雷达仿真模型层级定义与架构设计_吴志乾.pdf

8 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 Research and Design 研究与设计0 引言 未来随着国内各工业部门向数字化研发的全面转型，数字模型将贯穿研发的全流程。目前，针对全流程中模型在不同阶段如何设计与应用，不同研发阶段与不同种类的装备模型如何集成开展仿真，研究较少。同时各工业部门在模型库的建设过程中，未遵循统一的标准，导致模型的重用与互操作性差1-3。针对以上问题，本文聚焦雷达仿真模型，分析了不同研发阶段对雷达仿真模型的应用需求。同时提出了雷达仿真模型的一般性设计原则，并基于这些原则，对通用化的组件与仿真模型架构开展了设计。1 雷达仿真模型的阶段应用本文提到的雷达仿真模型，特指雷达装备在装备论证、研制生产、试验鉴定、运用保障过程中，反映雷达在战场环境下整体功能、性能的模型，一般作为仿真推演环境、虚拟试验中的仿真实体存在，可划分为战略,战役,战术和技术4个层级4。由于战略筹划阶段的推演仿真关注作战体系整体能力的比较，此时雷达装备作为预警探测装备体系的一部分，不需要单独建模，而是抽象成预警探测装备体系在不同场景下的典型探测能力。装备论证阶段，开展装备体系对抗仿真，即战役级仿真时，主要采用任务级雷达仿真模型；针对典型交战场景开展推演仿真即战术级仿真时，主要采用交战级雷达仿真模型。设计研发阶段主要采用交战级、信号级雷达仿真模型。试验鉴定阶段主要利用信号级雷达仿真模型，采用适应实装的接口、算法，通过虚拟战场环境的构建，检验雷达的实际性能。运用保障阶段则按需使用各层级模型。2 雷达仿真模型设计原则主要考虑三点：纵向一致性、组件化建模、真实性与效率兼顾。纵向一致性指雷达仿真模型采用统一的模型框架，在装备全生命周期应用时功能、性能保持统一。组件化建模使设计成果尽量可在不同项目复用5。真实性与效率平衡指雷达仿真模型不同层级的仿真颗粒度不同，如任务级雷达仿真模型，场景中实体类型多，数量大，此时雷达仿真模型一般为秒量级。交战级雷达仿真模型，以波位驻留作为计算步长，一般为微秒级与毫秒级。信号级雷达仿真模型，计算步长一般为纳秒至微秒量级。3 通用组件设计从实际的雷达设计提炼，雷达仿真模型装备可分为状态组件、交互组件、决策组件、传感组件。作者简介：吴志乾，南京电子技术研究所，工程师，博士；研究方向：雷达设计与仿真。收稿日期：2022-11-03；修回日期：2022-12-23。摘要：阐述仿真模型中的层级定义不明确，层级间、型号间架构不统一问题，结合雷达仿真模型设计的论证和工程经验，提出雷达仿真模型的层级定义与设计原则，同时利用统一建模语言（UML），设计一套组件化的通用雷达仿真模型架构，探讨不同层级雷达仿真模型的计算过程。关键词：雷达仿真，架构设计，UML，基于模型的系统工程。中图分类号：TN955，TP391.9 文章编号：1674-2583(2023)01-0008-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.003文献引用格式：吴志乾，吴久涛，李圣衍，姚菁晶，周谷.雷达仿真模型层级定义与架构设计J.集成电路应用,2023,40(01):8-10.雷达仿真模型层级定义与架构设计吴志乾，吴久涛，李圣衍，姚菁晶，周谷(南京电子技术研究所，江苏 210039)Abstract This paper introduces that simulation model generally has the problems of an unclear definition of levels and inconsistent structure between levels and models.In view of these problems,combined with the demonstration and engineering experience of radar combat simulation model design,the hierarchical definition and design principles of the radar combat simulation model are proposed.Meanwhile,a set of componentized general radar combat simulation models is designed using the Unified Modeling Language(UML).The model architecture is designed,and the main calculation process of different levels of radar combat simulation models is introduced.Index Terms Radar simulation,architecture design,UML,MBSE.Design of Hierarchical Definition and Architecture of Radar Simulation ModelWU Zhiqian，WU Jiutao，LI Shengyan，YAO Jingjing，ZHOU Gu(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Jiangsu 210039,China.)集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 9Research and Design 研究与设计 3.1 状态组件状态组件对雷达在物理世界中整体状态进行设置与查询。可包括机动组件、形态组件、开关机状态组件、健康状态组件等。机动组件描述了雷达装备的实时位置、姿态、阵面指向等信息。