情报雷达空情信息传输系统和方法
技术领域
本发明涉及雷达数据传输技术领域,尤其涉及一种情报雷达空情数据传输系统和方法。
背景技术
电子战是指敌对双方争夺电磁频谱使用和控制权的军事斗争,包括电子侦察与反侦察、电子干扰与反干扰、电子欺骗与反欺骗、电子隐身与反隐身、电子摧毁与反摧毁等。现代战争中在无线通讯受到强烈干扰的战场环境下,现有的无线通讯系统将无法使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种在无线通讯受到强烈干扰的战场环境下,可紧急启动空情数据处理及传输的系统。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:一种情报雷达空情数据传输系统,其特征在于包括:情报雷达、雷达终端机、北斗卫星系统、指控终端机以及指控系统,所述情报雷达与所述雷达终端机之间双向数据交互,所述情报雷达用于将接收到的空情数据传输给雷达终端机进行处理;所述雷达终端机通过所述北斗卫星系统与所述指控终端机双向数据交互,所述雷达终端机用于根据目标威胁程度的大小筛选出目标数据,并将目标数据进行压缩后,通过北斗卫星系统传给指控终端机;所述指控终端机与所述指控系统之间双向数据交互,所述指控终端机接收到数据后,将数据解压并封装成固定格式,传输给指控系统,完成空情数据的应急传输。
进一步的技术方案在于:所述雷达终端机包括数据处理单元以及北斗客户机,所述数据处理单元包括微控制器模块,第一接口模块与所述微控制器模块双向连接,用于与所述情报雷达进行双向数据通信,接收所述情报雷达下传的空情数据;复位及配置系统与所述微控制器模块双向连接,用于实现对所述微控制器模块的复位以及配置;第二接口模块与所述微控制器模块双向连接,用于与北斗卫星系统中的北斗客户机进行数据交互,将所述微控制器模块处理后的数据传输给北斗系统;JATG调试接口模块与所述微控制器模块双向连接,用于实现调试装置与所述雷达终端机之间的连接,调试装置通过所述JATG调试接口模块实现对所述雷达终端机的调试;电源模块与所述雷达终端机中需要供电的模块的电源输入端连接,用于为所述雷达终端机中需要供电的模块提供工作电源。
优选的,所述微控制器模块使用LPC1768FBD100型处理器;所述第一接口模块以及第二接口模块包括RS232接口模块以及MAX3232模块;所述电源模块包括LM2596-12、LM2596-5、LM1117-3.3型电源转换芯片。
本发明还公开了一种情报雷达空情数据传输方法,其特征在于包括如下步骤:
情报雷达将接收到的空情数据传输给雷达终端机进行处理;
雷达终端机根据目标威胁程度的大小筛选出目标数据,并将目标数据进行压缩后,通过北斗卫星系统传给指控终端机进行处理;
指控终端机接收数据后,将数据解压并封装成固定格式,然后传送给指控系统,完成空情数据的应急传输。
进一步的技术方案在于:目标威胁程度的大小通过如下方法获得:
通过目标敌我判别系数以及目标攻击意图构建目标的威胁意图A;
通过相对机动性能以及相对突防概率构建目标的综合突防概率D;
通过目标携带弹药的精度和数量构建目标毁伤能力C;
通过计算公式E=A×D×C,计算目标的作战效能E,作战效能E越大目标的威胁程度越大。
进一步的技术方案在于:目标敌我判别系数Pe通过如下方法获得:
由我方雷达上装载的IFF询问机向目标发送两次询问信号,记目标至少回复一次属于敌方的概率为Pa1,没有回复情况下目标属于敌方的概率为Pa2, Pai(i=1,2)值的确定由我方战场数据统计给出;
记群特性下目标属于敌方目标的概率为Pc1,非群特性下目标属于敌方目标的概率为Pc2,Pci(i=1,2)值的确定由敌我方战场数据和战例统计数据给出;
记目标在空中走廊和非禁飞区属于敌方目标的概率为Ps1,记目标不在空中走廊和在禁飞区属于敌方目标的概率为Ps2,Psi(i=1,2)的确定由敌我方战场数据统计给出;
记目标在飞行计划内属于敌方的概率为Pb1,不在飞行计划内属于敌方目标的概率记为Pb2,Pbi(i=1,2)值的确定由战场数据统计给出;
目标敌我判别系数Pe通过如下公式获得:
Pe=PaiPciPsiPbi(i=1或2) (1)
其中i的取值由目标特征的取值所确定。
进一步的技术方案在于:目标攻击意图PI通过如下方法获得:
