合，充分利用不同目標(biāo)不同頻段、各個(gè)方向的反射特性，最大限度地提取信息，滿足空戰(zhàn)需要[1，2]。對(duì)于數(shù)據(jù)融合來(lái)說(shuō)真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)和傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)，是檢驗(yàn)其有效性的最好條件。然而這樣的真實(shí)數(shù)據(jù)很少，而且成本也較高，在融合算法的前期研究和實(shí)驗(yàn)階段，就需要我們真實(shí)的模擬不同干擾環(huán)境下傳感器的探測(cè)數(shù)據(jù)。雷達(dá)分系統(tǒng)是飛機(jī)綜合火控系統(tǒng)的重要傳感器之一，也是研究空戰(zhàn)中綜合信息處理技術(shù)至關(guān)重要的數(shù)據(jù)來(lái)源之一。本文研究實(shí)現(xiàn)機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的任務(wù)調(diào)度機(jī)制和跟蹤濾波等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了能支持任意長(zhǎng)仿真時(shí)間和包括機(jī)載運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及仿真過(guò)程中切換雷達(dá)工作模式在內(nèi)的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境，同時(shí)考慮欺騙干擾環(huán)境下雷達(dá)的跟蹤處理和不同環(huán)境下雷達(dá)誤差的在線模擬，為研究機(jī)載雷達(dá)抗干擾技術(shù)以及多傳感器數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)提供一個(gè)靈活可控、高逼真度的數(shù)字仿真試驗(yàn)平臺(tái)。1仿真系統(tǒng)模塊與流程設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)按組成結(jié)構(gòu)分為戰(zhàn)場(chǎng)虛擬目標(biāo)及狀態(tài)仿真軟件和雷達(dá)動(dòng)態(tài)探測(cè)仿真軟件兩大部分。其中，戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)仿真軟件用于制作想定，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行布站，以及提供目標(biāo)速度、位置、航跡、型號(hào)以及目標(biāo)所搭載的輻射源信息等。雷達(dá)探測(cè)仿真軟件接收目標(biāo)仿真軟件產(chǎn)生的目標(biāo)原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，如計(jì)算信噪比、交匯計(jì)算等，模擬雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)處理，產(chǎn)生雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)，成為后端融合處理系統(tǒng)的輸入，軟件結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系如圖1所示[3]。雷達(dá)探測(cè)功能仿真是通過(guò)仿真目標(biāo)回波、接收機(jī)噪聲、干擾、雜波等信號(hào)的幅度信息來(lái)復(fù)現(xiàn)雷達(dá)的檢測(cè)過(guò)程，一般采用基于MonteCarlo的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。主要是根據(jù)目標(biāo)與雷達(dá)的交會(huì)幾何關(guān)系計(jì)算信號(hào)及干擾的功率。因此，需要對(duì)目標(biāo)與雷達(dá)交會(huì)的幾何關(guān)系、目標(biāo)與環(huán)境、雷達(dá)檢測(cè)過(guò)程、雷達(dá)測(cè)量精度等建立數(shù)學(xué)模型。2核心模塊的分析與建模2.1雷達(dá)檢測(cè)模塊雷達(dá)檢測(cè)模塊主要功能就是獲取目標(biāo)的點(diǎn)跡和檢測(cè)信息，主要完成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、交會(huì)計(jì)算、檢測(cè)計(jì)算等任務(wù)。