System Vue在雷達組網(wǎng)仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用
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尚朝軒， 王 品， 韓壯志
（軍械工程學院電子與光學工程系，石家莊050003）
摘要：目前，國內(nèi)外對于System Vue的應(yīng)用主要集中在通信領(lǐng)域，而在雷達系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用比較少。System Vue具有優(yōu)越的仿真性能，能夠滿足對雷達組網(wǎng)仿真系統(tǒng)的需求，主要研究了其在雷達組網(wǎng)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中的應(yīng)用．，簡要介紹了System Vue的基本情況；針對火控雷達組網(wǎng)，結(jié)合Matlab，在Syslem Vue仿真平臺中完成了對數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建；驗證了利用System Vue實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)仿真的可行性，同時展現(xiàn)了Svstem Vue在系統(tǒng)仿真中的直觀性和靈活性。System Vue仿真軟件因獨特的優(yōu)勢將在雷達系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：雷達組網(wǎng)；System Vue；數(shù)據(jù)融合；系統(tǒng)仿真
中圖分類號：TN971 文章編號：167J -637X(2016)02 -0079 -04
0 引言
System Vue是美國安捷倫(Agilent)公司推出的一種電子系統(tǒng)級仿真工具軟件，主要針對通信、雷達、導航和電子戰(zhàn)等領(lǐng)域，它可以與Matlab，C++，ADS等其他軟件協(xié)同仿真，同時具有明顯的優(yōu)越性。它支持射頻一基帶聯(lián)合仿真；支持數(shù)據(jù)流仿真；模塊齊全，可直接對需要構(gòu)造的系統(tǒng)平臺進行搭建。以上這些優(yōu)點可基本滿足雷達仿真的需求，在雷達系統(tǒng)仿真方面有很好的應(yīng)用前景。
由于System Vue具有優(yōu)越的仿真性能和完善的設(shè)計環(huán)境，能夠適應(yīng)雷達系統(tǒng)仿真的多樣性和復雜性，目前，國內(nèi)外基于System Vue的雷達系統(tǒng)仿真已經(jīng)存在，但其針對的是單部雷達，而在雷達組網(wǎng)中的應(yīng)用還未曾出現(xiàn)。目前，隨著電子技術(shù)和武器裝備的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代雷達系統(tǒng)面臨嚴峻的考驗。依靠單一類型、單部雷達已經(jīng)難以解決這些問題。而雷達組網(wǎng)既具有單部雷達的特性，又充分發(fā)揮了其整體作戰(zhàn)效能，是未來雷達的發(fā)展方向j2，所以，雷達組網(wǎng)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建尤為重要。本文基于System Vue對雷達組網(wǎng)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建進行了研究，尤其是組網(wǎng)的核心部分——數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的構(gòu)建。數(shù)據(jù)融合技術(shù)已成為雷達組網(wǎng)探測的基礎(chǔ)，所以數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)尤為重要。
1 System Vue簡介
System Vue以圖符化模塊構(gòu)建理論模型，對電子系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)進行仿真模擬，完成信號與系統(tǒng)特性的詳細分析。其分析窗口可根據(jù)仿真系統(tǒng)運行結(jié)果實時地自動呈現(xiàn)信號波形圖，還可以根據(jù)需要改變接收計算器的參數(shù)，快速繪制出時域、頻域等多種曲線圖。System Vue可以構(gòu)造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)�；旌舷到y(tǒng)，支持多速率系統(tǒng)，可以用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真。目前System Vue開發(fā)了更高級別的版本，其中的元件庫有了重大更新，其資源庫更加完善。同時，System Vue具有高性能的計算能力：支持多核多線程仿真，GPU和FPGA/HIL的加速仿真及多機集群分布式仿真，為電子系統(tǒng)級的設(shè)計和仿真提供了更為方便有效的操作空間和更廣闊的發(fā)展平臺。
2雷達組網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架
以火控雷達組網(wǎng)為例，將各雷達進行適當布站，借助通信手段鏈接成網(wǎng)，由數(shù)據(jù)融合中心綜合處理來自各雷達及周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)。圖1為雷達組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)作為整個雷達組網(wǎng)系統(tǒng)的中心節(jié)點，掌握了全局的數(shù)據(jù)、信息和態(tài)勢。數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)主要負責兩方面的工作：一方面，綜合處理目標數(shù)據(jù)，得到更高質(zhì)量的融合數(shù)據(jù)，同時將融合數(shù)據(jù)共享給各火控雷達節(jié)點；另一方面，數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)根據(jù)戰(zhàn)場的整體態(tài)勢，綜合判斷目標企圖、重要程度、威脅等級，對有限的火控雷達資源統(tǒng)籌規(guī)劃。
本文將火控雷達組網(wǎng)中的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)劃分為時間對準、坐標轉(zhuǎn)換、擴展卡爾曼濾波、航跡關(guān)聯(lián)、航跡合成和跟蹤精度估計6個模塊，暫時省略了態(tài)勢與威脅評估等模塊，如圖2所示�；鹂乩走_組網(wǎng)系統(tǒng)使用統(tǒng)一的時間基準，但每部火控雷達的采樣起始時間可能不同，加上不同的通信延遲，測量數(shù)據(jù)的時間戳可能不一致；對雷達來說，目標的測量數(shù)據(jù)通常是在以各雷達為原點的空間極坐標系中表示的，而后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過程是在以融合中心為原點的直角坐標系中進行的，這時需要進行目標數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括時間對準和坐標轉(zhuǎn)換。擴展卡爾曼濾波實現(xiàn)目標數(shù)據(jù)的平滑，航跡關(guān)聯(lián)的作用是判斷各部火控雷達航跡數(shù)據(jù)的相關(guān)情況，航跡合成將源于同一目標的多條航跡進行合成。跟蹤精度是指目標航跡經(jīng)過數(shù)據(jù)融合中心處理得到的精度，用于衡量雷達組網(wǎng)系統(tǒng)對目標的跟蹤效果。
