徐 飛 易成濤

(1.海軍大連艦艇學院研究生管理大隊 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學院航海系 大連 116018)

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基于HLA和PCI-E的雷達目標跟蹤系統(tǒng)設計與研究*

徐 飛1易成濤2

(1.海軍大連艦艇學院研究生管理大隊 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學院航海系 大連 116018)

為了節(jié)約部隊日常訓練中雷達海情模擬器的設計成本，設計并實現(xiàn)了一種通用雷達模擬源,并根據(jù)雷達接收數(shù)據(jù)信息量大、實時性強的特點，采用PCI-Express總線來實現(xiàn)系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡?。最后基于HLA構(gòu)建了可擴展、可重用的雷達目標跟蹤仿真系統(tǒng)，結(jié)果表明該仿真系統(tǒng)能夠逼真有效地實現(xiàn)雷達目標的跟蹤仿真，能夠較好地適應部隊日常訓練，對以后的實戰(zhàn)研究具有一定的參考價值。

雷達； 模擬源； PCI-Express； HLA

Class Number TN95

1 引言

近年來，我國海上環(huán)境安全問題愈演愈烈，東海和南海沖突時有發(fā)生，從近來的幾場局部戰(zhàn)爭看，情報的獲取對打贏一場現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的必要性越來越受到重視[1]。而對一艘艦船來說，提早、快速、準確地發(fā)現(xiàn)并跟蹤可疑目標，對接下來的戰(zhàn)爭無疑是掌握了先發(fā)制人的準備?，F(xiàn)代化戰(zhàn)爭武器的維護與保養(yǎng)費用越來越高，使得部隊不能及時有效地得到長時間的訓練，戰(zhàn)斗力的提升得不到有效的保障，開發(fā)與之配套的訓練用仿真設備對解決這一難題有著重要作用。

從國內(nèi)外的雷達仿真器研究現(xiàn)狀來看，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)目標跟蹤的基本功能，但是在數(shù)據(jù)量越來越大的今天，保證數(shù)據(jù)接收的實效性和準確性方面還有待進步，同時在信號接收與處理的各個模塊之間的有效轉(zhuǎn)換也是一個亟待解決的問題。針對這些現(xiàn)狀，本文基于HLA和PCI-Express總線構(gòu)建了一套雷達目標跟蹤系統(tǒng)，通過運用PCI-Express總線的高速傳輸特性和HLA分布交互仿真技術(shù)可以有效地滿足目前部隊對于可疑目標的跟蹤模擬訓練要求。

2 分布式雷達目標跟蹤仿真系統(tǒng)原理

一個完整的雷達目標跟蹤仿真系統(tǒng)分為雷達模擬源模塊仿真、數(shù)據(jù)采集模塊仿真、跟蹤濾波模塊仿真和效能評估模塊仿真四個核心部分[2]。雷達模擬源模塊仿真是模擬雷達獲得目標的各種運動信息以及不同雜波干擾信息。數(shù)據(jù)采集模塊仿真是模擬雷達信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號以后傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng)的過程[3]。跟蹤濾波模塊仿真是對數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信息進行濾波跟蹤，最終形成目標準確的航跡。效能評估模塊仿真是對所有算法進行綜合的評估，以便進行比較改正。運用HLA分布交互仿真技術(shù)將雷達對目標的跟蹤進行模塊化仿真。雷達目標跟蹤系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 雷達目標跟蹤系統(tǒng)原理

3 雷達模擬源的設計

雷達模擬源分為兩個主要部分：海情數(shù)據(jù)庫的建立和雷達特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立[4]。海情數(shù)據(jù)庫的建立需要收集多種典型假想敵的艦船參數(shù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)建立模型，模擬單批次、多批次機動目標航跡，同時生成各種不同的干擾信號，如島嶼雜波、海浪雜波等，對生成的數(shù)據(jù)進行索引、管理和保存，同時向雷達模擬器發(fā)送模擬的數(shù)據(jù)[5]。雷達特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立是模擬多個不同雷達搜索目標的特征信息，如最小探測距離和方位等。雷達模擬源的設計原理如圖2所示。

目標信號回波的功率可根據(jù)雷達方程估計[6]：

(1)