設(shè)置雷達(dá)天線的方位、俯仰范圍，天線增益、波束寬度、發(fā)射功率等參數(shù)等計(jì)算雷達(dá)的探測(cè)范圍，通過(guò)與目標(biāo)的交會(huì)判斷，目標(biāo)回波功率、噪聲功率、信噪比、檢測(cè)及虛警概率的計(jì)算完成雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)功能。⑴坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換由于目標(biāo)和雷達(dá)平臺(tái)的位置參數(shù)都是在大地坐標(biāo)系下給出的，為了得到目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)平臺(tái)的位置和速度信息，需要將目在標(biāo)大地坐標(biāo)系下的位置和速度轉(zhuǎn)換到天線陣面直角坐標(biāo)系。⑵交會(huì)判斷搜索時(shí)，利用俯仰和方位波束信息來(lái)判斷;當(dāng)目標(biāo)已被跟蹤上時(shí)，可以預(yù)測(cè)到目標(biāo)的距離和速度時(shí)，就可以利用距離波門(mén)、速度波門(mén)、俯仰及方位波束信息來(lái)判斷。假定目標(biāo)在天線陣面方位坐標(biāo)系下的位置（），雷達(dá)波束中心在天線方位坐標(biāo)下的坐標(biāo)（），方位和俯仰的波束寬度分別為，則交會(huì)成功的判斷條件為⑶檢測(cè)計(jì)算檢測(cè)計(jì)算是在計(jì)算目標(biāo)回波功率、干擾功率、噪聲功率的基礎(chǔ)上，設(shè)定合適的門(mén)限電平通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)方程得到檢測(cè)概率和虛警概率。2.2數(shù)據(jù)處理模塊雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊主要是進(jìn)行多目標(biāo)的跟蹤處理，具體包括航跡起始、航跡關(guān)聯(lián)，航跡質(zhì)量管理，以及航跡的濾波預(yù)測(cè)。⑴航跡起始以及航跡管理航跡起始方法：對(duì)于每一幀中，沒(méi)有與任何航跡相關(guān)的點(diǎn)跡，均起始一條暫時(shí)航跡，其航跡質(zhì)量為1（航跡質(zhì)量共有0，1，2，3四等級(jí)，質(zhì)量為0時(shí)航跡終止）。①以暫時(shí)航跡的第一點(diǎn)為中心P1，VmaxT（T為雷達(dá)的掃描周期）為相關(guān)門(mén)的半徑，如果下一個(gè)掃描周期雷達(dá)在此區(qū)域觀測(cè)到新的點(diǎn)跡P2，則形成暫時(shí)航跡的第二點(diǎn)，航跡質(zhì)量升為2。②在獲得P1，P2兩點(diǎn)后，利用兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)，形成暫時(shí)航跡的狀態(tài)估計(jì)，并對(duì)第三點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以預(yù)測(cè)點(diǎn)P3'為中心。新的點(diǎn)跡落入此關(guān)聯(lián)門(mén)，航跡質(zhì)量升為3，轉(zhuǎn)化為可靠航跡。③如果沒(méi)有點(diǎn)跡落入，則外推一個(gè)點(diǎn)再做預(yù)測(cè)，關(guān)聯(lián)邏輯同上，若有觀測(cè)值滿足要求，則該航跡得到確認(rèn)，轉(zhuǎn)化為可靠航跡，否則刪除該航跡[5]。⑵航跡關(guān)聯(lián)這里采用計(jì)算量少的最近鄰域相關(guān)法，即比較相關(guān)門(mén)內(nèi)各個(gè)回波的更新向量v（k+1），使g（k+1）達(dá)到最小者被看作是真實(shí)目標(biāo)的回波。其中最近鄰域相關(guān)法按以下四條判別準(zhǔn)則進(jìn)行關(guān)聯(lián)。①若某個(gè)航跡門(mén)內(nèi)只有一個(gè)觀測(cè)量，則該航跡與此觀測(cè)量相關(guān)，而不考慮其他。②若某個(gè)觀測(cè)量已落入一個(gè)航跡門(mén)內(nèi)，則該觀測(cè)量與此航跡相關(guān)，而不考慮其他。③當(dāng)某航跡門(mén)內(nèi)含有多個(gè)測(cè)量時(shí)，該航跡與最近的觀測(cè)量相關(guān)。④當(dāng)某觀測(cè)量落入多個(gè)航跡的門(mén)內(nèi)時(shí)，該觀測(cè)量與最近的航跡相關(guān)。