李濤，王景辰，水恒淼，姜志鵬

(中國人民解放軍93221部隊，北京 100085)

0 引言

信號與信息處理、波形設(shè)計、新體制雷達(dá)設(shè)計、檢測性能評估和抗干擾設(shè)計等單項雷達(dá)技術(shù)仿真在雷達(dá)型號研制過程中發(fā)揮了重要作用[1-2]。大型作戰(zhàn)類仿真系統(tǒng)一般采用參數(shù)化建模方式[3]，雷達(dá)系統(tǒng)尤其是地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的多功能雷達(dá)仿真，需要考慮外部指揮控制和自身資源管理，資源管理建模參數(shù)化是雷達(dá)系統(tǒng)仿真的核心難點。國內(nèi)對雷達(dá)資源管理的理論進(jìn)行了深入研究[4-10]，對多功能雷達(dá)中的跟蹤功能[5]、搜索功能[6]進(jìn)行了參數(shù)化仿真建模嘗試，但由于技術(shù)實現(xiàn)途徑不清晰，使用者參與建模工作少，需求不明確，導(dǎo)致參數(shù)模型無法涵蓋資源管理全流程，參數(shù)化、通用化程度低。通常采用具體型號資源管理模型封裝的方式加入體系仿真，加大了雷達(dá)傳感器融入大型作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的難度。

美軍擴(kuò)展防空仿真(extended air defense simulation，EADSIM)是由美國陸軍空間與導(dǎo)彈防御司令部主導(dǎo)開發(fā)，是當(dāng)前美軍最成熟、使用最廣泛的任務(wù)級大型作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)之一，可以支持多系統(tǒng)進(jìn)行防空行動、攻擊行動、電子戰(zhàn)、進(jìn)攻型空中行動等多種作戰(zhàn)行動仿真評估[11-15]。EADSIM采用了典型的模型與實驗分離技術(shù)，即模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(data driven)。

本文以某大型作戰(zhàn)仿真軟件設(shè)計為例，研究了多功能雷達(dá)資源管理模型的參數(shù)化設(shè)計途徑，提出了雷達(dá)層次化設(shè)計架構(gòu)，資源管理采用連續(xù)和離散事件仿真相結(jié)合，輔以參數(shù)約束的設(shè)計方法，仿真驗證了途徑和方法的可行性，并結(jié)合大型仿真系統(tǒng)的設(shè)計和使用提出了啟示。

1 雷達(dá)資源管理模型參數(shù)化設(shè)計途徑

1.1 層次化設(shè)計

在某大型作戰(zhàn)仿真軟件設(shè)計中，仿真對象采用平臺(如艦船、基地等)、系統(tǒng)(地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、飛機(jī)等)和元素層次化設(shè)計。其基本思想是作戰(zhàn)平臺部署系統(tǒng)，系統(tǒng)由指揮控制、傳感器、武器和通信4類基本元素構(gòu)成。元素是本仿真系統(tǒng)的最小微觀個體，所有作戰(zhàn)對象由成千上萬個不同元素構(gòu)成，通過改變每一個元素的輸入?yún)?shù)，實現(xiàn)現(xiàn)役或未來作戰(zhàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)在同一設(shè)計框架下，建立各自的屬性和控制規(guī)則，根據(jù)狀態(tài)、命令和其他條件，按規(guī)則觸發(fā)相應(yīng)動作，自主地做出反應(yīng)。雷達(dá)屬于傳感器類基本元素。

將雷達(dá)傳感器分為簡單雷達(dá)傳感器和多功能雷達(dá)傳感器，簡單傳感器從屬于多功能傳感器。簡單傳感器可以完成資源不受限的檢測和跟蹤起始功能，若僅考慮雷達(dá)能力指標(biāo)，系統(tǒng)可配置簡單雷達(dá)傳感器。多功能傳感器的檢測和跟蹤起始功能由指定的簡單傳感器完成，多功能傳感器還執(zhí)行后續(xù)的其他工作模式。兩者根本區(qū)別在于能否進(jìn)行資源管理和任務(wù)調(diào)度。這樣設(shè)計的好處是用戶可以根據(jù)任務(wù)需求，靈活配置簡單還是多功能傳感器。同一雷達(dá)傳感器，用戶可自定義設(shè)置多種資源管理策略。

