CN114239305A - 一种战场态势场景仿真激励系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种战场态势场景仿真激励系统，包括系统管理与显示模块、战情态势仿真模块、模型建模和基础动作库建模模块；所述系统管理与显示模块通过XML配置文件和界面输入实现系统管理、记录回放、仿真显示和驱动管理；所述战情态势仿真模块对所需作战场景进行设计和仿真实现，同时对作战场景和任务进行任务规划推演；所述模型建模模块对飞机特性、雷达模型和飞机飞行方式进行；所述基础动作库建模模块对飞机飞行动作和航点进行建模。

Description

一种战场态势场景仿真激励系统

技术领域

本发明属于微波雷达技术领域，具体涉及一种战场态势场景仿真激励系统。

背景技术

现有的战场态势场景仿真激励仅能加载飞机模型，并进行简单仿真，应用前景小，无法与雷达目标激励设备、雷达、以及雷达综合显控系统进行数据交互并形成系统数据闭环，其仿真不具备真实可参考性。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种战场态势场景仿真激励系统。

技术方案：本发明的一种战场态势场景仿真激励系统，包括系统管理与显示模块、战情态势仿真模块、仿真配置模块、模型建模和基础动作库建模模块；

所述系统管理与显示模块包括系统管理子模块、记录回放模块、驱动管理模块和仿真显示模块，通过通过XML配置文件和界面输入依次实现系统管理、记录回放、仿真显示和驱动管理；

所述战情态势仿真模块包括平台仿真、态势仿真、任务规划、任务推演和阵面控制子模块，通过这5个模块实现对所需作战场景进行设计和仿真实现，同时对作战场景和任务进行任务规划推演；

所述仿真配置模块包括测试用例配置子模块、系统参数配置子模块和模型参数配置子模块，以此对系统参数、飞机模型参数、测试用例和通信接口进行配置；

所述模型建模模块包括飞机特性子模块、雷达建模子模块和飞行方式子模块，进而对飞机的飞机特性、雷达模型和飞机飞行方式进行建模仿真；

所述基础动作库建模模块包括直飞子模块、转弯子模块、爬升俯冲子模块和航路点机动子模块，实现多种飞行方式的仿真；

系统管理与显示模块实时运行作战场景态势数据，仿真配置模块对各类参数进行配置，战情态势仿真模块根据场景推演产生态势目标信息、载机信息和阵面控制信号，并由系统管理与显示模块分别传输至雷达目标激励设备、雷达综合显控激励设备和阵面控制设备；阵面控制设备接收数据并解析数据，通过阵面控制信号和阵面控制设备来控制外部阵面系统；其中作战场景态势数据包括载机平台数据、目标数据和物理环境数据。

进一步地，所述系统管理与显示模块的系统管理子模块进行身份认证、权限管理、运行状态管理和实时处理；

通过身份认证对系统用户权限进行区分分配和验证，再由权限管理为不同用户进行对应授权；

所述运行状态管理包括实时模式和非实时模式，非实时模式包括系统预配置、初始化、配置和关闭四个状态，实时模式包括启动、保持、运行、复位、回放、容错六个状态；

所述实时处理包括人机交互模块、实时调度模块、时钟同步管理模块和数据通信与公共数据区管理模块；其中，人机交互模块实现用户和系统间以及系统内部信息的交互和显示中心，所述实时调度模块实现周期性任务调度、偶发任务调度和后台任务调度；所述时钟同步管理模块为仿真任务实现定时和计时，所述数据通信和公共数据区管理模块为仿真任务提供通信和公共数据区管理。

进一步地，所述身份认证的具体过程如下：

使用者先输入用户名和密码，提供若干组用户名和密码，分别具有不同的战场态势场景仿真激励软件使用权限；

如果为空，则会要求继续输入；如果不为空，则与用户名和密码进行比较，如果输入错误，提示输入错误并清空输入框；如果与三组用户名和密码中任意一组匹配，则进入战场态势场景仿真激励软件主界面；如果使用“观察员账号”，进入数据监控界面后，菜单栏所有选项的“Enabled”属性设置为“False”，此时不能对各个功能模块进行操作，只能进行简单的数据监控；如果使用“操作员账号”，进入主界面后，只可操作自主飞行仿真的相关模块并实现其功能；如果使用“工程师账号”，则使用本系统全部功能，菜单栏所有选项的“Enabled”属性设置为“True”；所有可进入主界面的用户，在使用过程中均将在系统状态栏显示“当前操作员为：***”，*号代表登录界面输入的用户名；

