【word】基于HLA的雷达操纵员训练模拟系统

基于HLA的雷达操纵员训练模拟系统
第27卷第1期
2005年2月
情报指挥控制系统仿真技术InformationCommandControlSystem&SimulationTechnology
Vbl_27NO.1
Feb.20o5
文章编号:1672.7908(2005)01.0073—05
基于HLA的雷达操纵员训练模拟系统
吴彬,张兵
(空军雷达学院,湖北武汉430019)
摘要:运用模拟系统进行军事训练是当前雷达部队提高战斗力的重要手段.针对部队当前运用模拟系统训练中
存在的问题,提出了基于HLA的雷达操纵员训练模拟系统的总体设计框架.介绍了雷达发现目标的数学模型,
进行了系统的设计方法,设计要求和总体结构的研究,并在此基础上重点分析了基于HLA技术实现该系统能满
足模型的互操作性,重用性和可扩展性等方面的要求最后给出了系统的信息流程和系统框架实现的技术方案
关键词:模型:仿真;框架;HLA
中图分类号:TP391.9文献标识码:A
11raLiningSimulationf0rRadarManipulatorBasedonHLA
WUBin.ZHANGBing
(AirForceRadarAcademy,Wuhan43O0l9,China)
Abstract:111eusageofsimulatorsysteminmilitarytrainingbecomesausefulm eansforimprovingtheoperational
effectiveness.Aimingatthecurrentproblemsexistinginmilitarytrainingusing thesimulator,thewholedesign architectureoftrainingsimulatorofradar’SmanipulatorbasedonHLAiSpropo sedinthispaper.Themathematicmodels bywhichtheradardetectsoNectsareestablished.Thedesignmethod,thedesign requirementsandthewholearchitecture
arestudied.TheemphasisiSputontheanalysiswhetherthearchitectureandimpl ementationschemeofthesystemCan satisfyourrequirementsforreusabilityandflexibilityofsimulationcomponent sornot.Theinformationflowofthe systemandaimplementationschemearegiyenintheend.
Keywords:model;simulation;architecture;HLA
雷达最基本的功能是发现目标.为了模拟雷达这
一
基本功能,更加有效地训练雷达操纵员的技术,战
术水平.当前,雷达部队先后开发并推广应用了一系
列雷达操纵员训练模拟系统.在应用中我们发现,为
了让操纵员应对不同体制的雷达进行训练,需要开发相应的训练模拟系统,现有系统从建模方法到具体信息处理手段等方面还有不足.另外,随着仿真规模不
断扩大,仿真实体的急剧增加也会影响整个系统正常运行,从而导致仿真结果的不可信.
为此,利用甩A这一开放性的技术框架,设计
实现基于HLA的雷达操纵员训练模拟系统,以适应
不断更新的雷达体制,缩短雷达操纵员训练模拟系统的开发周期.
1雷达发现目标的数学模型
根据雷达理论和雷达探测目标的规律,研究雷达
发现目标的数学模型最主要的是讨论目标相对位置数学模型和目标雷达截面积数学模型.
收稿日期:2004.06.30修回日期:2004-12?10
作者简介:吴彬(1975.),男,湖北松滋人,硕上研究牛,
研究方向为雷达系统建模仿真:
张兵(1963.).男.副教授,硕_上牛导师=
1.1目标相对位置数学模型
目标的相对位置指的是目标与雷达站(天线)的距
离.一般地,目标航迹由军事人员想定生成,所以对
目标相对位置进行数学表述可分两步实现.先根据想
定对目标航迹进行模拟,后由空间中两点的距离公式求解出目标的相对位置.下面以飞机为例,建立目标的相对位置数学模型.
1.1.1目标航迹模拟
目标航迹模拟要能真实地反映目标的运动规律,
又要便于在计算机上实现.为此我们用匀变速直线运动模拟飞机直线飞行,用水平恒心加速度运动模拟飞机水平机动,用垂直恒心加速度运动模拟飞机垂直机动?.建立数学模型如下:
坐标系采用站心地平直角坐标系,x,y,z轴构
成三维立体坐标系,正东方为x轴,正北方为y轴,
z轴指向天顶.假定目标在t0时刻状态描述为: (0,Y o,ZO,t0,0,0,0),其中(0,y0,Z0)为位置坐
标,t为运动时刻,为初始速度,航迹倾角,
为目标速度矢量与x.y平面之间的夹角,取值
.
900-90.
.
为航向角,为目标速度矢量在x-y平面
上的投影与OX轴正方向的夹角,取值0o-3600.目
标从tn运动到,,
74吴彬,等:基于HLA的雷达操纵员训练模拟系统第27卷1)直线运动
△=0,△=0,Av=a’At,At=t—to,
.