以我方O为原点,目标在t1时刻位于T1处,距离原点O为lT1,方位角为αT1,仰角为βT1,目标在oxy平面上的投影为T1';距离经过一次雷达扫描周期t2-t1之后,在t2时刻探测到目标位于T2处,距离原点O距离为lT2,方位角为αT2,仰角为βT2,目标在oxy平面上的投影为T2';在t1时刻目标在oxy平面上距我方的距离为rT1,在t2时刻目标在oxy平面上距我方的距离为rT2,从t1时刻到t2时刻目标的方位角变化为αT12;
攻击意图由目标的运动方向和目标的方位决定,并将其记为PI,PI表征了目标对我方攻击意图大小程度;
目标的速度方向与直线OT1'的夹角∠OT1'T2'反应了目标攻击意图的大小程度,∠OT1'T2'越小,则180°-∠OT1'T2'越大,目标的攻击意图越大,180°-∠OT1'T2' 的取值大小范围为0°~180°,将其归一化,即为PI,如公式(2)所示:
攻击意图PI的计算过程如下:
步骤1:由雷达获取目标t1时刻的斜距lT1,方位角αT1,仰角βT1;t2时刻的斜距lT2,方位角αT2,仰角βT2,得:
步骤2:在三角形OT1'T2'中,求解rT1'T2'和∠OT1'T2',得:
步骤3:将∠OT1'T2'代入公式(2),求得目标攻击意图PI;
所述目标威胁意图A的计算公式如下所示:
A表征了目标攻击我方目标的可能性和程度大小。
进一步的技术方案在于:相对机动性能Pmj(1≤j≤5)的获取方法如下:
记探测到的目标为X0=(x0(1),x0(2),x0(3),x0(4)),其中x0(1)、x0(2)、x0(3)、x0(4) 分别表示目标的飞行速度V、飞行高度H、编队架数C以及发现距离L;记参考数列X1、X2、X3、X4、X5分别表示轰炸机B1、攻击机B2、直升机B3、巡航导弹B4、民航B5的特征参数序列;灰度关联算法步骤如下:
步骤1:将参考数列和目标数列归一化,即用各个数列特征因素的值比上特征因素的上限值,如公式(7)所示,得相对比较矩阵Y,如式(8)所示,
其中当xi(k)为取值范围时,取其中间值;
步骤2:计算目标与不同类型之间的差异值矩阵Z,其中目标与第i种类型的差异值序列Z1=(z1(1),z1(2),z1(3),z1(4)),zj(k)的值如式(9)所示,
zj(k)=|y0(k)-yj(k)|(1≤j≤5,1≤k≤4) (9)
步骤3:计算探测目标与Bj类型目标的第k个特征因素的关联系数εj(k)为,
其中,
步骤4:计算探测目标与Bj类型目标的关联度aj,如式(13)所示:
最后确定目标为关联度aj对应的目标类型Bj,根据战场统计数据和空袭兵器的资料确定目标类型Bj的归一化相对机动性能为Pmj(1≤j≤5)。
进一步的技术方案在于:相对突防概率Pf的获取方法如下:
目标的最短滞空时间t'Ti由目标的速度、航向角、方位角、距离和最大机动过载决定,探测到tTi时刻目标位于Ti处,目标以最小转弯半径Rmin飞行到Ti'处,此时,目标的速度方向与Ti'O的方向相同,而后沿直线Ti'O飞行到我方O点;由雷达直接探测到的目标参数,即斜距lTi、方位角αTi以及仰角βTi,斜距lTi在oxy 平面上的投影为rTi;计算最短滞空时间t'Ti,其计算步骤如下:
步骤1:计算∠OTi”Ti'Ti”',将目标前一时刻tTi1时的距离、仰角和方位分别记为lTi1、βTi1和αTi1;目标t1时刻在oxy平面上的投影点T1'的坐标为 T1'(lT1cosβT1cosαT1,lT1cosβT1sinαT1),t2时刻在oxy平面上的投影点T2'的坐标为T2' (lT2cosβT2cosαT2,lT2cosβT2sinαT2);在直角三角形T2'T1'q中,可得∠T2'T1'q为:
同理可得∠Ti”TiTi”'为:
目标在oxy平面上的速度vTi'为:
步骤2:由∠Ti”TiTi”',计算∠Ti”TiO和∠OTiPi,可得:
∠Ti”TiO=αTi1-∠Ti”TiTi”' (17)
步骤3:在三角形OTiPi中,计算rOPi和∠TiPiO,可得:
步骤4:在直角三角形OPiTi'中,计算rOTi'和∠OPiTi',可得:
步骤5:在扇形TiPiTi'中,计算∠TiPiTi'、和tTi时刻目标最短滞空时间t'Ti,可得:
∠TiPiTi'=∠OPiTi-∠OPiTi' (23)
对空中探测到的q个目标的滞空时间进行归一化处理,滞空时间越小,则相对突防概率Pf越大,相对突防概率Pf的计算公式如下:
综合突防概率D的计算公式为:
进一步的技术方案在于:所述目标的毁伤能力C的计算方法如下:
目标精度表现为弹药的命中概率,记为Pa,目标击中后造成的破坏记为Pd;数学期望反应随机变量的平均值,则目标的破坏期望表示目标的总体的破坏效能,用目标的破坏期望E表征目标的毁伤能力C;