其中，身份认证过程中，不同用户身份有不同的权限管理。

进一步地，所述人机交互模块包括：

仿真配置与设置模块实现仿真任务在仿真计算节点的分配，并完成任务的初始化参数设置；

操作控制服务模块为用户提供控制战场态势场景仿真激励软件运行的相应命令，包括仿真任务注册和初始化、仿真开始、回放、和结束；

系统运行状态显示模块实时监控战场态势场景仿真激励软件的运行状态，为用户显示仿真任务执行过程中产生的性能数据、系统消息、节点状态和故障情况等，建立运行日志；数据采集分析与存储模块实时采集数据，进行分析，并将分析结果处理及存储。

进一步地，所述实时调度模块包括：

周期性任务调度器模块根据战场态势场景仿真激励软件的运行状态，将对载机、目标飞机和雷达仿真模型的计算组织成周期性处理任务，并确定各种周期性处理任务的优先级和执行顺序，保证这些任务在截止期前执行完毕；

偶发任务调度模块缓冲和预处理由人机交互模块发送的各种控制指令以及仿真执行过程中触发的相应事件信息，在周期性任务执行完毕后立即对这些事件的处理任务进行调度；

后台任务调度模块在对周期性任务和偶发任务调度完毕后，将剩余CPU时间安排给仿真数据存储和曲线绘制任务；

此处所述事件信息是指态势仿真过程中，敌我双方飞机飞行、遭遇、双方飞机雷达扫描与截获、导弹发射、飞机曲线飞行躲避导弹等事件信息。

进一步地，所述战情态势仿真模块基于HLA和MSDL搭建战情态势仿真环境，包括平台仿真、态势仿真、任务规划和任务推演以及阵面控制；

所述平台仿真描述目标平台的固有属性和功能以及作战行为；

所述态势仿真基于OSG模拟参参战实体的三维实体模型和地理环境，然后根据仿真数据流内容将实体模型缩放适当的倍数之后显示到场景中，并且根据每一帧网络数据包内位置姿态信息的不同重新渲染模型的位置姿态；

所述任务规划和任务推演是指根据任务的预定目标规划本次任务的飞行轨迹，并将规划好的航点和航线保存在数据库；

所述阵面控制是指通过阵列系统内的开关矩阵实现与阵面系统的通讯以及控制天线阵面。

进一步地，所述模型建模模块中实现飞机仿真模型具体内容如下：

步骤1、对飞机参数的设置和初始化，包括RCS数据、最大速度、最大G值、初始姿态、初始位置、作战任务等信息；

步骤2、然后飞机结合当前态势和飞机动作库做出相关机动决策，包括规避、攻击；

步骤3、接着根据决策信息，进行相关数据的坐标转换，并结合飞机三自由度运动方程做出姿态、位置等的时间推进；

步骤4、同时根据当前飞机武器、雷达等配置情况，输出相关控制信息，如雷达由搜索模式进行攻击模式、武器进行攻击等；

步骤5、上诉时间推进执行完之后，如过没有结束仿真则进行循环步骤2和步骤3，反之则停止仿真；

其中，三自由度质心动力学方程为：

飞行状态量为

，其中

为飞机速度，

为俯仰角，

为偏航角，X、Y、Z为 飞机在空间绝对坐标下的三轴坐标；控制量为

，其中

为飞机纵向过载，

为飞 机法向过载，

为飞机滚动角；、和

为航迹速度矢量在

中的分量；

、

、

为角速度

在

中的分量，

为地轴系到机体系的转换矩阵。

进一步地，所述模型建模模块包括场景管理模块、交会计算仿真模块、工作模式仿真模块、波束调度仿真模块、目标检测仿真模块和航迹处理仿真模块；所述场景管理模块导入外部态势数据，结合用户的雷达探测信息和工作参数，所述交会计算仿真模块、工作模式仿真模块、波束调度仿真模块、目标检测仿真模块和航迹处理仿真模块依次进行交会计算、工作模式仿真、波束调度仿真、目标检测仿真和航迹处理仿真，最终输出工作状态信息和雷达探测信息；