每個地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)只能有一個多功能雷達(dá)傳感器，可以管理同平臺或其他平臺的簡單傳感器。簡單雷達(dá)傳感器中資源管理類參數(shù)如視場范圍、波形和波束位置，可以被“母體”多功能傳感器相應(yīng)的資源管理參數(shù)覆蓋。

多功能雷達(dá)按照作戰(zhàn)時序分為搜索和檢測后工作模式。沒有目標(biāo)時，多功能雷達(dá)僅工作在搜索模式。包括分區(qū)搜索、高優(yōu)先級分區(qū)搜索、自引導(dǎo)搜索和引導(dǎo)搜索。只要檢測到一個目標(biāo)，就由多功能雷達(dá)實施檢測后工作模式。包括：針對TBM(tactical ballistic missile)目標(biāo)的助推識別模式、跟蹤模式(包括航跡初始化、航跡轉(zhuǎn)移、航跡保持、威脅航跡識別過程轉(zhuǎn)換和控制)、攔截模式(包括攔截器跟蹤、攔截器上行鏈路/下行鏈路、目標(biāo)影像圖(TOM,target object map)、殺傷評估)。

每一種工作模式都有一個用戶定義的任務(wù)優(yōu)先級，通常全局的優(yōu)先級由高到低順序為：攔截相關(guān)的模式、高優(yōu)先級搜索、非交戰(zhàn)相關(guān)的檢測后工作模式、引導(dǎo)搜索模式、捕獲搜索、自引導(dǎo)搜索、低優(yōu)先級扇區(qū)搜索。如果一個多功能雷達(dá)資源飽和，按照優(yōu)先級順序執(zhí)行減少資源消耗的決策。

1.2 連續(xù)和離散事件仿真結(jié)合

雷達(dá)資源管理采用連續(xù)系統(tǒng)與離散事件仿真相結(jié)合。連續(xù)系統(tǒng)仿真按照設(shè)定的作戰(zhàn)時序，設(shè)定各種資源管理模式的時間窗口、占空比、信噪比等參數(shù)；離散事件由作戰(zhàn)行動事件觸發(fā)雷達(dá)資源策略的轉(zhuǎn)換和改變，如作戰(zhàn)目標(biāo)被摧毀、庫存武器消耗、飛機(jī)加油、彈倉打開、彈道導(dǎo)彈助推飛行等作戰(zhàn)行動事件，作戰(zhàn)行動事件要由用戶設(shè)計，保證資源管理設(shè)計的合理性和靈活性。

雷達(dá)多模式工作狀態(tài)采用連續(xù)系統(tǒng)仿真：沿著作戰(zhàn)時間軸，采用相對體制定義每種模式的持續(xù)時間和跳轉(zhuǎn)模式，在占空比因子和時間占比約束條件下，設(shè)定各種數(shù)據(jù)率。每一種工作模式持續(xù)時間是由模式定義窗口中規(guī)定的開始和結(jié)束時間控制的，可以順序或同時執(zhí)行航跡處理、攔截等不同計劃。

資源管理策略改變采用離散事件仿真，通過事件觸發(fā)機(jī)制改變。雷達(dá)管理策略由用戶定義或使用缺省值，同一傳感器可以有多種資源管理策略，轉(zhuǎn)換控制來自系統(tǒng)的C2(指揮、控制)，C2模型有缺省的規(guī)則，用戶也可根據(jù)需求，自定義規(guī)則。本大型仿真系統(tǒng)提供了戰(zhàn)場上作戰(zhàn)行動細(xì)節(jié)變化觸發(fā)規(guī)則改變的機(jī)制，該機(jī)制允許管理策略隨著一個場景事件觸發(fā)，接收來自火控系統(tǒng)的指令而改變。C2是本仿真系統(tǒng)的核心模型，將在后續(xù)文章詳述。它產(chǎn)生航跡消息和指揮、控制不同平臺指令，是一個由事件驅(qū)動的模型，通過預(yù)設(shè)一個事件日程表，并依據(jù)該表執(zhí)行所有事件，直到仿真時間超過了指定的想定結(jié)束時間。

