機載相控陣雷達的數據處理建模與仿真

雷張華 謝 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

機載相控陣雷達的數據處理建模與仿真

雷張華 謝 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

針對機載相控陣雷達數據處理模塊化的建模與仿真問題，文章首先對仿真平臺的對比、坐標變化的必要性、數據處理的特點作了簡單的介紹；然后詳細地闡述了坐標系定義及變換過程，數據處理模塊設計方法；最后分析驗證了飛機目標經過數據處理后的誤差結果和航跡顯示。通過對機載雷達數據處理模塊化的算法研究，不僅提高了軟件產品的開發效率和可靠性，而且豐富了機載相控陣雷達仿真系統的組件庫。

坐標變換；數據處理；模塊化建模和仿真

Abstract: Aiming at modeling and simulation issue of airborne phased array radar data processing modularization, firstly, the comparison of simulation platform, necessity of coordinate transformation and characteristic of data processing is introduced briefly; then the definition of coordinate system and process of coordinate transformation and designing method of data processing module is depicted in detail; and finally, the error result and track display of aircraft target is analyzed and verified after data processing. Efficiency and reliability of developed software product is not only improved, but also assembly library of airborne phased array radar simulation system is enriched via studying algorithm of airborne radar data processing modularization.

Keywords：coordinate transformation; data processing; modularization modeling and simulation

0 引言

在軍用領域中，利用軟件平臺對某型號軍品的工作原理進行模擬仿真發揮著日益重要的作用。不僅可以對模塊進行建模和仿真，而且可以對仿真結果進行分析和評估。雖然MathWorks公司的SIMULINK平臺、安捷倫公司的ADS平臺可以直接用圖形來搭建模型，直觀且易擴展，但是與其他仿真系統聯調時兼容性不強，交互比較困難；而本文使用微軟公司的Visual Studio 2010平臺則能生成雷達功能模塊的動態鏈接庫文件，可實現標準化、模塊化建模，仿真速度快、兼容性好。

數據處理的航跡管理功能即是對目標建立一個檔案，保存目標信息，不僅可以對目標進行連續穩定的跟蹤，而且可以對當前檢測點跡與已有航跡進行關聯。因為在不同的坐標系下定義不同的飛機運動模型，為了保持空間一致性，并以大地坐標系為慣性參考系，因此要通過坐標系變換，統一到共同的坐標系下進行計算。相控陣雷達的天線通過改變輻射單元的相位控制產生的波束指向來探測目標[1]，掃描方式是電掃，所以相控陣天線具有波束捷變、跟蹤精度高等優點，可根據監測空域內目標的數量合理配置雷達天線回訪時間，而相控陣機載雷達的主要工作模式是TAS(Track And Search)，即搜索加跟蹤模式，所以在數據處理模塊中要對搜索、確認、跟蹤、小搜這四種不同的事件類型進行合理的轉換。

本文將標準化、模塊化建模的思想應用到數據處理建模設計中，不僅可以豐富雷達仿真系統組件庫，更能提高軟件產品研制效率，保證軟件質量和可靠性。

1 機載雷達的坐標轉換方法

1.1 坐標系定義

圖1 坐標系示意圖

(1)大地坐標系：如圖1所示，空間目標所處在空間T點處，在大地坐標系下用(B，L，H)表示，其中B代表目標點的緯度，L代表點目標的經度，H代表目標T點在法線方向上與地球球面的絕對距離，即高度。

(2)地穩系：目標機和載機分別以某固定點為坐標原點的北東地直角坐標系OXYZ，X、Y、Z分別代表北向、東向、地向坐標。

(3)地滾系：是目標飛機以當前載機質心為原點的北東地直角坐標系，該坐標系的原點隨載機雷達位置的改變而改變。

1.2 坐標系變換

仿真時，按如圖2的轉換流程進行坐標轉換，已知載機和目標機的大地坐標，以載機初始時刻位置為原點[1]，建立目標的北東地直角坐標系，再建立一個飛機運動模塊，分別根據載機和目標機的北、東、地三向速度，實時計算機載雷達和目標飛機的北東地坐標，然后以機載雷達為原點建立目標點的北東地坐標系，再考慮目標飛機的偏航角、爬升角、橫滾角這三個姿態角[3]對坐標轉換的影響，求出機體坐標系下目標機的北東地坐標，接著考慮有源相控陣雷達天線安裝角的影響，最后根據此時北東地坐標算出球坐標系下目標飛機相對于機載雷達的徑向距離(PlaneR)、方位角(PlaneAzi)、俯仰角(PlaneEle)。