.s:v..△f十.n.△f.△f
.
.
=5?COS?costp0(1)
ay=5’COS0’sin0
Az=5’sin
2)水平机动’
条件::0,n>0为向心加速度,R:(尺为
n
转弯半径).假设目标水平投影为逆时针运动则F=1,
顺时针运动则F=一1.
.
.△:O;△:—a—.
At;△v:0
.
.
=2.F.尺.sin.c.s(.+-~--)(2)
=2.F.Rsin(.sin(+;△z=o
3)垂直机动
目标垂直机动分俯冲机动和上仰机动两种,由于
两种机动数学模型类似,我们以俯冲为例建立数学模型.假设目标从A点飞到C点,如图1所示当目标在A段飞行时,=1,F2=一l;当目标在BC段飞行时,
:一l,:l;且尺:,△:—a—.△f,△v:0.
C
A
幽1匕机俯冲机动
:2.sin.c0s(+).c0s;
A y=2sin.c0s(+).Sin‰;(3)
:2-F2sin.sjn(+);
所以,t时刻目标的运动状态表示为:
f:o+Ax;yf=3;0+A y;z,=z0+;(4)
,’f=V0+Av;=+△;△=0+△
1.1.2目标相对位置模拟
在卒间一个i维的盲角坐标系中,对于任一目标,
如图2所示.若只考虑其运动轨迹,可将其视为一点, 则对于任意时刻t,任一点e(x,Y,z)的轨迹,如式4
所示.
Y
图2空间两点的距离
若雷达天线的位置R(x’,Y’,z’),则在t时刻目标
与雷达之间的距离为
=
l尸尺=l√(X--X’)+(),一),’)+(z—z’)
目标与雷达方位角间的夹角可表示为
6:arctg()
一
目标与雷达在垂直面上的夹角可表示为
一_
=arctg(—=_)
一
1-2目标雷达截面积数学模型
根据雷达理论,目标反射功率与目标的雷达截面
积成正比,而反射功率大小又决定目标回波幅度的大小.故我们的目的就是想通过目标雷达截面积数学模型来间接地对雷达目标回波进行模拟.由于任何飞机均为一个复杂外形,且处于运动状态,相对于雷达的
视角不断在变化,雷达截面积也随之起伏变化.要正确描述雷达截面积起伏,必须知道它的概率密度和相关函数,最常用的是施威林提出的数学模型.这里我们选用施威林Ⅱ模型进行研究,其雷达反射截面积0 的概率密度函数为:
尸():P—
,
>0t3’(5)
仃
(5)式中的为目标截面积起伏全过程的平均
值,令U=e(o),求逆函数得
0:一0-In0-u(6)
(6)式即为所求的目标雷达截面积数学模型.
就目标类和特征而,描述雷达截面积起伏的
概率密度函数模还有瑞利分布的概率密度函数模
第1期情报指挥控制系统与仿真技术75
和莱斯模犁,求其O与上述方法一样,此处不再累述. 2基于IliA的雷达操纵训练模拟系统的总
体设计
2.1系统总体设计方法q
基于HLA/RTI的分布式仿真应用采用以RTI为
核心的分布式体系结构,把整个系统定义成联邦,系
统的模拟过程即为联邦的执行过程.根据雷达兵战斗操作原则,从训练任务和操作手两个角度分析雷达操纵员的操作规程,把训练任务划分为几个相对独立的子任务,用联邦成员代表承担各子任务的操作控制实体,通过联邦成员内部的仿真运行逻辑完成相应的子任务.子任务模块间的操作指令和操作部件状态的传送定义为联邦成员间的数据交换.整个系统的运行流程和模拟训练的时间要求通过RTI强大的时间管理功能实现.
2-2系统总体设计要求
1)模型的互操作性因为模型的复杂性,要一步
达到很高的模拟程度是不现实的.但在模型的求精和完善过程中,应尽量减小对系统的影响.
2)模型的重用性由于模型比较复杂,实现代价
高昂,需要提高仿真部件的重用度,确保其使用不仅
仅局限于我们当前实现的系统中.
3)系统的可扩展性目前只要求实现雷达,雷达
网发现一批一架,一批多架,多批多架飞行器的训练
模拟,但要便于今后可能加入更多的仿真模型.
4)系统的高性能性模拟系统不仅要求完成复杂
的运算,还要进行协同控制,逼真的图形处理,人机
交互,分布的仿真部件有大量的数据传送.
2,3系统总体设计
2.3.1模拟训练的基本过程
1)用户根据训练需求,通过总控台选择相应的训
练方式和训练科目.
2)根据想定背景和内容,从雷达装备数据库中选
择相应号的雷达;从目标航迹库中选择需要的航迹
想定;从雷达的探测环境数据库中选择需要的环境想定.
