CN105069197B

CN105069197B - 一种空中平台雷达探测动态过程的仿真方法

Info

Publication number: CN105069197B
Application number: CN201510430148.3A
Authority: CN
Inventors: 姬金祖; 黄沛霖
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beijing boo Rui Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2035-07-21
Also published as: CN105069197A

Abstract

本发明公开了一种空中平台雷达探测动态过程的仿真方法，属于计算机仿真技术领域。所述的仿真方法包括仿真元素关联关系设计和仿真任务数据库设计、设定仿真任务，对作战单元的运动、探测过程进行仿真和分析。涵盖了作战环境、平台、武器、探测器、作战单元等主要的仿真元素；根据各仿真元素关联特点，设计了关系数据库，能够体现各元素之间的关联关系；仿真任务设置快捷方便，可设置不同模式的预定航迹；作战单元的航迹和仿真探测概率的可视化显示更为直观。

Description

一种空中平台雷达探测动态过程的仿真方法

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，具体涉及空中平台雷达探测动态过程的一种仿真方法。

背景技术

隐身技术是通过降低武器平台特征信号，减小敌方探测器的探测、跟踪、锁定概率和制导武器攻击成功率的技术。评价飞行器隐身性能的传统方法是通过计算、测试得到武器平台各个方位、频率的RCS并进行平均。实战过程中，探测器的位置、速度、距离、方位在时刻变化，采用传统方法已难以全面考核飞行器面临实战时的隐身性能。因此建立飞行器在实战环境下飞行仿真过程，同时模拟目标被探测的状态，对于评估飞行器隐身性能、评价执行任务所遇到的风险以及评估突防技术和战术，具有重要的意义。

发明内容

本发明基于实战仿真以及隐身性能评估的需要，实现飞行器飞行仿真过程，模拟在不同实战环境下探测、攻击的结果，对实战环境、平台、武器、探测器等诸多要素进行了关联。

本发明提供的一种空中平台雷达探测动态过程的仿真方法，主要由以下步骤组成：

步骤1：仿真元素关联关系设计和仿真任务数据库设计。

所述的仿真元素关联关系包括静态关联和动态关联，所述的静态关联包括目标和探测器之间的搭载关系、平台和武器之间的可搭载关系。所述的动态关联包括任务场景中的作战单元、作战单元所采用的平台、作战单元所用平台搭载的武器和作战单元的预设指令。

所述的仿真任务数据库包括9个数据表，分为四类：第一类包含与任务无关的仿真元素参数信息，包括目标、探测器、航迹点；第二类包含与任务相关的仿真元素参数信息，包括任务场景、作战单元、航迹；第三类表示与任务无关的关系信息，包括平台-武器、目标-探测器；第四类表示与任务相关的关系信息，包括装载武器。其中，第三类的数据表就是两个静态关联关系，第四类的数据表就是一个动态关联关系。

步骤2：设定仿真任务。一个仿真任务就是一个任务场景数据表的一条记录，可以对其进行添加、删除、修改等操作。在仿真任务设定中，对仿真的区域(经度范围、纬度范围)、面杂波特性(海杂波、地杂波)、体杂波特性(雨、雾特性)等进行设置。

在设定仿真任务的中，需要添加作战单元作为仿真主体。每一个作战单元必须指定一个平台，由于平台与探测器的关系是静态关联关系，因此不需要制定平台所搭载的探测器。但是作战单元与搭载武器之间的关系是动态关联关系，所以还需指定平台所搭载的武器类型、数量，所搭载的武器类型又受到平台与武器的可搭载关系这个静态关联关系的约束。

每个作战单元可以预先指定一条航迹，没有指定航迹的作战单元按照初始速度和方位运动。航迹由多个按照顺序排列的航迹点组成，运行过程中作战单元顺序经过预设航迹点。遍历航迹点的方法有单次遍历、循环遍历、往复遍历三种。

以航迹点A、B、C、D为例说明“单次遍历、循环遍历、往复遍历”的涵义。单次遍历指设定的航迹点按顺序逐个遍历一次，即A-B-C-D；循环遍历指航迹点顺序遍历后，再从头开始顺序遍历，直到接收到新的指令，即A-B-C-D-A-B-C-D-……；往复遍历指航迹点顺序遍历与逆序遍历交替进行，直到接收到新的指令，即A-B-C-D-C-B-A-B-C……。