对于巡航导弹B4和弹道导弹B5,目标的破坏期望F用下式表示:
F=PaPd (28)
对于轰炸机B1、攻击机B2和直升机B3,记目标最大可以携带m种类型弹药,第r种类型对应的命中概率记为Par,可携带第r种类型弹药数量为nr,击中后的造成的破坏记为Pdr;目标所携带第r种类型弹药服从二项分布X~N(nr,Par),由二项分布期望公式可得第i种类型弹药的破坏期望Fi为:
Fr=nrParPdr (29)
则目标的总体的破坏期望E为m种类型弹药的破坏期望的和,即,
对空中探测到的q种目标的破坏期望F进行归一化,即为目标的相对毁伤能力C:
采用上述技术方案所产生的有益效果在于:所述系统和方法中情报雷达将空情数据传输给雷达终端机,雷达终端机筛选出威胁度大的目标数据,并进行压缩后,通过北斗卫星系统传给指控终端机,指控终端机接收数据后,将数据解压并封装成固定格式,进而传给指控系统,从而完成空情数据的应急传输,保证维持防空系统的基本运转。
此外,所述方法在进行目标威胁判断的过程中通过目标敌我判别系数以及目标攻击意图构建目标的威胁意图;通过相对机动性能以及相对突防概率构建目标的综合突防概率;通过目标携带弹药的精度和数量构建目标毁伤能力,最后通过目标的威胁意图、目标的综合突防概率以及目标毁伤能力计算目标的作战效能,作战效能越大则目标的威胁程度越大。目标威胁判断方法充分考虑各个因素之间的相互关系,符合战术推理和战场实际情况。仿真表明,该目标威胁判断方法能得到有效、合理的威胁判断结果,能满足对空中目标的威胁判断。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述数据处理及传输系统的原理框图;
图2是本发明实施例所述系统中雷达终端机的原理框图;
图3是本发明实施例所述系统中指控终端机的原理框图;
图4是本发明实施例所述数据处理及传输方法中雷达终端机的处理流程图;
图5是本发明实施例所述目标威胁判断方法中目标空中示意图及坐标系建立图;
图6是本发明实施例所述目标威胁判断方法中目标在oxy平面的投影图;
图7是本发明实施例所述目标威胁判断方法中目标飞行航线在oxy平面上的投影图;
图8是本发明实施例所述方法中目标威胁判断的流程图;
图9是本发明实施例所述方法中指控终端机的处理流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示,本发明实施例公开了一种情报雷达空情数据传输系统,包括:情报雷达、雷达终端机、北斗卫星系统、指控终端机以及指控系统。所述情报雷达与所述雷达终端机之间双向数据交互,所述情报雷达用于将接收到的空情数据传输给雷达终端机进行处理;所述雷达终端机通过所述北斗卫星系统与所述指控终端机双向数据交互,所述雷达终端机用于根据目标威胁程度的大小筛选出目标数据,并将目标数据进行压缩后,通过北斗卫星系统传给指控终端机;所述指控终端机与所述指控系统之间双向数据交互,所述指控终端机接收到数据后,将数据解压并封装成固定格式,传输给指控系统,完成空情数据的应急传输。
进一步的,如图2所示,所述雷达终端机包括数据处理单元以及北斗客户机,所述数据处理单元包括微控制器模块,第一接口模块与所述微控制器模块双向连接,用于与所述情报雷达进行双向数据通信,接收所述情报雷达下传的空情数据;复位及配置系统与所述微控制器模块双向连接,用于实现对所述微控制器模块的复位以及配置;第二接口模块与所述微控制器模块双向连接,用于与北斗卫星系统中的北斗客户机进行数据交互,将所述微控制器模块处理后的数据传输给北斗系统;JATG调试接口模块与所述微控制器模块双向连接,用于实现调试装置与所述雷达终端机之间的连接,调试装置通过所述JATG调试接口模块实现对所述雷达终端机的调试;电源模块与所述雷达终端机中需要供电的模块的电源输入端连接,用于为所述雷达终端机中需要供电的模块提供工作电源。
雷达终端机和指控终端机的数据处理单元的硬件电路相同,如图3所示。优选的,所述微控制器模块使用LPC1768FBD100型处理器;所述第一接口模块以及第二接口模块包括RS232接口模块以及MAX3232模块;所述电源模块包括LM2596-12、LM2596-5、LM1117-3.3型电源转换芯片。