圖2 坐標轉換流程圖

(1)由大地測量學知，在WGS84(World Geodetic System 1984)坐標系[4]中，以地心原點為坐標原點，得到地穩系(X，Y，Z)和大地坐標緯經高(B，L，H)之間的關系，規定X指北向、Y指東向、Z指地向。

上式中，RN是地球的卯酉圈曲率半徑，a表示地球長半軸的長度6378137m，b表示地球短半軸的長度6356752.3142m，e是地球第一偏心率常數錯誤！未找到引用源。

在工程應用中，可以利用下面公式，直接將目標飛機的經緯高轉到以載機為原點的北東地地滾系。設置載機的經緯高度坐標為(Jr，Wr，Hr)，目標機的經緯高度坐標為(Jt，Wt，Ht)，而經線上的每分代表1853.2m，所以，目標機相對于載機的北東地坐標(XNorth，YEast，ZDown)為：

(2)從目標機相對于載機的地滾系下的北東地(XNorth，YEast，ZDown)坐標轉換到機體系(X4，Y4，Z4)的變換過程為：

第一步，考慮偏航角(yaw)對坐標轉換的影響：

第二步，考慮爬升角(pitch)對坐標轉換的影響：

第三步，考慮橫滾角(roll)對坐標轉換的影響：

(3)考慮相控陣天線安裝角(kesh)對坐標轉換的影響：

一般情況下天線安裝角設置為零，此時，X5=X4，Y5=Y4，Z5=Z4。

(4)最后，求出目標機在球坐標系下相對于機載雷達的徑向距離、方位角、俯仰角：

PlaneAzi=atan(Y5，X5)

2 機載雷達的數據處理

數據處理模塊的主要任務如圖3所示，信號處理模塊的輸出即目標檢測結果作為數據預處理模塊的輸入數據，經過數據預處理、航跡管理(起始、關聯、維持、終結)、坐標反轉換、點跡濾波、事件轉換這五個小模塊，得到目標檢測信息經過數據處理模塊的濾波輸出。

圖3 數據處理模塊的流程圖

(1)數據預處理

對目標檢測點跡信息進行數據預處理，刪除虛假點跡，而虛假點跡的主要產生原因是重復檢測同一個目標的情況?？赡苁抢走_在搜索過程中在相鄰波位都能檢測到的已有目標，以第一次檢測到的目標信息為準點跡信息；有可能在跟蹤過程中重新搜索到與已有目標信息能關聯上的新目標，則不處理該點跡信息，而應執行其他事件；若是小搜事件，只處理能夠搜索到的，且幅值最大的一個點跡信息。

(2)航跡管理

航跡管理是要將準目標信息和已建立好的航跡進行門限關聯，然后按判定結果決定航跡起始、航跡維持或航跡終結。

第一，航跡管理其實是一個配對的過程。在搜索過程中搜索到新目標和已有目標的航跡信息在距離、方位、俯仰三維進行共同關聯，若關聯成功則更新航跡信息；若關聯失敗，則需起始一條新的航跡。更新點跡信息時，要將準目標信息，即是在球坐標系下的距離、方位、俯仰角信息反轉到地穩系下的北、東、地三向位置坐標，采用卡爾曼濾波技術[6]進行濾波和預測，以便獲得最佳估計。

第二，如果在跟蹤過程中，目標丟失，則進入小范圍搜索過程，若小搜不到目標，則判為航跡終結。目標丟失的原因有：目標飛離雷達威力范圍，或目標強烈機動飛出跟蹤濾波波門。如果在敵我作戰中，敵機目標被我方飛機上的武器擊落，仿真中敵機目標被判航跡終結。

(3)事件轉換

在卡爾曼濾波后，要進行事件類型的轉換。對于機載相控陣雷達而言，有四種事件類型：搜索、確認、跟蹤、小搜。搜索是指對預先設定好的飛機掃描最大區域，在正弦空間坐標系下用交錯波束編排方法進行波位編排。如圖4所示，圖中橫縱坐標為弧度單位，轉換為度則為方位范圍(-30°，30°)，俯仰范圍(-5°，5°)，共安排了78個交錯波位。當天線波束以電掃方式遍歷空域時，搜索目標。剛開始為搜索事件，直到連續兩次搜索到新目標后，才把事件類型轉為確認事件。確認事件后，再次檢測到目標點跡，且和已有航跡關聯成功，在進行點跡濾波后把事件類型由確認轉為跟蹤，跟蹤事件的天線指向來自于執行確認事件中濾波器輸出的方位角和俯仰角的預測值。小搜事件指對目標進行跟蹤事件時目標丟失，天線指向為上一個跟蹤狀態下濾波器輸出的方位角和俯仰角的預測值。此時若重新搜到目標，則轉確認事件，再次跟蹤，若沒有重新搜索到，則判定目標丟失，航跡終結。此時事件轉換小模塊需要和復雜的資源調度模塊來聯合安排這些事件的轉換，轉換過程如圖5示：