所述交会计算仿真模块将目标的位置转换成天线系下的极坐标表示，并将目标速度转换成径向速度；具体如下：交会计算仿真模块内的相对位置解算法首先将载机和目标的大地坐标转换为地心坐标，再将目标的地心坐标转换为以载机位置为原点的东北天坐标，最后将东北天坐标转换为极坐标，得到目标相对于雷达的方位、仰角、距离；交会计算仿真模块内的相对速度解算法将地理系速度依次转化为地心系速度和径向速度最终得到目标的径向速度；

所述波束调度仿真模块通过雷达视距和雷达探测角度范围来判断目标是否满足雷达通视条件；

通过所述工作模式仿真模块进行机载火控雷达工作模式的管理、工作模式的切换；

所述波束调度仿真模块根据载机位置、雷达工作模式参数来模拟雷达工作状态，实现目标搜索、跟踪波束调度管理，具体依次包括搜索扫描图形、定点跟踪模型、TAS波束调度；

所述目标检测仿真模块根据雷达和目标的位置信息计算目标的相对位置信息，再将此相对位置信息与测向误差叠加，得到目标位置的角度、速度和距离信息；

所述航迹处理仿真模块基于目标点迹数据进行滤波仿真得到目标的航迹起始数据、航迹维持数据和航迹终止数据。

进一步地，所述基础动作库建模模块中目标机动能力仿真的具体过程如下：

首先，基于机动算法库配置需要实现的机动能力，并进行相应参数设置；

根据所选择机动模型和相关参数，并结合外部控制信息，选择相关机动算法，实现机动位置推算；

结合外部控制信息，如果没有收到停止命令，则继续上述循环，否则停止仿真。

进一步地，所述基础动作库建模模块中飞行方式仿真包括平飞、蛇形机动、俯冲、爬升、盘旋、转弯、平飞、蛇形机动、目标位置计算以及机动组合策略，

对上述飞机机动动作的控制方法如下：

根据驾驶员操纵飞机动的特点、不同阶段的操纵目标以及飞机当前状态与要求状态的差异选择开环或闭环控制；

当要求的运动参数和当前运动参数相差较大时，则开环控制即按照飞行员实际操纵经验大幅度改变控制量的值，以迅速改变运动参数：

开环控制算法为：

；

式中，

为控制量；

为控制量的变化率；

为控制量的某个要求值；

当要求的运动参数与当前参数接近，且对运动参数需要作精确控制时，则选择闭环控制：按偏差的比例－微分－积分控制：

式中，

为传递函数的拉氏变换；

为运动参数误差的拉氏变换；

。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明能够与真实雷达及雷达目标激励设备和雷达综合显控激励设备进行数据交互，形成一个系统闭环，构建更加真实的体系协同作战场景与环境。

（2）本发明综合运用数字仿真与实物模拟手段，构建近实战的复杂电磁环境和新型作战对象模拟环境，形成产品研制过程的多手段联合试验验证能力、试验与训练一体化能力，实现面向作战应用的装备战技性能试验与训练，为雷达性能的迭代优化提供支撑，为军方实战应用实现先期性能验证。（3）本发明的飞行数据来源于真实飞行数据，并进行多次推演仿真，仿真结果更加贴近真实飞行结果。

（4）本发明能够与真实雷达、雷达目标激励设备和雷达综合显控激励设备进行数据交互并形成数据链闭环，仿真结果真实可靠。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明中身份认证流程图；