雷达终端机通过RS232接口接收雷达空情数据,经MAX3232电平转换后进入微控制器LPC1768FBD100。微控制器将格式封装的空情数据解析,筛选和压缩的同时,通过北斗客户机读取北斗指挥机卡号,然后经MAX3232和 RS232接口,将数据经北斗客户机和北斗卫星系统传输给指控终端机。指控终端机中的北斗指挥机接收数据后,传送给指控终端机数据处理单元。数据处理单元经MAX3232电平转换后,将数据传给微控制器LPC1768FBD100;微控制器将来自不同雷达的数据解压后,恢复出目标点迹数据,并添加报头、报尾等数据后,封装为标准情报格式数据,再通过MAX3232和RS232接口,将数据传给指控系统,实现基于北斗系统的空情数据处理及传输。
采用Cortex-M3型嵌入式处理器LPC1768FBD100作为微控制器。 LPC1768FBD100处理器在雷达终端机对实时接收的目标情报数据进行分帧、分批、威胁判断、数据压缩和上传处理。
LPC1768用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。ARM Cortex-M3 CPU具有3级流水线和哈弗结构,3级流水线的使用提高了处理器资源的使用效率。LPC1768微控制器的操作频率可达100MHz,有较强的运算能力。
LPC1768内置了嵌套的向量中断控制器(NVIC),它可以使中断得到高效处理。LPC1768处理器支持33个嵌套中断向量,有32个可编程的中断优先级。本申请主要用处理器实现接收中断和定时中断,并将接收中断的优先级设为最高优先级0。定时中断用于设定周期完成数据的发送。为了简化嵌套中断向量的编程,KEIL MDK软件提供了对嵌套中断向量控制寄存器进行操作的函数,包含使能中断、设置中断优先级、清除中断等。在KEIL MDK软件的启动代码中已经定义了标准的中断服务程序的函数名和中断号,编程时直接将中断程序放在已定义好的中断函数中,对中断函数操作时只需将对应的中断号放入操作的函数中,就可以完成中断函数的使能、优先级设置等操作。本申请使用微控制器的数据接收中断完成情报雷达数据的实时接收,用定时器中断实现数据压缩的周期设置。
LPC1768FBD100芯片集成了512KB的片内Flash存储器和64KB的静态 SRAM。512KB片内Flash存储器是一种片上非易失性寄存器,可提供高性能的代码和数据的固态存储,便于数据的存储和处理。64KB的静态SRAM控存储器包含一个32KB SRAM模块和2个16KB SRAM模块。其中32KB SRAM 模块可用于数据存储和代码存储,16KB SRAM模块也可用于数据存储和代码存储,同时它带独立访问路径,数据的传输速率相对32KB SRAM模块更快。因此,LPC1768FBD100芯片内集成的存储器可以满足短时间内雷达空情数据的存储和处理。
JTAG(Joint Test Action Group)调试模块用于实现微控制器的程序加载和软件调试。JTAG是一种国际标准测试协议。用于芯片内部测试,可直接对所有存储器、寄存器和外设设备进行调试;调试阶段不需要目标资源;可跟踪端口,使得CPU可以跟踪指令,通过4位跟踪数据端口跟踪输出。
JTAG在器件内部定义一个测试访问口。JTAG接口用于实现在线编程。 JTAG大致分两类,一类用于测试芯片的电气特性,检测芯片是否有问题;一类用于调试。本申请主要通过J-LINK仿真器和JTAG接口实现对微控制器的在线编程。在KEIL MDK的Debug session命令下,通过Watch窗口可以实时观察变量、数组的值,因此,通过设置断点可以观察中间数据处理的结果。通过 Memory窗口可以对处理器的内存进行观察,只需将内存的地址输入到Memory 窗口中。Logic Analyer窗口可以将变量的值通过曲线表示出来,本申请主要用Logic Analyer窗口观察引脚电平的变化。通过Disassembly窗口可以显示汇编程序,本申请主要通过Disassembly窗口实现程序的单步调试。通过JTAG接口访问CPU的内部寄存器和外设时,由于只有一条数据线,通信协议有必要像其它串行设备接口一样为串行传输。时钟由TCK引脚输入。配置是通过TMS引脚采用状态机的形式一次操作一位来实现。
在电气特性上,RS-232标准采用负逻辑方式,标准逻辑1对应-5V~-15V 电平,标准逻辑0对应+5V~+15V电平。TTL逻辑1电平的电压为+5V,逻辑 0电平电压接近0V。所以异步串口通信的TTL电平需要进行RS-232转换后,才能与RS-232接口连接并通信。MAX3232将RS232接口接收到的RS232电平信号转换成CPU可接收的TTL电平,并传输给CPU,然后将CPU处理后的 TTL电平信号转换为RS232电平,通过RS232接口发送给雷达或北斗客户端。