3)在上述想定环境下,进行目标航迹数据综合,
计算出雷达探测到的目标位置,并将所得数据传递给显示器,雷达显示器在相应的坐标位置显示目标回波.
4)雷达操纵员通过观察,判明显示器上的目标位
置,并通过光笔输入目标的坐标来模拟实际雷达战斗操作中的情报录取:
5)当雷达操纵员通过显示器发现探测空域受到干
扰时,可通过键盘操作选择相应的反干扰措施.总控
台接到指令后,采取反干扰措施迅速调整空情态势. 一
个科目训练结束后,可通过成绩评判获得操纵员的
训练成绩.
6)当总控台接收到用户新的训练需求后,重新更
新训练想定,进入下一科目训练.
2.3.2确立联邦成员作用及其功能
1)总控联邦成员负责为雷达操纵员提供一个
读,写数据的人.机交互界面.它充当着导演的作用,
负责联邦的启动,初始化和销毁;负责响应用户不同
级别的训练科目,选择相应性能的雷达和相应的目标航迹,探测环境想定.
2)目标航迹仿真联邦成员即目标航迹想定仿真
应用,主要负责模拟各类飞行器的飞行航迹.它有两
种运行模式,一种模式是完全按照总控联邦成员所选择的想定路径飞行;另一种模式是采用”人在回路中”(Human.in.Loop)的运行方式,由雷达操纵员本人控制飞行路径.
3)探测环境仿真联邦成员即环境想定仿真应
用,主要负责模拟雷达的探测环境,包括雷达探测区
域内的地物环境和探测空间里的电磁环境.它的主要作用是提高系统仿真的逼真度.
4)雷达探测计算联邦成员它是整个联邦的核
心,通过训练想定提供的雷达技术,战术参数和目标
航迹数据以及雷达探测环境数据完成三个方面的计算任务.一是计算雷达探测目标的方位,距离;二是计
算探测目标的雷达截面积;三是计算比较,判别目标
是否在雷达探测范围内,并将探测区内的目标数据实
时地发布给雷达显示联邦成员.
5)雷达显示联邦成员主要负责完成雷达对空中
各类目标搜索,发现过程的图形化显示,模拟雷达对
空中种类目标搜索,发现和跟踪的过程.
6)空情录取联邦成员主要负责模拟实际雷达战
斗操作中的情报录取,为雷达操纵员提供一个读,写
数据的人.机交互界面,同时还负责对操纵员进行训练
成绩评判.
2.3.3系统总体结构
综上所述,该系统的总体结构如图3所示.
需要说明的是,这里将雷达显示联邦成员和雷达
探测计算联邦成员之间设计成客户,服务器
(Client/Server)的关系.雷达显示联邦成员只负责提
供探测效果显示和人一机交互界面.雷达探测计算联邦
76吴彬,等:基于HLA的雷达操纵员训练模拟系统第27卷成员根据雷达性能参数和目标航迹状态参数,完成对
探测目标的方位,距离计算.雷达显示联邦成员中的
目标回波仿真程序向雷达探测计算联邦成员发出”计
算请求”,雷达探测计算联邦成员中的目标雷达截面
积计算程序和目标探测方位计算程序,完成计算后将
结果返回给雷达显示联邦成员.这种结构的关键是采
用了}{IA技术框架,能够保证联邦成员内部仿真程
序之间的互操作性和重用性.又由于联邦和联邦成员
在层次上的相对关系,目标回波仿真程序,目标雷达
截面积计算程序和目标探测方位计算程序可作为联邦成员加入相应的联邦,它们之间通过RTI进行交互.
.这样可大大方便联邦成员中类的扩展.
目标模拟计算中心环境模拟
同同图
f—Ii—If—I
模拟中C『
《;瓣蒜蠢簿疆爨00蟹誊釜嘉黼国
空情录设备显示器总控台
同向
I三
图3基于HLA的雷达操纵员训练模拟系统的总体结构这种结构的优点是将雷达的计算模型和界面分
离,有利于对他们分别进行改进和完善,隔离由此带
来的相互影响,又能将雷达探测计算模型设计成一个
功能强大的通用程序,不断对模型进行更新,扩充和
完善,提高各种雷达对探测计算模型实现的重用度.
多个目标回波仿真程序共享探测计算模型服务程序的
服务.只要服务接口不变,探测计算模型的改进无需
更新目标回波仿真程序.可见,采用I-K,A框架,具
有很好的可扩性,使新的联邦成员可以比较容易地加入进来以构建新的,更大规模的仿真联邦.而且mA
有利于将不同操作平台用不同开发语言实现的程序集成到一个仿真联邦中,给系统实现者提供了较大的选择空间.