另外，某些非預(yù)設(shè)事件也可觸發(fā)資源管理策略項的改變。如RCS的變化會引起波形選擇的改變，在仿真系統(tǒng)中RCS值除考慮目標(biāo)起伏模型外，還考慮飛機(jī)炸彈艙門打開時，RCS值將發(fā)生變化。系統(tǒng)執(zhí)行用戶自定義的參數(shù)化的“RCS轉(zhuǎn)換”轉(zhuǎn)換規(guī)則，當(dāng)觸發(fā)條件滿足時，執(zhí)行用戶定義的相關(guān)反應(yīng)，促使RCS轉(zhuǎn)換到一個新的值或者新的數(shù)據(jù)表。自定義規(guī)則中雷達(dá)響應(yīng)參數(shù)設(shè)置如圖1所示。

1.3 資源管理的參數(shù)約束

本仿真系統(tǒng)資源管理采用缺省參數(shù)或用戶自定義的模板方式，目前不支持自適應(yīng)調(diào)度。不過，用戶可以通過改變約束參數(shù)，以達(dá)到利用可用資源滿足當(dāng)前任務(wù)需要和適應(yīng)變化的戰(zhàn)場條件目的。如雷達(dá)是地空導(dǎo)彈系統(tǒng)態(tài)勢感知的重要一部分，導(dǎo)彈數(shù)量的消耗會改變傳感器資源管理策略，降低攔截模式下的資源需求，擴(kuò)大雷達(dá)的搜索能力。資源管理需要設(shè)置的約束參數(shù)很多，最核心的是各種模式的占空比因子(Dutyfactor)、時間占比(Occupancy)和最小可接受信噪比，據(jù)此可計算出目標(biāo)容量、多波束數(shù)量、重訪速率等參數(shù)。

每種模式資源約束均需計算發(fā)射脈沖的占空比因子和這種模式相對整個調(diào)度周期的時間占比，各種模式下2種因子的計算方法各不相同，并保證：

Dutyfactor總=∑Dutyfactori，

(1)

Occupancy總=∑Occupancyi，

(2)

式中：Dutyfactor總，Occupancy總分別為多功能雷達(dá)總的占空比因子和時間占比；Dutyfactori，Occupancyi分別為第i種工作模式下的占空比因子和時間占比。

以扇區(qū)搜索為例，資源調(diào)整過程如下：如果多功能雷達(dá)處于資源飽和狀態(tài)，可用資源不足以完成搜索，將放棄一個或多個搜索分區(qū)。還可以選擇退化搜索性能，通過在放棄分區(qū)之前調(diào)整波形或搜索空間的大小，保證占空比因子、時間占比滿足用戶分配的資源。如果雷達(dá)處于資源不飽和狀態(tài)，將基于多個分區(qū)的優(yōu)先級調(diào)整掃描率以適應(yīng)可用資源。

最小可接受信噪比用于波形選擇，計算脈寬和脈沖積累數(shù)。多功能雷達(dá)有基于目標(biāo)回波的信噪比調(diào)整波形的能力，通過調(diào)整波形以釋放資源。當(dāng)目標(biāo)距離變化時，回波信噪比會發(fā)生變化。為節(jié)約資源，對一個接近目標(biāo)，用于跟蹤目標(biāo)的波形可以減少積累脈沖數(shù)量或脈寬。這能在減少資源消耗的同時，不會造成信噪比的下降。對一個后退目標(biāo)，必須增加積累脈沖數(shù)或者脈寬以保持信噪比在最小門限之上，以維持目標(biāo)的航跡。脈寬由用戶定義的最小和最大值約束，選擇過程通過下式定義進(jìn)行：