RS232接口是连接终端机和雷达、北斗客户端的接口。RS-232通信被广泛用于串行接口外设连接。它是一个全双工的通信标准,可以同时进行数据接收和发送工作。在RS-232标准中,字符是以一个比特串来一个接一个的以串行 (serial)方式传输,优点是传输线少,配线简单,传送距离可以较远。串行传输可分为异步串行传输和同步串行传输。异步串行传输没有同步时钟,异步串行主要以帧为单位,接收双方依据自定义的数据格式进行传输,常用的数据格式为1位起始位+8位数据位+1位停止位。因此,异步串行传输的速率由每秒传输的位数决定,即bps,常用的速率有9600bps和115200bps。本申请采用异步串行方式进行传输,LPC1768有4个异步串行通信接口。同步串行通信采用同步时钟作为接收双方的参考传输速率,因此,接收双方的时钟要求严格同步,并且接收双方需要同步时钟线。同步串行通信字符与字符之间、字符内部的位与位之间都同步。如图4-6所示,RS-232接口之间的通信只需要三根线即可完成。RXD用于串口接收数据,TXD用于串口发送数据,GND用于两个串口之间信号共地。此外,在信号线和地线上加上磁珠,磁珠的作用等效于电阻和电感的串联。同时,电流的频率越高,磁珠等效的电感越大,对电流的电抗越大。因此,磁珠用于消除直流信号中的射频噪声,从而保留直流有用信号。
电源模块主要是为主芯片、MAX3232和其它外设提供精确稳定的直流电压。电源系统通过外接变压器将市电220V的交流电压降压为12V的直流电压为整个硬件系统供电。12V的直流电压无法直接为主芯片、MAX3232和其它外设提供其所需要的直流电压,采用LM2596-12、LM2596-5、LM1117-3.3芯片对12V的直流电压降压为12.0V、5.0V、3.3V,从而为系统提供精确稳定的电压。
本发明实施例还公开了一种情报雷达空情数据传输方法,包括如下步骤:
情报雷达将接收到的空情数据传输给雷达终端机进行处理;
雷达终端机根据目标威胁程度的大小筛选出目标数据,并将目标数据进行压缩后,通过北斗卫星系统传给指控终端机进行处理;
指控终端机接收数据后,将数据解压并封装成固定格式,然后传送给指控系统,完成空情数据的应急传输。
雷达终端机主要对雷达探测的目标情报数据进行实时接收,进而将实时接收的点迹数据分帧、分批形成不同的目标航迹,然后对不同批号的目标进行威胁判断,选择威胁度高的目标压缩后通过北斗客户机上传。雷达终端机的软件设计主要包括系统配置、系统初始化、数据分帧和数据分批、威胁判断、数据压缩、数据上传等六个部分,如图4所示。
下面结合具体内容对目标威胁判断方法进行详细的说明:
战场假定:
战场假定为一个不含特殊武器和不考虑空中拦截的常规战场。即目标经过我方的警戒网,突防我方的防御网,对我方的目标进行攻击。假定我方目标的警戒网为警戒雷达获取的目标远距离情报,我方的防御网为高炮和导弹以及对应的制导雷达。目标与防御系统之间相互独立。对目标而言,假定除规避导弹所做的机动动作外,飞机发现我方目标后,经过最小转弯半径的转弯后,以直线飞临我方目标上空进行攻击。对于防御攻击敌方目标,仅考虑我方的高炮和导弹,不考虑我方战机拦截。只考虑目标的机动能力与目标的速度与目标类型有关,不考虑目标做复杂的机动以及对我方防御系统进行攻击,仅考虑目标对我方保护的目标进行攻击。认为目标通过我方突防区域,对目标完成攻击,即为突防成功并完成攻击任务。对于我方而言,无法明确的判定敌方目标是否使用电子干扰,因此不考虑敌方电子干扰的作用。
模型建立:
目标的威胁度表征为对我方可能造成毁伤大小程度的度量,目标对我方可能造成的毁伤越大,其威胁度越大。目标的作战效能表征为目标完成任务能力的大小,其任务就是摧毁我方目标,因此,可以用目标作战效能的大小衡量目标威胁度的大小。对于系统和武器等效能的评估,现在比较成熟的是美国工业界武器效能咨询委员会(WSEIAC)提出的E=A×D×C系统效能评估模型。所述方法以此模型为基础,通过确定各个参数的实际物理意义,对目标的作战效能进行评估。
对于WSEIAC提出的系统效能评估模型,其中E表示为目标的作战效能, A表示目标的威胁意图,D表示目标的综合突防概率,C表示目标的毁伤能力。从战场实际出发,只要是被我方警戒雷达发现的目标,目标都应该是正常的,其威胁意图A都应该是1。但是对于我方而言,只有确定了目标是敌方目标后并且对我方有攻击意图时,其作战效能才有意义。因此,用目标的敌我识别和目标的攻击意图来衡量目标的可用性。从我方警戒雷达发现敌方目标开始,目标就将处于我方的监测之中,如果进入我方防御范围之内,就可能随时被击毁。而敌方目标要想击毁我方目标,就必须通过我方的防御区,进而对我方进行打击。因此,目标的综合突防概率D用目标突防我方防御区的能力来表征。目标的毁伤能力C通过目标所携带弹药的类型、精度和数量综合进行表征。