步骤3：对作战单元的运动、探测过程进行仿真和分析。设定一个仿真的时间步长，在指定航迹的情况下，可以根据速度、航迹得出各作战单元在每个时间步的位置、姿态。进一步计算出对抗双方各作战单元的距离和相对方位角、俯仰角，根据雷达性能和各平台对应目标的雷达散射截面(radar cross section，RCS)计算互相探测情况。

本发明的优点在于：

(1)涵盖了作战环境、平台、武器、探测器、作战单元等主要的仿真元素；

(2)根据各仿真元素关联特点，设计了关系数据库，能够体现各元素之间的关联关系；

(3)仿真任务设置快捷方便，可设置不同模式的预定航迹；

(4)作战单元的航迹和仿真探测概率的可视化显示更为直观。

附图说明

图1是目标分类示意图；

图2是探测器分类示意图；

图3是任务场景结构示意图；

图4是静态关联和动态关联结构示意图；

图5是仿真过程流程图；

图6是实施例中作战仿真区域示意图；

图7是航迹点示意图；

图8是两个作战单元的航迹；

图9是两个作战单元在各时间步的位置；

图10是两个作战单元距离随时间步的变化；

图11是两个作战单元航向角随时间步的变化；

图12是探测方位角随时间步的变化；

图13是探测俯仰角随时间步的变化；

图14是两架飞机各方位角的RCS；

图15是各时间步雷达探测到的RCS；

图16是探测概率随时间步的变化。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种空中平台雷达探测动态过程的仿真方法，如图3所示，仿真任务包括任务场景和作战单元。任务场景反映仿真的战场环境，包含战场的位置、范围、地形等信息。作战单元是仿真过程中的主体，由平台、武器和探测器三部分组成，其位置和姿态可以随时间变化、可以探测敌方目标、可以发射武器、也可被敌方探测。平台可以搭载武器和探测器，武器可以搭载探测器。在设定仿真任务时，可预先给每个作战单元设定指令，作战单元在仿真运行过程中按照预先设定的指令运动和执行相应操作。

如图1所示，所述的平台包括飞机、舰船和陆基平台，所述的武器包括主动制导武器、半主动制导武器、被动制导武器和非制导武器。所述的探测器如图2所示，包括雷达、红外探测器、可见光探测器、声探测器和磁异探测器。

假设要对Su-27战斗机和F-15战斗机的雷达探测对抗过程进行仿真，仿真区域范围为东经50～70度，东经150～180度，仿真区域范围如图6所示。Su-27装载的探测器是PKSU-35雷达，对1m²目标探测距离为90km，可装载的武器包括AA-8、AA-9、AA-10、AA-11空空导弹；F-15装载的探测器是AN/APG-63雷达，对1m²目标探测距离为100km，可装载的武器包括AIM-7、AIM-9、AIM-120空空导弹。本例假设雷达能够探测到所有方位。下面应用本发明提供的空中平台雷达探测动态过程的仿真方法进行仿真操作，具体步骤如下：

步骤1：仿真元素关联关系设计和数据库设计。此步骤主要是设计仿真元素之间的关系，并据此设计数据库，为仿真做准备，主要包括以下内容：

(1.1)搭建仿真架构。所述仿真架构由服务器和客户端组成。服务器主要用于数据库管理和仿真过程控制，数据库管理涉及对目标、探测器、任务场景的管理，仿真过程控制包括控制仿真过程的开始、结束、暂停以及每个时间步各作战单元状态的迭代计算。客户端主要用于实时显示仿真结果，供分析研究。同一个任务场景可实现多个客户端操作和显示。

(1.2)目标分类。将平台和武器归为一类，都称作目标，通过目标的类型属性来判断该目标是平台还是武器。目标的共同点是都具有雷达、红外等特征信号，可以被对方的探测器探测到。本例中，目标包括Su-27、F-15、AA-9、AA-10、AA-11、AIM-7、AIM-9、AIM-120，其中Su-27和F-15都是平台，其余的AA-9、AA-10、AA-11、AIM-7、AIM-9、AIM-120是武器，这些目标都可被对方的雷达探测到。

(1.3)搭载、探测的静态关系和动态关系设计。任务场景、平台、武器、探测器、作战单元、预设指令之间有各种关联关系，这些关联关系可分为两类：静态关联与动态关联。静态关联是指仿真元素之间的关系不随任务场景而变化，在任何场景中对象之间的关系是固定的；而动态关联是指对象之间的关系在不同任务场景中可以不同，即不同任务场景可以设定不同的关系。根据实际仿真需要，静态关联反映以下关系：1、目标和探测器之间的搭载关系；2、平台和武器之间的可搭载关系。动态关联反映以下关系：1、任务场景中的作战单元；2、作战单元所采用的平台；3、作战单元所用平台搭载的武器；4、作战单元的预设指令。