⑤在航跡關(guān)聯(lián)時(shí)，當(dāng)建立濾波器之后，采用橢球形相關(guān)門(mén)進(jìn)行相關(guān)。設(shè)γ為橢球跟蹤門(mén)的門(mén)限大小，當(dāng)回波Z（k+1）的范數(shù)滿足關(guān)系式g（k+1）≤γ時(shí)，稱(chēng)Z（k+1）為候選回波。⑶濾波預(yù)測(cè)考慮到目標(biāo)可能會(huì)機(jī)動(dòng)飛行，因此采用當(dāng)前比較有效的機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法交互式多模型（IMM）算法，IMM算法包含了多個(gè)濾波器（各自對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的模型）、一個(gè)模型概率估計(jì)器、一個(gè)交互式作用器（在濾波器的輸入端）和一個(gè)估計(jì)混合器（在濾波器的輸出端），多模型通過(guò)交互作用跟蹤一個(gè)目標(biāo)的機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)[6，7]。本系統(tǒng)中濾波器采用三個(gè)模型，第一個(gè)為非機(jī)動(dòng)（勻速運(yùn)動(dòng)）模型，第二個(gè)和第三個(gè)都為機(jī)動(dòng)（勻加速運(yùn)動(dòng)）模型，狀態(tài)矢量和觀測(cè)值均在地心直角坐標(biāo)系下表示。子濾波器采用Kalman濾波器。2.3資源管理模塊資源管理模塊主要實(shí)現(xiàn)各種雷達(dá)事件的產(chǎn)生，不同的工作模式對(duì)應(yīng)不同的波形和波束參數(shù)，雷達(dá)事件的調(diào)度等功能。其工作流程如圖2所示。在保證高優(yōu)先級(jí)雷達(dá)事件優(yōu)先調(diào)度的條件下，使得調(diào)度間隔內(nèi)的空閑時(shí)間盡可能少。采用自適應(yīng)調(diào)度算法，其原理具體描述如下：⑴調(diào)度器取出期望發(fā)射時(shí)間落入本調(diào)度間隔中的雷達(dá)事件，記為，將R中的雷達(dá)事件根據(jù)優(yōu)先級(jí)和期望發(fā)射時(shí)間按字典序排列，得到。用Pi'表示此集合中第i個(gè)事件請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)，t'ei表示此集合中第i個(gè)事件請(qǐng)求的期望執(zhí)行時(shí)間，應(yīng)滿足以下約束：，當(dāng)時(shí)，有。⑵取出r1'，令，送入執(zhí)行鏈表。對(duì)的事件依次分析后分別送入執(zhí)行鏈表、延遲鏈表和刪除鏈表。執(zhí)行鏈表中的雷達(dá)事件要滿足以下兩個(gè)約束條件：①，其中，ΔT'為中第i個(gè)事件請(qǐng)求的駐留長(zhǎng)度，TEQ為執(zhí)行鏈表中的事件駐留長(zhǎng)度總和;②t'si的賦值滿足下屬公式的約束。延遲鏈表中的雷達(dá)事件滿足以下約束條件：①不滿足執(zhí)行鏈表的約束條件;②，為第i個(gè)事件請(qǐng)求的時(shí)間窗。刪除鏈表中的雷達(dá)事件不滿足執(zhí)行鏈表和延遲鏈表的約束條件。執(zhí)行鏈表中的雷達(dá)事件將被送入任務(wù)處理模塊。延遲鏈表中的雷達(dá)事件送入下次調(diào)度間隔進(jìn)行再次分析。刪除鏈表中的雷達(dá)事件將被丟棄。3仿真試驗(yàn)分析為了驗(yàn)證雷達(dá)仿真實(shí)現(xiàn)的效果和關(guān)鍵算法模塊的性能，設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真場(chǎng)景，如圖3所示。載機(jī)勻速直線運(yùn)動(dòng)，初始位置（20000m，6000m，0m），飛行速度200m/s;目標(biāo)1勻速直線運(yùn)動(dòng)，與載機(jī)飛行方向夾角方位-15度，俯仰0度，初始位置（30000m，6000m，-30000m），飛行速度340m/s;目標(biāo)2勻速直線運(yùn)動(dòng)，與載機(jī)飛行方向夾角方位15度，俯仰0度，初始位置（15000m，6000m，30000m），飛行速度500m/s;目標(biāo)3拋物運(yùn)動(dòng)，與載機(jī)飛行方向夾角方位0度，俯仰30度，初始位置（40000m，5000m，20000m），飛行速度200m/s。選擇1號(hào)目標(biāo)進(jìn)行分析，在默認(rèn)系統(tǒng)誤差（由目標(biāo)RCS、信噪比和距離相互作用產(chǎn)生）下，測(cè)試?yán)走_(dá)處理效果。