敌我判别系数:
目标的属性可以分为三种,即敌方、不明和我(友)方。当前有关威胁判断和目标属性识别的文献所选用的参数过于理想,有些目标的参数我方雷达并不能准确的探测,而且有时根据目标的特征参数不能明确的判断目标属于哪种属性。所述方法从我方警戒雷达装载实际可获得的参数出发,给出目标敌我判别系数Pe,它表征了目标属于敌方程度的大小。综合敌我判别系数Pe可以大大减少我方对目标敌我识别的误判,而且可以根据雷达探测到的参数对综合敌我判别系数Pe实时进行改变,进而提高了敌我判别的精度。
雷达上装载的敌我识别(IFF)系统是判断目标敌我识别的最直接有效的方式。由我方雷达上装载的IFF询问机向目标发送两次询问信号,正常情况下,如果是我(友)方,将会通过应答机至少回复一次。没有回复的有可能是敌方、民航和应答器出现故障的我(友)方。记目标至少回复一次属于敌方的概率为 Pa1,没有回复情况下目标属于敌方的概率为Pa2。Pai(i=1,2)值的确定由我方战场数据统计给出。
现代化战争对目标进行空中打击,更多的会以一个机群编队(大于等于2 架)的方式对目标进行打击。机群编队一般包含不同类型的飞机,它们在攻击中起到的作用也各不相同。而民航则更多的以单个飞机进行飞行,因此在群特性上与敌机有较大的差异。对于我机而言,以机群编队的飞行,多架飞机的应答器同时出现故障的概率较小。不同属性的目标在群特性上有较大的差异,因此目标的群特性是区分目标敌我特性的一个重要特征。记群特性下目标属于敌方目标的概率为Pc1,非群特性下目标属于敌方目标的概率为Pc2。Pci(i=1,2)值的确定由敌我方战场数据和战例统计数据给出。
对于我方重要的目标,我方会对空域进行一定的管理和控制。对于我方目标和民航目标,会在空中留有空中走廊,空中走廊是一段空域,在雷达上它对应的方位角、仰角和斜距都有一定的范围,如果雷达连续多次探测到目标的飞行参数不在我方空中走廊对应的参数范围内,那么就极有可能不是我方目标。我方空域还会设置禁飞区域,一般我(友)机和民航不会出现在禁飞区,但是敌机极有可能出现在禁飞区。因此,空中走廊和空域可以作为敌我识别的一个判断因素。记目标在空中走廊和非禁飞区属于敌方目标的概率为Ps1,记目标不在空中走廊和在禁飞区属于敌方目标的概率为Ps2。Psi(i=1,2)的确定有敌我方战场数据统计给出。
飞行计划是飞行器确定好的飞行路线。包括固定的飞行时刻、飞行高度以及相对于我方的方位角等参数。民航机主要用于商业用途,其飞行时间和飞行参数一般较为固定。对于较为重要的我方目标而言,我(友)机飞临时,也会预先有相应的飞行计划告知我方出现。但是对于敌机而言,其出现的时刻和飞行参数具有很大概率的不确定性。因此,根据目标是否在我方已知的飞行计划之内可以判断目标是否是我方目标。记目标在飞行计划内属于敌方的概率为Pb1,不在飞行计划内属于敌方目标的概率记为Pb2。
Pbi(i=1,2)值的确定由战场数据统计给出。
根据上文分析,敌我判别特征因素的取值和概率分布如表1所示:
表1特征因素取值
Table 1 Value of characteristic factors
根据探测到目标相应的敌我特征因素的值,可以计算综合敌我判别系数 Pe如公式1所示。其中i的取值由目标特征的取值所确定。
Pe=PaiPciPsiPbi(i=1或2) (1)
目标攻击意图:
根据警戒雷达实际获得的目标参数,给出目标攻击意图的确定方法。雷达可以直接获取目标的仰角、距离、方位。间接获取的目标因素有速度、加速度、航向角、航路捷径等。目标在空中时建立坐标系如图5所示,其中在oxy平面上的投影如图6所示。
如图5所示,以我方O为原点,目标在t1时刻位于T1处,距离为lT1,方位角为αT1,仰角为βT1,目标在oxy平面上的投影为T1'。距离经过一次雷达扫描周期(t2-t1)之后,在t2时刻探测到目标位于T2处,距离为lT2,方位角为αT2,仰角为βT2,目标在oxy平面上的投影为T2'。如图6所示,在t1时刻目标在oxy平面上距我方的距离为rT1,在t2时刻目标在oxy平面上距我方的距离为rT2,从t1时刻到t2时刻目标的方位角变化为αT12。