本例中，静态关联包括Su-27和PKSU-35的搭载关系和Su-27与AA-9、AA-10、AA-11的可搭载关系，F-15和AN/APG-63的搭载关系和F-15与AIM-7、AIM-9、AIM-120的可搭载关系。动态关系与任务有关，在任务设定时加以确定。

(1.4)仿真任务数据库设计。仿真任务数据库包括9个数据表，分为四类：第一类包含与任务无关的仿真元素参数信息，包括target(目标)、detector(探测器)、site(航迹点)；第二类包含与任务相关的仿真元素参数信息，包括scenario(任务场景)、unit(作战单元)、path(航迹)；第三类表示与任务无关的关系信息，包括platform_weapon(平台-武器)、target_detector(目标-探测器)；第四类表示与任务相关的关系信息，包括arm(装载武器)。其中，第三类的数据表就是两个静态关联关系，第四类的数据表就是一个动态关联关系。

数据表之间的关系如图4所示，图4同时也给出了各数据表反映的静态关联和动态关联关系。各数据表的涵义如下所示：

target(目标)：包括平台和武器，由target的类型参数来确定具体是平台还是武器；

detector(探测器)：包括雷达、红外探测器等，可以搭载于target；

site(航迹点)：预先设定的坐标点，航迹经过的点，多个航迹点按顺序排列可形成航迹；

scenario(任务场景)：仿真任务和仿真环境，包含任务场景的基本信息，如战场位置、战场范围、战场地形等，一个scenario可以包含多个unit(作战单元)；

unit(作战单元)：仿真任务中可以操作的单元，与scenario关联，包含的信息包括作战单元所用平台、初始位置、速度以及预设指令遍历方式，一个unit可以有多个path(航迹)和多个arm(装载武器)；

path(航迹)：为作战单元预先制定的航行路径，与unit(作战单元)、site(航迹点)关联，包含航迹点名称、到达航迹点的海拔和速度设定等信息；

platform_weapon(平台-武器)：平台与武器的可搭载关系，将代表平台的target和代表武器的target进行关联；

target_detector(目标-探测器)：目标与探测器的固定搭载关系，将target和detector进行关联，target既可以表示平台也可以表示武器；

arm(装载武器)：任务场景中作战单元装载武器情况，装载的设定受platform_weapon(平台-武器)关联关系的约束。

platform_weapon、target_detector和arm这3个数据表都只有两个字段，分别代表相关联的两个对象，platform_weapon和target_detector的记录不能有重复。arm的记录可以相同，当记录重复时，代表该作战单元任务中搭载了多个武器。

本实施例中，target数据表包含2种飞机(Su-27和F-15战斗机)、6种导弹(AA-9、AA-10、AA-11、AIM-7、AIM-9、AIM-120)，共8条记录。

detector数据表包含2种探测器，分别为PKSU-35和AN/APG-63。

platform_weapon数据表包含Su-27、F-15与其各自的可搭载武器关联关系，共6条记录，分别为：(Su-27，AA-9)、(Su-27，AA-10)、(Su-27，AA-11)、(F-35，AIM-7)、(F-35，AIM-9)和(F-35，AIM-120)。

target_detector包括2条记录，分别为：(Su-27、PKSU-35)和(F-15、AN/APG-63)。

site包括9个预设航点，航迹点的编号及其对应的纬度、经度分别为：(65，155)、(63，159)、(61，162)、(58，168)、(56，170)、(55，175)、(57，172)、(60，168)、(63，162)。

9个航迹点位置如图7所示。

其余数据表如scenario、unit、path、arm都与具体的任务设定有关系，待设定具体任务时再添加相应记录。

步骤2：设定仿真任务。一个仿真任务就是一个scenario数据表的一条记录，可以对其进行添加、删除、修改等操作。在仿真任务设定中，对仿真的区域(经度范围、纬度范围)、面杂波特性(海杂波、地杂波)、体杂波特性(雨、雾特性)等进行设置。

添加一条scenario记录，再添加两条unit记录并与scenario关联，就形成了包含两个作战单元的仿真任务。设定两个unit对应的平台分别是Su-27和F-15，其初始位置的纬度、经度分别在航迹点1和航迹点6，见图7。

设Su-27携带两枚AA-9，F-15携带两枚AIM-120，则对应的arm有4条记录，(Su-27，AA-9)、(Su-27，AA-9)、(F-35，AIM-120)、(F-35，AIM-120)。