τ=[SNRminτ′/SNR]，

(3)

式中：τ為計算脈寬；SNRmin為用戶定義的模式最小信噪比；SNR為先前時間間隔的目標(biāo)信噪比；τ′為達(dá)到目標(biāo)SNR所需的脈寬；[]表示對下一個脈沖向上取整。

2 雷達(dá)參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)與仿真

本仿真系統(tǒng)中一個多功能雷達(dá)傳感器共設(shè)置了271個參數(shù)項。基本檢測類參數(shù)有172項，資源管理類參數(shù)69項。

圖1 自定義規(guī)則中雷達(dá)響應(yīng)參數(shù)Fig.1 Radar response parameter of definition user-rules

2.1 基本檢測類參數(shù)

威脅目標(biāo)類參數(shù)包括：目標(biāo)種類、目標(biāo)距離、最大絕對速度、最大徑向速度、高度范圍等14個選項或參數(shù)；傳感器通用類參數(shù)包括：分辨率、視場范圍、天線高度、波束指向角度、中心頻率、帶寬、數(shù)據(jù)更新速率、跟蹤質(zhì)量等24個選項或參數(shù)；雷達(dá)探測距離計算，既可以采用雷達(dá)方程，也可以采用距離比對計算方法，檢測類參數(shù)包括：功率、信噪比門限、噪聲系數(shù)、脈寬、參考距離、參考RCS值、損耗因子、天線增益等22個選項或參數(shù)；雷達(dá)高級環(huán)境中包括檢測方法、積累檢測、虛警概率、非相參積累、電子戰(zhàn)能力、MTI處理、多普勒處理等45個選項或參數(shù)；雷達(dá)環(huán)境中包括多徑效應(yīng)、大氣吸收、沙漠、森林、山脈等地雜波、雜波譜特性、地形遮蔽等37個選項或參數(shù)；天線類參數(shù)包括天線形狀、方向圖參數(shù)、掃描速度、波束掃描位置文件、波束重疊系數(shù)、極化方式等30個選項或參數(shù)。

2.2 資源管理類參數(shù)

工作限制參數(shù)包括：駐留時間、降梯度搜索、最大時間占比、最大占空比參數(shù)，作戰(zhàn)相關(guān)限制參數(shù)包括占有率、占空比參數(shù)，共8個參數(shù)和選項；搜索模式下天線掃描(電掃、機(jī)掃)類8個參數(shù)；搜索范圍類參數(shù)包括：數(shù)據(jù)質(zhì)量、誤差范圍、單次掃描、重訪評估4個參數(shù)和選項；在引導(dǎo)、自引導(dǎo)、確認(rèn)3種模式下工作限制類參數(shù)包括：距離、最大引導(dǎo)誤差半徑、數(shù)據(jù)質(zhì)量、引導(dǎo)搜索的最大幀時間和能量等8個參數(shù)和選項；搜索波形選擇/資源消耗比類參數(shù)包括最大無遮擋波形、時間占比、占空比等6個參數(shù)；指令線傳輸包括上下行指令長度、延遲3個參數(shù)。

搜索模式下資源管理設(shè)置了17個參數(shù)，包括：低優(yōu)先級、高優(yōu)先級、引導(dǎo)、自引導(dǎo)、確認(rèn)5種模式下最大掃描速率、最小掃描速率、波束指向范圍、指向模式、視場范圍、信號帶寬、波束掃描文件、優(yōu)先級、參考信噪比、同時接收多波束數(shù)量、波束覆蓋因子、距離范圍、最大最小脈沖寬度、最大最小時間占比、最大最小占空比等參數(shù)。搜索狀態(tài)資源管理界面如圖2所示。