形态组件应为枚举类，描述了雷达当前处于运输、架设、撤收的信息。健康状态组件描述了雷达装备的战损、维修信息。状态组件的分类、基本接口如图1所示。3.2 交互组件交互组件描述了雷达装备与战场其他对象的信息交互，分为真实交互与抽象交互。真实交互指物理世界中存在的通信过程，包括雷达通过通信组件与指挥控制中心通信、与战场我方武器装备通信。通信组件设计时，尽量采用与实际装备相同的报文格式。抽象交互是为了保证仿真的推进与真实性而开展的交互，其具体实现包括与环境模型交互组件、仿真引擎交互组件。为了确保仿真的真实性，目标回波、我方装备的无意干扰、敌方装备的有意干扰，由雷达模型计算，而应传入环境模型，由环境模型进行电磁传播仿真后，传入雷达模型6。仿真引擎向雷达传递仿真起止、仿真步长、时统、目标真值等信息。交互组件的分类、基本接口如图2。3.3 决策组件描述了雷达装备的控制、调度过程。决策组件包括调度控制组件与作战规则组件。调度控制组件是对物理世界中雷达调度、雷达控制组件的刻画，主要功能是控制雷达的工作模式、工作方式、工作参数，一般具有图形交互界面。作战规则组件刻画了雷达操作员对作战条令的执行过程。决策组件的分类、基本接口如图3所示。3.4 传感组件传感组件描述了雷达对目标进行探测并判断可见性的过程，其设计在第4节进行详细讨论。4 架构设计三种层级的雷达仿真模型可采用相同的基本架构，如图4所示。交互编号1中，交互组件向状态组件传递来自仿真引擎的机动设置，战损设置；状态组件向交互组件传递机动状态，战损状态。交互编号2中，交互组件向决策组件传递来自指挥中心的任务信息，决策组件向交互组件传递情报信息与雷达工作状态信息。交互编号3中，交互组件向传感组件传递来自环境模型的电磁环境信息，包括目标位置、辐射源位置、干扰功率密度、背景噪声等，传感组件向交互组件传递辐射信息，包括辐射功率，辐射方向，天线方向图，信号幅相序列等。交互编号4中，决策组件向状态组件下达开关机，运输架设等指令。交互编号5中，决策组件向传感组件下达工作参数，接收点航迹等情报信息。下文对任务级、交战级、信号级传感组件进行详细讨论。4.1 任务级雷达仿真模型任务级雷达仿真模型典型的仿真时间为数小时至数天，其典型的计算步长为秒量级，模型内部计算步长与场景仿真步长相同。分析不同作战阶段、不同自然条件下，预警探测装备体系对各类目标的感知能力，主要支撑预警探测装备论证与预警探测体系优化两类活动。其传感组件典型计算过程如下。（1）接收由环境模型根据目标位置、雷达位置以及环境模型中的高程数据进行通视分析的结果。（2）接收由环境模型计算的非理想自然环境条件造成的雷达探测区内，电磁波传播平均损失Lp，到雷达天线口的平均干扰功率密度AJ，背景噪声功率谱密度kBT，其中AJ为M1向量，表示存在M个干扰源对雷达进行干扰。（3）等效噪声温度如式（1）。（1）式中，G x为枚举型，可分主瓣、近主瓣、副瓣三种情况取值；GJ为信号处理采取不同抗干扰措施的得益。（4）利用雷达特定工作模式下，对特定目标的典型威力R进行折算，如式（2）。图1 状态组件的组成图2 交互组件的组成图4 雷达仿真模型基本架构图3 决策组件的组成10 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 Research and Design 研究与设计（2）式中，Rmn为第m种工作模式下，对第n类目标的典型探测威力，反映雷达的装备性能。LEi为第i种非理想自然环境对信噪比造成的损失。Rmn为雷达典型探测威力折算后的实际威力，反映雷达的作战效能。（5）根据雷达此时的威力，判断目标对雷达是否可见。（6）点航迹生成。4.2 交战级雷达仿真模型雷达仿真模型交战级模型典型仿真时间为数分钟数小时，典型仿真步长为0.11s，对于相控阵雷达，模型内部以每个波位的驻留帧为计算步长。模型需要考虑包括干扰、杂波、电磁传播损耗等多种因素7。典型应用场景为分析推演系统中特定自然环境、特定电子对抗条件下，雷达对某一类目标的探测能力。其传感组件典型计算过程如下。（1）接收环境模型通视分析结果。（2）接收由环境模型计算的，目标回波的功率密度PT，由地面、海面的杂波造成的杂波功率密度APC，到雷达天线口的干扰功率密度LPJ，环境模型计算时要考虑每个波位指向上电磁波的传播损耗，包括大气传播损失、雨雾雪等气象条件造成的损失等，其中AC，AJ均为数组，表示有多个杂波、多个干扰源对雷达产生影响。（3）计算等效噪声温度，如式（3）。（3）式中，ACi为第i个杂波信号的功率密度，Gi为第i块杂波入射方向的天线增益，GC为信号处理抑制杂波的得益，AJk为i个干扰信号干扰功率密度，Gk为第k个干扰源入射方向的天线增益，GJ为信号处理抑制干扰的得益。（4）计算雷达方程，得到经信号处理后的回波信噪比，如式（4）。（4）式中，In为单帧积累的信噪比得益，Fn为接收机噪声系数。（5）根据目标类型确定检测门限。（6）将信噪比与特定目标检测门限进行对比，判断目标可见性。（7）点航迹生成。4.3 信号级雷达仿真模型信号级雷达仿真模型，典型应用场景为对雷达的性能进行虚拟化试验，计算步长一般为纳秒至微秒量级。需要考虑信号产生、辐射、传播、散射、接收等过程中各类因素对电磁信号频率、幅度、相位、极化等产生的影响，需要考虑信号处理、检测过程中不同的参数设置对检测概率、虚警率的影响。其传感组件典型计算过程如下。（1）接收环境模型通视分析结果。（2）接收由环境模型计算的，目标回波的信号序列AT，由地面、海面的杂波造成的杂波信号矩阵MC，到雷达天线口的干扰信号序列MJ，环境模型计算时要考虑每个波位电磁波传播过程中的幅相调制与目标对电磁波的幅相调制。其中 AT为S1列向量，S表示采样数；PC为SN矩阵，N表示杂波源个数；PJ为SM矩阵，M为干扰源个数。（3）计算目标回波信号与杂波、干扰信号混合后的信号AS，如式（5）。（5）式中，GC表示天线对杂波的增益，为N1向量，GJ表示天线对干扰的增益，为M1向量。（4）对P进行信号处理。（5）根据目标类型确定检测门限。（6）