由于一个武器平台可以搭载多枚同类型的武器，因此记录可以重复。

下面设定航迹，Su-27的航迹设定为顺次经过航迹点1、2、3、4、5，F-15的航迹设定为顺次经过航迹点6、7、8、9，两条航迹的循环方式都设定为单次循环。两者的航迹如图8所示。

至此，所有数据库设定完毕。

设Su-27航行海拔高度为8000m，飞行速度为900km/h，F-35航行海拔高度为9000m，飞行速度为900km/h。设地球半径为6371000m，仿真中需要考虑地球曲率的影响。计算两者的航行路径。每5分钟更新一次航行的坐标，将所有坐标连线，形成两架飞机在各时间步的位置，形成一条轨迹，如图9所示。

可以计算各时间步两个作战单元之间的直线距离，如图10所示。由图10，两个作战单元的距离随时间先减小，再增加，在第10个和第11个时间步时距离达到最小。

图11是两个作战单元的航向角随时间步的变化。由航向角、经度、纬度可计算得到作战单元相对于地心坐标系的位置和姿态，可进一步计算得到另一个作战单元相对于自己的姿态角，包括方位角和俯仰角，如图12、图13所示。

一般来说，目标不同方位角的RCS差异会非常大，因此在不同方位探测，目标的隐身性能也不同。本例中假设两架飞机随方位角的RCS变化如图14所示。

根据计算所得的探测方位角、俯仰角，结合RCS曲线，可以得到目标被对方雷达照射的RCS随时间步的变化，结果如图15所示。可见，在第10、11、12时间步，两架飞机都是侧向暴露给对方雷达，而两架飞机的侧向RCS都较大。由各时间步暴露的RCS以及雷达的性能，可计算得到双方的探测概率，如图16所示。可见，在第10、11、12时间步时，探测概率较大，原因一方面是此时双方距离较近，另一方面是RCS较大的侧向暴露在对方雷达照射范围内。

应当指出，本实例仅列示性说明本发明的应用方法，而非用于限制本发明。任何熟悉此种使用技术的人员，均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种空中平台雷达探测动态过程的仿真方法，其特征在于由以下内容组成：

步骤1：仿真元素关联关系设计和仿真任务数据库设计：

所述的仿真元素关联关系包括静态关联和动态关联，所述的静态关联包括目标和探测器之间的搭载关系、平台和武器之间的可搭载关系；所述的动态关联包括任务场景中的作战单元、作战单元所采用的平台、作战单元所用平台搭载的武器和作战单元的预设指令；

所述的仿真任务数据库包括9个数据表，分为四类：第一类包含与任务无关的仿真元素参数信息，包括目标、探测器、航迹点；第二类包含与任务相关的仿真元素参数信息，包括任务场景、作战单元、航迹；第三类表示与任务无关的关系信息，包括平台-武器、目标-探测器；第四类表示与任务相关的关系信息，包括装载武器；其中，第三类的数据表就是两个静态关联关系，第四类的数据表就是一个动态关联关系；

步骤2：设定仿真任务：

添加作战单元作为仿真主体，每一个作战单元必须指定一个平台，指定平台所搭载的武器类型、数量，所搭载的武器类型受到平台与武器的可搭载关系的约束；

每个作战单元预先指定一条航迹，没有指定航迹的作战单元按照初始速度和方位运动，航迹由多个按照顺序排列的航迹点组成，运行过程中作战单元顺序遍历经过预设航迹点；

步骤3：对作战单元的运动、探测过程进行仿真和分析：

设定一个仿真的时间步长，在指定航迹的情况下，根据速度、航迹得出各作战单元在每个时间步长的位置、姿态；进一步计算出对抗双方各作战单元的距离和相对方位角、俯仰角，根据雷达性能和各平台对应目标的雷达散射截面计算互相探测情况。

2.根据权利要求1所述的一种空中平台雷达探测动态过程的仿真方法，其特征在于：所述的遍历经过预设航迹点的方法有单次遍历、循环遍历和往复遍历三种。

3.根据权利要求1所述的一种空中平台雷达探测动态过程的仿真方法，其特征在于：仿真任务包括任务场景和作战单元，任务场景反映仿真的战场环境，包含战场的位置、范围和地形信息；作战单元是仿真过程中的主体，由平台、武器和探测器三部分组成，其位置和姿态随时间变化，能够探测敌方目标、发射武器和被敌方探测；平台搭载武器和探测器，武器搭载探测器。