图3为本发明中运行状态管理流程图；

图4为本发明中飞行仿真实时处理图；

图5为实施例中平台属性示意图；

图6为实施例中态势仿真图；

图7为实施例中态势仿真实现流程图；

图8为实施例中任务规划平台模块图；

图9为实施例中任务推演示意图；

图10为实施例中阵面示意图；

图11为实施例中探测仿真模型图；

图12为实施例中探测仿真模型逻辑流程图；

图13为实施例中目标相对位置解算流程图；

图14为实施例中目标相对速度解算流程图；

图15为实施例中工作模式转换图；

图16为实施例中二维相控阵雷达扫描波束排布示意图；

图17为实施例中二维相控阵雷达波束扫描示意图；

图18为实施例中搜索扫描图形；

图19为实施例中目标测量算法流程图；

图20为实施例目标跟踪状态转换图；

图21为实施例目标机动仿真实现示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种战场态势场景仿真激励系统，包括系统管理与显示模块、战情态势仿真模块、仿真配置模块、模型建模和基础动作库建模模块；所述系统管理与显示模块包括系统管理子模块、记录回放模块、驱动管理模块和仿真显示模块，通过通过XML配置文件和界面输入依次实现系统管理、记录回放、仿真显示和驱动管理；所述战情态势仿真模块包括平台仿真、态势仿真、任务规划、任务推演和阵面控制子模块，通过这5个模块实现对所需作战场景进行设计和仿真实现，同时对作战场景和任务进行任务规划推演；所述仿真配置模块包括测试用例配置子模块、系统参数配置子模块和模型参数配置子模块，以此对系统参数、飞机模型参数、测试用例和通信接口进行配置；所述模型建模模块包括飞机特性子模块、雷达建模子模块和飞行方式子模块，进而对飞机的飞机特性、雷达模型和飞机飞行方式进行建模仿真；所述基础动作库建模模块包括直飞子模块、转弯子模块、爬升俯冲子模块和航路点机动子模块，实现多种飞行方式的仿真；系统管理与显示模块实时运行作战场景态势数据，仿真配置模块对各类参数进行配置，战情态势仿真模块根据场景推演产生态势目标信息、载机信息和阵面控制信号，并由系统管理与显示模块分别传输至雷达目标激励设备、雷达综合显控激励设备和阵面控制设备；阵面控制设备接收数据并解析数据，通过阵面控制信号和阵面控制设备来控制外部阵面系统；其中作战场景态势数据包括载机平台数据、目标数据和物理环境数据。

本实施例的本实施例的系统管理与显示模块的系统管理子模块进行身份认证、权限管理、运行状态管理和实时处理；

通过身份认证对系统用户权限进行区分分配和验证，再由权限管理为不同用户进行对应授权；

如图3所示，运行状态管理包括实时模式和非实时模式，非实时模式包括系统预配置、初始化、配置和关闭四个状态，实时模式包括启动、保持、运行、复位、回放、容错六个状态；

如图4所示，实时处理包括人机交互模块、实时调度模块、时钟同步管理模块和数据通信与公共数据区管理模块；其中，人机交互模块实现用户和系统间以及系统内部信息的交互和显示中心，所述实时调度模块实现周期性任务调度、偶发任务调度和后台任务调度；所述时钟同步管理模块为仿真任务实现定时和计时，所述数据通信和公共数据区管理模块为仿真任务提供通信和公共数据区管理。

如图2所示，本实施例的身份认证的具体过程如下：

使用者先输入用户名和密码，提供若干组用户名和密码，分别具有不同的战场态势场景仿真激励软件使用权限；

如果为空，则会要求继续输入；如果不为空，则与用户名和密码进行比较，如果输入错误，提示输入错误并清空输入框；如果与三组用户名和密码中任意一组匹配，则进入战场态势场景仿真激励软件主界面；如果使用“观察员账号”，进入数据监控界面后，菜单栏所有选项的“Enabled”属性设置为“False”，此时不能对各个功能模块进行操作，只能进行简单的数据监控；如果使用“操作员账号”，进入主界面后，只可操作自主飞行仿真的相关模块并实现其功能；如果使用“工程师账号”，则使用本系统全部功能，菜单栏所有选项的“Enabled”属性设置为“True”；所有可进入主界面的用户，在使用过程中均将在系统状态栏显示“当前操作员为：***”，*号代表登录界面输入的用户名；