圖4 波位編排圖

圖5 事件轉換過程示意圖

在實際應用中，兩個或以上的多目標互相靠近時，關聯的過程就變得復雜。要么是單個點跡位于多個波門內，要么是多個點跡位于單個目標波門內，目前對此類問題有兩種解決方法[7]：一種是最近鄰域法，另一種是全鄰域法。此處采取最近鄰域法中的距離最近優先準則進行航跡關聯處理，此方法易于工程實現，它選用落入波門內與航跡預測點統計距離最近的點跡分配給航跡，進行航跡維持。

數據交互功能作為輸入輸出信息交互，根據具體的實際應用，可提供多種通信接口模塊。在軟件仿真中，輸入輸出接口寫成矩陣格式較為方便，模塊內部初始化參數可寫在XML表里或數據庫里；若跟其他平臺進行交互時，設計師可使用以太網、光纖網等通信接口連接[8]。

3 仿真數據分析

基于Visual Studio 2010平臺，用數據處理模塊對目標的航跡管理進行驗證。由表1知，設置藍方1和藍方2飛機的初始緯度、經度、高度完全相同，藍方1、藍方2、紅方1飛機以各自的三向速度做勻速運動。

表1 目標初始位置參數

圖6為紅方1雷達的B顯界面[4]，橫軸表示相控陣天線方位維上的掃描區間(-60°，60°)，縱向代表目標飛機相對于載機的徑向距離，藍色小方塊表示機載雷達實時的掃描波束，紅色圓點表示機載雷達實時探測到的藍方目標信息。

圖6(a) B顯界面示意圖

圖6(b) B顯界面示意圖

由于藍方1和藍方2的初始緯度、經度、高度相同，北向速度雖然方向相同，但大小不同，如圖6(a)示，剛開始兩個目標顯示結果為一個共同的圓點；又因為藍方2飛得比藍方1快，過一段時間后，如圖6(b)示，兩個目標在界面上就可以獨立顯示。從而驗證了兩個距離較近的目標可以通過最近鄰域法區分，且成功地完成了對目標的點跡管理進行實時更新。

進而對單目標的數據處理輸出的濾波徑向距離和真實目標信息做誤差分析。如圖、圖8所示，橫軸代表采樣點數目，縱軸分別代表距離、角度誤差值。徑向距離誤差在50m內，方位角度誤差在0.2°內，進而證明了坐標轉換的正確性。

圖7 徑向距離誤差圖

圖8 方位角誤差圖

4 結束語

本文介紹了一個采用坐標轉換實現空間數據對準，最近鄰域法關聯的機載雷達數據處理方法，實現了對多目標進行跟蹤的實例。從仿真結果可以看出，該方法實現簡單，應用靈活。標準化、模塊化的設計架構符合“低耦合，高內聚”特點，可豐富仿真組件庫，可逐步適應現代戰爭對雷達數據處理軟件復雜化、智能化發展的要求，具有較高的工程實用價值。

[1] M.I Skolink. Introduction to Radar Systems[M] (third edition). McGram-Hill Book Co，2004.

[2] 楊萬海. 雷達系統建模與仿真[M]. 西安：西安電子科技大學，2007.

[3] 賁德，韋傳安，林幼權. 機載雷達技術[M]. 北京：電子工業出版社，2006.

[4] 丁鷺飛，陳建春. 雷達原理(第四版)[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2009.

[5] 張艷艷，董普靠等. 雷達數據處理軟件模塊化研究[J].火控雷達技術，2013，42(2)：15-18.

[6] 王雪松，肖順平，馮德軍，趙鋒等. 現代雷達電子戰系統建模與仿真[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[7] 唐勁松，湯子躍等. 電子探測原理[M]. 北京：電子工業出版社，2013.

[8] 羅利強，張艷艷等. 雷達數據處理軟件模塊化研究[J].火控雷達技術，2013，42(2)：38-41.

ModelingandSimulationofDataProcessingforAirbornePhasedArrayRadar

Lei Zhanghua， Xie Min

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100)

TN95

A

1008-8652(2017)02-095-05

2016-10-12

雷張華(1990-)，女，碩士研究生。研究方向為微波技術。