3 System Vue中數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的搭建
3.1 Math Lang模塊的應(yīng)用
在System Vue建模環(huán)境中能夠方便地直接調(diào)用Matlab語言，支持全部Matlab語法和功能。Math-Lang數(shù)學語言模塊在System Vue中很常用。在數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中，每個模塊作為一個獨立的模型在System Vue中進行編譯和設(shè)置。在Math Lang的Equations公式區(qū)域中編寫Matlab程序代碼，通過程序代碼處理輸入數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)，同時設(shè)置參數(shù)，完成對每一個仿真模塊的設(shè)置。默認情況下每個獨立模型只有一個輸入輸出接口，但可以通過I/O建立多個輸入輸出接口，進行多路數(shù)據(jù)控制，具有高度的靈活性。
3.2搭建融合系統(tǒng)
假設(shè)仿真背景為雷達組網(wǎng)中有3部火控雷達跟蹤目標。當目標進入火控雷達跟蹤范圍，火控雷達1，2，3對目標跟蹤測量形成點跡，并上報給數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)。在時間對準模塊，考慮到火控雷達數(shù)據(jù)率高，采用簡單且計算量小的線性插值法。輸人數(shù)據(jù)為3部火控雷達的測量數(shù)據(jù)Me asul，Measu2，Measu3；輸出數(shù)據(jù)為經(jīng)校準后的數(shù)據(jù)Me asu_t。在坐標轉(zhuǎn)換模塊，為了盡量減小坐標轉(zhuǎn)換引入的誤差，先將以各火控雷達站為原點的空間極坐標測量值轉(zhuǎn)換到以各雷達站為原點的直角坐標系中，然后變換到地球坐標系中，再從地球坐標系變換到融合中心的直角坐標系中。輸入數(shù)據(jù)為雷達對目標的測量值Measu_t；輸出數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)Measu_c。設(shè)置參數(shù)：3部火控雷達的地理坐標為(j，w，H)，數(shù)據(jù)融合的地理坐標為(j0，w0，H0)。在擴展卡爾曼濾波模塊，平滑局部航跡數(shù)據(jù)。濾波函數(shù)的輸入數(shù)據(jù)為雷達測量值Measu _c；輸出數(shù)據(jù)為濾波協(xié)方差fCov及濾波結(jié)果fRes，同時設(shè)置濾波參數(shù)。在航跡關(guān)聯(lián)模塊，采用序貫航跡關(guān)聯(lián)算法進行多條航跡的關(guān)聯(lián)，由輸入的濾波結(jié)果fRes和濾波協(xié)方差fCov得到關(guān)聯(lián)結(jié)果CorRes。航跡合成模塊中，采用一種與最優(yōu)融合算法等價的次優(yōu)算法，由輸入的濾波結(jié)果fRes、濾波協(xié)方差fCov及關(guān)聯(lián)結(jié)果CorRes，得到航跡融合結(jié)果作為輸出。在跟蹤精度估計時，用濾波誤差協(xié)方差來描述系統(tǒng)對目標的跟蹤精度。t k時刻火控雷達的融合航跡精度為
系統(tǒng)對雷達的跟蹤精度通常會有一個最低標準m，只有滿足C（k）≤m，防空武器系統(tǒng)才能對目標進行有效打擊，該模塊也可加入截獲概率估計，進而擴展為評估模塊，每個模塊通過Matlab語言分別在Math Lang中進行編譯。跟蹤精度還可以作為反饋信號輸入各部雷達，對于不滿足跟蹤精度的測量，可控制雷達工作參數(shù)，進而達到精度要求，從而形成閉環(huán)。
3.3仿真驗證
在System Vue中數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的仿真界面如圖3所示，模塊化地展現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的工作流程。通過以上過程，完成對雷達組網(wǎng)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的仿真，得到的仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。
目前，大多文獻中采用VisualC++ 與Matlab混合編程來開發(fā)數(shù)據(jù)融合仿真平臺，與其相比，System Vue模塊化的構(gòu)建模式有很大優(yōu)勢。圖3這樣的模塊化設(shè)計使得數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的仿真具有通用性、靈活性。模塊與功能相對應(yīng)，在搭建其他類型數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)時，該系統(tǒng)中的模塊可直接應(yīng)用；在某個模塊的功能需要改變時，可直接更換該模塊，而不影響其他組成部分。每個模塊搭建完成后相對獨立，可組成算法模塊的庫，根據(jù)需要搭建仿真系統(tǒng)，提高了搭建數(shù)據(jù)融合仿真系統(tǒng)的效率，且具有很強的直觀性。
4結(jié)論
本文對火控雷達組網(wǎng)中的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)進行了程序設(shè)計，實現(xiàn)了System Vue對數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的仿真，驗證了其可行性。Matlab雖然有高度靈活的可編程性，擅長數(shù)據(jù)分析與處理，在仿真領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，但它不能直觀地體現(xiàn)和分析數(shù)據(jù)流的工作過程。System-Vue是以圖符化模塊構(gòu)建融合系統(tǒng)，比單純用Matlab進行系統(tǒng)仿真更加形象直觀，且具有通用性。System-Vue與Matlab的協(xié)同仿真性能可以滿足系統(tǒng)仿真的多變性和靈活性，實現(xiàn)復雜電子系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。以后還將繼續(xù)基于System Vue的仿真優(yōu)勢做雷達組網(wǎng)系統(tǒng)仿真平臺方面的工作。
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