檢測后工作模式資源管理設(shè)置了15個參數(shù)。如果有n種工作模式，將輸入15n個參數(shù)。工作起始時間、跳轉(zhuǎn)模式、重訪目標(biāo)頻率、外大氣層空間對彈道導(dǎo)彈目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)率、作戰(zhàn)時目標(biāo)更新數(shù)據(jù)率、任務(wù)優(yōu)先級、未明確敵我情況下優(yōu)先級、各種模式下所需的信噪比、各種模式下需要處理的距離單元數(shù)、是否約束占空比/時間占比、平均時間占比、平均占空比等。檢測后工作狀態(tài)資源管理界面如圖3所示。

圖2 搜索模式下資源調(diào)度參數(shù)Fig.2 Radar source management parameter under search mode

2.3 仿真驗證

本仿真系統(tǒng)涉及地空導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船、彈道導(dǎo)彈等眾多武器系統(tǒng)，輸出的參數(shù)很多，仿真結(jié)果以生成的檢測和交戰(zhàn)報告為主。以一部地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)應(yīng)對多枚巡航導(dǎo)彈攻擊為例，輸入的雷達(dá)參數(shù)眾多，僅以核心參數(shù)設(shè)置為例進(jìn)行仿真。設(shè)定占空比因子最小值范圍為0.05，最大值為0.25，最小可接受信噪比設(shè)定為13 dB。改變時間占比最大值，由0.7增加到0.9，進(jìn)行2次仿真，生成的檢測報告如圖4,5所示。由仿真結(jié)果可以看出，時間占比最大值增加后，檢測到的巡航導(dǎo)彈數(shù)量由17枚增加了20枚，驗證了本文雷達(dá)資源管理模型參數(shù)化設(shè)計的正確性。

3 設(shè)計啟示

從參數(shù)數(shù)量上看，由于考慮的要素較多，輸入的數(shù)據(jù)量較大。若再考慮其他元素如導(dǎo)彈、指控規(guī)則和通信元素等，工作量可想而知。從參數(shù)用途上看，簡單雷達(dá)重在設(shè)置基本的雷達(dá)檢測工作參數(shù)，裝訂起來要簡單一些，多功能雷達(dá)重在設(shè)置控制參數(shù)，需要理解作戰(zhàn)概念和具體雷達(dá)型號設(shè)計經(jīng)驗。從參數(shù)種類分析，本大型仿真系統(tǒng)設(shè)置了缺省值，也可以用戶自定義，但即使最簡單的一套地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)與一架飛機(jī)的對抗，如果沒有提供一套可供參考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用者在實驗設(shè)計時，如同閉門造車、摸著石頭過河，費時費力又不準(zhǔn)確。因此，大型作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)通常需要由設(shè)計者提供一套可供系統(tǒng)運行的原始參數(shù)集，并且使用者也需要實際參與建模和程序設(shè)計工作。

圖3 檢測后多模式方式調(diào)度參數(shù)Fig.3 Multi-mode management parameters of post detection

圖4 時間占比最大值為0.7時，雷達(dá)檢測報告Fig.4 Radar detection report when the maximum occupancy is 0.7

圖5 時間占比最大值為0.9時，雷達(dá)檢測報告Fig.5 Radar detection report when the maximum occupancy is 0.9

4 結(jié)束語

本文以某大型仿真系統(tǒng)為例詳述了雷達(dá)資源管理模型參數(shù)化設(shè)計途徑，提出了雷達(dá)層次化設(shè)計架構(gòu)，資源管理采用連續(xù)和離散事件仿真相結(jié)合并輔以參數(shù)約束，仿真驗證了該方法的有效性，為其他仿真系統(tǒng)中雷達(dá)參數(shù)化建模提供了有益的參考借鑒。本仿真系統(tǒng)中的C2規(guī)則元素將在后續(xù)文章中展開詳述。另外，從設(shè)計過程可以看出，大型仿真系統(tǒng)最主要和最繁重的工作就是仿真運行前的實驗設(shè)計，它不僅需要裝備設(shè)計經(jīng)驗、作戰(zhàn)概念，還需要對程序中的參數(shù)定義有清晰的理解。一套完整的原始參數(shù)集和用戶的參與是大型作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)能夠運行起來的根本保障，這一點啟示供仿真設(shè)計者參考。