從圖4可以看出，在濾波器作用下，目標(biāo)1的跟蹤誤差小于檢測(cè)誤差，平滑濾波效果良好。檢測(cè)誤差變化范圍在一百米左右，跟蹤誤差變化范圍在幾十米以內(nèi)。（a）默認(rèn)系統(tǒng)誤差水平（b）人工干預(yù)誤差手動(dòng)修改跟蹤誤差水平（測(cè)距誤差100m，測(cè)速誤差20m/s，俯仰測(cè)角誤差0.005rad，方位測(cè)角誤差0.005rad），模擬不同環(huán)境下雷達(dá)的跟蹤效果。從圖4可以看出，檢測(cè)誤差變化范圍在一千米以內(nèi)，跟蹤誤差變化范圍在幾百米以內(nèi)，平滑濾波效果良好。輸入欺騙干擾，距離拖引干擾（拖引速度：1000m/s，拖引時(shí)間：5s），速度拖引干擾（拖引速度：100m/s，拖引時(shí)間：5s）。同時(shí)切換雷達(dá)的工作模式TAS/STT/MTT。（a）目標(biāo)1檢測(cè)跟蹤誤差（b）目標(biāo)2檢測(cè)跟蹤誤差雷達(dá)在TAS模式下運(yùn)行，在400s時(shí)對(duì)1號(hào)目標(biāo)進(jìn)行STT變換（拖引欺騙干擾效果從圖5（a）可知），拖引期結(jié)束后仍按照TAS模式工作，雷達(dá)仍然能穩(wěn)定跟蹤1號(hào)目標(biāo);550s之后，由于對(duì)2號(hào)目標(biāo)進(jìn)行單目標(biāo)跟蹤（拖引欺騙干擾效果從圖5（b）可知），所以1號(hào)目標(biāo)在這段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)和跟蹤點(diǎn)跡;650s之后，由于角度原因，目標(biāo)2未能交會(huì)和檢測(cè)。此后雷達(dá)傳感器轉(zhuǎn)入MTT工作模式，對(duì)1號(hào)目標(biāo)進(jìn)行搜索。TAS工作模式下，采樣時(shí)間間隔為0.05s，MTT采樣時(shí)間間隔為8s，對(duì)單個(gè)目標(biāo)TAS的跟蹤效果好于MTT模式。通過(guò)分析可知，建立的模型符合機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的工作原理和性能要求。4結(jié)論本文闡述了機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)動(dòng)態(tài)探測(cè)目標(biāo)的主要處理過(guò)程，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和相關(guān)模型給出了分析，并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。在仿真系統(tǒng)中，對(duì)目標(biāo)回波、接收機(jī)噪聲、干擾、雜波等信號(hào)進(jìn)行了模擬仿真，提出了機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真的詳細(xì)流程，同時(shí)提供了系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)修改雷達(dá)性能參數(shù)和不同工作模式的切換，使得可以方便的模擬不同場(chǎng)景和質(zhì)量的探測(cè)數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果說(shuō)明了系統(tǒng)通用模型的可行性和有效性，其軟件系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某大型空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，為空戰(zhàn)系統(tǒng)的仿真研究提供了支撐平臺(tái)和分析評(píng)估依據(jù)。目前，針對(duì)通用模型進(jìn)行功能、流程仿真研究，對(duì)其不同型號(hào)的相控陣?yán)走_(dá)模型有待作進(jìn)一步差異性分析，研究其參數(shù)特征進(jìn)行調(diào)優(yōu)試驗(yàn)。Reference（References）：[1]喬向東，李濤.多傳感器航跡融合綜述[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009.31（2）：245-250[2]HeYou，PengYingning，LuDajin.Surveyofmultisensor

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