式中：R為雷達距離目標的距離；Pt為雷達發(fā)射功率；Gt為雷達天線增益；σ為目標散射截面積。

圖2 雷達模擬源設計原理

4 數(shù)據(jù)采集卡的設計

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是現(xiàn)代雷達裝備研制中不可或缺的一部分，該系統(tǒng)的主要功能包括雷達回波信號的高速采集和海量存儲，傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)運用的是USB2.0或者USB3.0傳輸數(shù)據(jù)，雖然實現(xiàn)了方便快捷、即插即拔的思想，但是對于雷達信號的實時性和大量性特點選則性的進行了忽略，嚴重不符合軍隊現(xiàn)實的需要要求[7]。而PCI-E總線具有速度高、可靠性好、數(shù)據(jù)不易丟失等特點，因此其能較好地適應當前的部隊需求，應用前景較好[8]。

圖3 數(shù)據(jù)采集卡設計原理

5 跟蹤濾波模塊的設計

在整個雷達目標跟蹤系統(tǒng)中跟蹤濾波算法是重中之重。不同目標的運動模型采用不同的濾波算法對其進行濾波，在雷達目標跟蹤方面，濾波算法有α—β算法、卡爾曼濾波算法和推廣的卡爾曼濾波算法等[9]。典型的機動目標模型有CV模型、CA模型、Singer模型和CS模型。下面就CV勻速運動模型和CA勻加速運動模型簡要介紹一下。

設目標在一維空間作勻速直線運動，則連續(xù)條件下用高斯白噪聲描述的CV模型為

(2)

設目標在一維空間作勻加速直線運動，則連續(xù)條件下用高斯白噪聲描述的CA模型為[10]

(3)

圖4所示為跟蹤算法流程。

6 結(jié)語

針對現(xiàn)有雷達目標跟蹤仿真系統(tǒng)無法實時大量收集目標雷達信息，雷達模擬系統(tǒng)復雜多樣，跟蹤算法無法逼真準確顯示目標的缺點，本文設計研究了一種新型雷達目標跟蹤系統(tǒng)，闡釋了一種新的系統(tǒng)構(gòu)建的思想，使得本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高的特點，為我軍海洋權(quán)利的維護，海洋強國的建立提供強了有力的支撐。

圖4 跟蹤算法流程

[1] 馬萍.基于PCI Express總線高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].北京:中國科學院研究生院(空間科學與應用研究中心),2008.

[2] 蘭華,楊峰,吳俊,等.HLA的雷達目標跟蹤算法驗證系統(tǒng)[J].火力與指揮控制,2012(2):112-115,119.

[3] 周換.基于PCI Express總線的雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯控軟件設計[D].西安:西安電子科技大學,2013.

[4] 簡力,朱瑩.一種通用雷達模擬源的設計和實現(xiàn)[J].航天控制,2015(3):74-78.

[5] 宋杰,何友,唐小明.基于FPGA的超高速雷達信號實時采集存儲系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應用,2005(11):18-20.

[6] 許文忠,張陽陽,王梓斌,等.雷達目標跟蹤模擬技術(shù)[J]. 四川兵工學報,2013(5):99-101,112.

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[8] 葛起翔.基于PCI總線的高速雷達數(shù)據(jù)采集回放系統(tǒng)的研制[D].南京:南京信息工程大學,2007.

[9] 張連偉,華祖耀.基于HLA的雷達訓練仿真器雷達方開發(fā)[J].計算機仿真,2004(7):20-21,185.

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Design and Research of Radar Target Tracking System Based on HLA and PCI-E

XU Fei1YI Chengtao2

(1.Administrative Division for Postgraduates, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)(2.Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)

In order to reduce the design cost of radar sea situation simulation of forces’ daily training, a general radar simulator is designed and realized.Based on its large volume of data and high real-time performance, PCI-Express is chosen to achieve a high-speed data transmission. Extensible and repeatable radar target tracking simulation system based on HLA is developed in this paper. The simulation result indicates that the dynamical process of target tracking is carried out through the simulation system distinctly and effectively, which is good for daily training of the forces and of some reference value for the research on practical research.

radar, signal simulation, PCI-Express, HLA

2016年5月12日,

2016年6月26日

國家自然科學基金(編號：61002052)；遼寧省自然科學基金(編號：2015020086)；遼寧省博士啟動基金(編號：201501029)資助。

徐飛,男,碩士,研究方向：交通信息工程及控制。易成濤,男,博士,副教授，研究方向：交通信息工程及控制。

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.017