3系统的运行与实现
3.1系统的运行
如图4所示,在仿真开始执行前,用户通过总控
联邦成员对系统进行初始化设值来选择自己需要的训练科目和训练方式,即选择相应的模拟训练想定(目
标航迹想定和探测环境想定).在仿真运行过程中,
目标航迹仿真联邦成员,探测环境仿真联邦成员及总控联邦成员周期性地向外发布各自的对象类数据TargettrackPosClass,EnvironmentStateClass和RadarCapabilityClass.雷达探测计算联邦成员主要通过定购这些对象类数据完成对被探测目标的方位距离计算.对象类数据TargettrackPosClass的三个属性为TargettrackPosX(Long类型),TargettrackPos—Y(Long 类型)和TargettrackPos_Z(Long类型),这三个属性反映了目标航迹点的当前位置;对象类数据
EnvironmentStateClass的两个属性(电磁环境和地物环
境)反映了目标所处位置的空间环境;对象类数据RadarCapabilityClass的各属性反映了雷达的作战性能
(显示特征和探测威力).
图4基于HLA的雷达操纵员训练模拟系统数据交换和信息流程雷达探测计算联邦成员通过综合处理这i类来内
不同联邦成员的数据,计算出目标的位置和雷达截面
积,判明在雷达探测范周内的目标航迹,与此同时,
该联邦成员周期性地向外发布在雷达探测范周内的目
第1期情报指挥控制系统与仿真技术
标航迹点的坐标数据和目标的雷达截面积数据.雷达
探测计算联邦成员向外发布的这些数据被雷达显示联
邦成员所定购.当雷达显示联邦成员接收到雷达探测
计算联邦成员发送过来的目标航迹点的坐标数据和雷
达截面积数据,就会在雷达显示器相应的位置上显示
目标回波.最后,雷达操纵员通过观察判断雷达显示
器上的每一目标回波的位置,实时地通过光笔输入所
读取目标航迹点的坐标数据来模拟在实际雷达战斗操
作中的情报录取.
3.2系统的实现嘲
由于}玎A是一个开放的仿真框架性标准,因此
在系统的开发实现过程中,只要遵循l{]_一A规则,OMT 和RTI接口规范,就可根据各仿真部件的仿真需求选
用不同的开发工具开发,以实现联邦成员间可重用性
和互操作性的特点.因此,本系统在仿真实现过程中,
我们可选用不同的开发工具:总控联邦成员功能简单,
只需一个普通界面即可,用Vc实现;雷达显示联邦
成员,目标航迹仿真联邦成员以及探测环境联邦成员
对图形显示的要求程度比较高,并且还要方便雷达类
和目标类以及环境类的扩展,选用Java实现较好;对
于核心的雷达探测计算联邦成员主要涉及大量复杂的数学函数(计算公式),我们选用函数功能比较强的Simulink4.具体见表1.
表1系统的实现框架及工具选择
4结论
运用模拟系统来训练雷达操纵员的是当前雷达部
队提高战斗力的重要手段之一.根据这种需求,我们
设计了基于}玎LA的雷达操纵员训练模拟系统,提出
了系统的主体框架和实现方法.}玎A的开放性,灵活
性和互操作性使我们能够根据联邦成员的特点选择合适的开发工具快速实现系统,同时也便于系统临时加
入新的仿真实体.不过,在目前设计的系统中,雷达
探测计算模型还没有考虑杂波和电磁干扰等因素,目
标雷达截面积数学模型还没有考虑导弹和隐形飞机等
飞行器,这需要在下一步工作逐步完善.
参考文献:
【1】岳韶华,张金成.基于面向对象方法的雷达航迹模拟
系统设计[J】.空军工程大学,2000,(12):54—56.
【2】徐盐生.雷达航迹模拟跟踪[J】_舰船电子对抗,1998, (4):29—31.
【3】尹以新,袁志伟,张尉等.雷达系统【C】.武汉:空军雷达学院,1998,78—79.
[4】董光波,张锡恩.某装备分布式仿真训练系统基于
HLA的实现[J】.系统仿真,2004,16(13:101—104.
【5】周彦,戴剑伟,蒋晓原.仿真程序设计【C】.北京:电子工业出版社,2002.
【6】柏彦奇.联邦式作战仿真【D】.北京:国防大学出版社, 2001.
【7】KuhlF,WeatherlyR,DahmannJ.CreatingComputer SimulationSystems:anintroductiontoHii曲Level Architecture[M].PearsonEduction.2000.
【8】BussA,JacksonL.Distributedsimulationmodeling:A comparisonofHLA.CRoBA.andRTI[J].Proceedings oftheWinterSimulationConference.1998:8l9—825.。