警戒雷达主要作用在于从远距离发现目标。从敌方攻击和我方防御考虑,当目标据我方较远时,相对于目标的其它运动参数,目标相对于我方的运动趋势表征了其攻击意图。若目标相对我方有靠近的趋势,就认为该目标对我方攻击意图的可能性大。因此攻击意图由目标的运动方向和目标的方位决定,并将其记为PI,PI表征了目标对我方攻击意图大小程度。如图6所示,目标的速度方向与OT1'的夹角∠OT1'T2'反应了目标攻击意图的大小程度,∠OT1'T2'越小,则 (180-∠OT1'T2')越大,目标的攻击意图越大。(180-∠OT1'T2')的取值大小范围为0°~180°,将其归一化,即为PI,如公式(2)所示:
攻击意图PI的计算过程如下:
步骤1:由雷达获取目标t1时刻的斜距lT1,方位角αT1,仰角βT1;t2时刻的斜距lT2,方位角αT2,仰角βT2,得:
步骤2:在三角形OT1'T2'中,求解rT1'T2'和∠OT1'T2',得:
步骤3:将∠OT1'T2'代入公式(2),求得目标攻击意图PI。
综合敌我判别系数和目标攻击意图,给出目标威胁意图A的计算公式如下所示:
所以,A表征了目标攻击我方目标的可能性和程度大小。
目标类型和目标滞空时间:
由建立的目标对地作战效能模型可知,目标的可信度D用目标突防我方防御区的能力来表征。目标的突防能力与目标的机动性和目标在我方打击范围内的滞空时间有关。目标的机动性越大,目标的突防能力越大。而目标的机动性主要与目标的类型有关。目标在我方打击范围内的滞空时间越短,敌方被击毁的概率越小,目标的突防能力越强。而目标的滞空时间主要与目标的飞行路线和飞行速度有关。
基于灰度关联的目标类型识别:
由于低分辨雷达可获得的目标参数有限,所以无法将目标类型准确的分辨出来。但可以根据不同类型目标飞行参数之间的差异,对目标类型进行粗略的区分。所述方法根据警戒雷达实际可探测的参数,进而提出不同类型目标的特征因素。通过灰度关联算法确定目标特征和不同类型特征之间的关联度,根据关联度确定目标的类型。
灰色关联度以数学空间理论为基础,采用关联系数和关联度量化两个多因素样本之间的贴近程度。与传统比较多因素样本的方法相比,它的优点在于对数据量的要求低而且计算量小。它主要是通过关联系数表
征各个因素之间的贴近程度和变化趋势,两个样本因素之间的贴近程度越紧密,变化趋势越相似,因素间的关联系数越大,反之,关联系数小。然后综合样本各个因素之间的关联系数,确定样本之间的关联度。
考虑到警戒雷达探测到的目标参数和目标的飞行特征,采用目标的飞行速度V、飞行高度H、编队架数C、发现距离L作为目标的飞行特征因素。根据目标飞行参数间的差异将目标类型分为轰炸机B1、攻击机B2、直升机B3、巡航导弹B4、弹道导弹B5。根据战场统计数据确定不同类型的特征因素的值,将雷达探测的目标参数与不同类型的特征参数做灰度关联,则目标就是关联度最大对应的目标类型。经文献查阅和战场数据统计,不同类型对应的特征因素的值如表2所示,该表的值可以根据以后战场的实际情况做出更改。
表2空袭目标特征数据
Table 2 Characteristic data of air raid targets
记探测到的目标为X0=(x0(1),x0(2),x0(3),x0(4)),其中x0(1)、x0(2)、x0(3)、x0(4) 分别表示目标的飞行速度V、飞行高度H、编队架数C、发现距离L。记参考数列X1、X2、X3、X4、X5分别表示轰炸机B1、攻击机B2、直升机B3、巡航导弹B4、民航B5的特征参数序列。灰度关联算法步骤如下:
步骤1:灰度关联算法需要各个特征因素之间的数量级相同,所以将参考数列和目标数列归一化,即用各个数列特征因素的值比上特征因素的上限值,如公式(7)所示,得相对比较矩阵Y,如式(8),
其中当xi(k)为取值范围时,取其中间值。
步骤2:计算目标与不同类型之间的差异值矩阵Z,其中目标与第i种类型的差异值序列Z1=(z1(1),z1(2),z1(3),z1(4)),zj(k)的值如式(9)所示,
zj(k)=|y0(k)-yj(k)|(1≤j≤5,1≤k≤4) (9)
步骤3:计算探测目标与Bj类型目标的第k个特征因素的关联系数εj(k)为,
其中,
步骤4:计算探测目标与Bj类型目标的关联度aj,如式(13),
最后确定目标为关联度aj对应的目标类型Bj,根据战场统计数据和空袭兵器的资料确定目标类型Bj的归一化相对机动性能为Pmj(1≤j≤5)。
目标滞空时间:
目标被我方雷达探测到之后,就在我方的跟踪、打击范围内。目标在我方可探测、打击空域内的滞空时间越长,被击毁的概率越大,其突防能力越弱。从战术推理可知,目标以最大过载加速度转弯,直到目标的速度方向与我方的方向相同,之后直线飞行到我方上空,此时,目标的滞空时间最短,为目标的最佳飞行路线[12]。目标的最短滞空时间t'Ti由目标的速度、航向角、方位角、距离和最大机动过载决定。目标的飞行路线在oxy平面上的投影如图7所示:
如图7所示,探测到tTi时刻目标位于Ti处,目标以最小转弯半径Rmin飞行到Ti'处,此时,目标的速度方向与Ti'O的方向相同,而后沿直线Ti'O飞行到我方O点。由雷达直接探测到的目标参数,即斜距lTi(未画出,如图5所示)、方位角αTi、仰角βTi(未画出,如图5所示),斜距lTi在oxy平面上的投影为rTi。计算最短滞空时间,其计算步骤如下:
步骤1:计算∠OTi”Ti'Ti”',考虑目标的航向角在短期内不发生变化,将目标前一时刻tTi1时的距离、仰角和方位分别记为lTi1、βTi1和αTi1。如图6所示,由公式(3)可得,目标t1时刻在oxy平面上的投影点T1'的坐标为T1'(lT1cosβT1cosαT1, lT1cosβT1sinαT1),t2时刻在oxy平面上的投影点T2'的坐标为T2'(lT2cosβT2cosαT2, lT2cosβT2sinαT2)。在直角三角形T2'T1'q中,可得∠T2'T1'q为:
同理可得∠Ti”TiTi”'为:
目标在oxy平面上的速度vTi'为:
步骤2:由∠Ti”TiTi”',计算∠Ti”TiO和∠OTiPi,可得:
∠Ti”TiO=αTi1-∠Ti”TiTi”' (17)
步骤3:在三角形OTiPi中,计算rOPi和∠TiPiO,可得:
步骤4:在直角三角形OPiTi'中,计算rOTi'和∠OPiTi',可得:
步骤5:在扇形TiPiTi'中,计算∠TiPiTi'、和tTi时刻目标最短滞空时间t'Ti,可得:
∠TiPiTi'=∠OPiTi-∠OPiTi' (23)
对空中探测到的q个目标的滞空时间进行归一化处理,滞空时间越小,则相对突防概率Pf越大,
综合目标类型和滞空时间,得综合突防概率D为:
目标携带弹药的精度和数量:
目标的毁伤能力C与目标的类型有关,对于巡航导弹B4和弹道导弹B5,其个数可以通过雷达直接探测出来,它的毁伤能力与目标的精度和目标击中我目标之后造成的破坏力有关。对于轰炸机B1、攻击机B2和直升机B3,雷达无法直接探测其携带的弹药的类型和数量。因此,需要根据战场统计资料和经验确定目标携带武器的类型和数量。目标精度表现为弹药的命中概率,记为Pa,目标击中后的造成的破坏记为Pd。数学期望反应随机变量的平均值,则目标的破坏期望表示目标的总体的破坏效能。因此,用目标的破坏期望E表征目标的毁伤能力C。
对于巡航导弹B4和弹道导弹B5,目标的破坏期望F可用下式表示,
F=PaPd (28)
对于轰炸机B1、攻击机B2和直升机B3,由战术推理可知,目标空袭我方,必然会携带最大载弹量攻击我方。通过战场统计数据和情报确定其最大携带的弹药类型、对应的精度和数量,记目标最大可以携带m种类型弹药,第r种类型对应的命中概率记为Par,可携带第r种类型弹药数量为nr,击中后的造成的破坏记为Pdr。由战场实际情况,假设空袭目标所投弹药命中我方目标的事件之间相互独立。因此,目标所携带第r种类型弹药服从二项分布X~N(nr,Par),由二项分布期望公式可得第i种类型弹药的破坏期望Fi为,
Fr=nrParPdr (29)
则目标的总体的破坏期望E为m种类型弹药的破坏期望的和,即,
对空中探测到的q种目标的破坏期望F进行归一化,即为目标的相对毁伤能力C,
综上所述,目标威胁意图A、综合突防概率D、目标毁伤能力C的所有参数全部计算之后,目标对我方的作战效能E为,
最终,根据作战效能E的大小对目标的威胁度由大到小进行排序。综上,目标威胁判断的流程如图8所示。
雷达终端机读到指挥机的卡号后,将压缩后的数据传给指挥机。指控终端机对指挥机中的数据实时接收,对接收的数据进行分帧、分批,成不同目标的点迹。对目标进行解压恢复目标的所有原始点迹。对点迹添加报头等信息恢复固定情报格式,然后上传到指控系统。指控终端机数据处理的流程包括系统配置、系统初始化、数据分帧和数据分批、数据恢复和数据上传等五部分。指控终端机的数据处理流程如图9所示。指控终端机和雷达终端机都采用嵌入式处理器LPC1768FBD100,所以指控终端机和雷达终端机的时钟设置相同,都将处理器的频率设置为100MHz。此外,定时器和UART的设置和雷达终端机基本相同,只是定时时间和波特率上有一定差异。