其中，身份认证过程中，不同用户身份有不同的权限管理。

本实施例的人机交互模块包括：

仿真配置与设置模块实现仿真任务在仿真计算节点的分配，并完成任务的初始化参数设置；

操作控制服务模块为用户提供控制战场态势场景仿真激励软件运行的相应命令，包括仿真任务注册和初始化、仿真开始、回放、和结束；

系统运行状态显示模块实时监控战场态势场景仿真激励软件的运行状态，为用户显示仿真任务执行过程中产生的性能数据、系统消息、节点状态和故障情况等，建立运行日志；数据采集分析与存储模块实时采集数据，进行分析，并将分析结果处理及存储。

本实施例的实时调度模块包括：

周期性任务调度器模块根据战场态势场景仿真激励软件的运行状态，将对载机、目标飞机和雷达仿真模型的计算组织成周期性处理任务，并确定各种周期性处理任务的优先级和执行顺序，保证这些任务在截止期前执行完毕；

偶发任务调度模块缓冲和预处理由人机交互模块发送的各种控制指令以及仿真执行过程中触发的相应事件信息，在周期性任务执行完毕后立即对这些事件的处理任务进行调度；

后台任务调度模块在对周期性任务和偶发任务调度完毕后，将剩余CPU时间安排给仿真数据存储和曲线绘制任务；

此处所述事件信息是指态势仿真过程中，敌我双方飞机飞行、遭遇、双方飞机雷达扫描与截获、导弹发射、飞机曲线飞行躲避导弹等事件信息。

本实施例的战情态势仿真模块基于HLA和MSDL搭建战情态势仿真环境，包括平台仿真、态势仿真、任务规划和任务推演以及阵面控制；所述平台仿真描述目标平台的固有属性和功能以及作战行为；所述态势仿真基于OSG模拟参参战实体的三维实体模型和地理环境，然后根据仿真数据流内容将实体模型缩放适当的倍数之后显示到场景中，并且根据每一帧网络数据包内位置姿态信息的不同重新渲染模型的位置姿态；所述任务规划和任务推演是指根据任务的预定目标规划本次任务的飞行轨迹，并将规划好的航点和航线保存在数据库；所述阵面控制是指通过阵列系统内的开关矩阵实现与阵面系统的通讯以及控制天线阵面。

如图5所示，本实施的平台仿真中平台实体包括各类地面、空中及海上目标等，平台实体的仿真是战场态势仿真的主要内容，它包括各种特征属性和子模块。

如图6和图7所示，本实施例态势仿真的创建基于OSG和osgEarth，主要由4个模块组成，分别是地理环境模块、态势管理模块、天气模块和界面模块；界面控制模块实现对效果模块、地理环境模块和调试管理模块的统一控制；地理环境模块实现对影像数据、高程数据以及矢量数据的管理，同时提供了天空环境以及海洋的环境，是态势显示的基础模块，此模块的目的主要是对虚拟地球的构建；态势管理模块包括对态势的显示、表达、存储以及控制，这部分又可以分为四个子模块，分别为：态势编辑模块、态势存储和服务模块、态势播放模块和态势分析模块。本模块和地理环境模块将在后文进行详细说明；效果模块对整个地理环境和态势做出界面效果，同时包含了一些自定义的特殊效果。

如图8所示，本实施例的任务规划平台由环境配置模块和系统设置模块构成，环境配置模块包括会话服务，地图服务，数据服务等。会话服务对任务规划平台的环境配置模块和通用设置模块的管理，提供支撑环境与通用模块的互操作、互识别机制; 地图服务能够支持二/三维地图同步漫游、地图缩放，能够支持地理信息数据的访问、管理与显示，提供统一的二/三维战场态势标绘、图层控制、显示控制等服务; 数据服务提供了规范的数据访问、存储、更新以及其它相关操作的服务接口; 通信服务屏蔽了复杂的通信实现细节，提供简单的通信接口。系统设置模块能够实现任务规划的工作流程，包括命令解析、航线规划、航线检查等。其中，命令解析是对态势指令进行解析，为任务规划生成战场态势，根据规划任务依赖地图服务实现态势生成与编辑功能; 航线规划提供通用的航线管理功能，提供完整的基本的航线定义和数据结构并支持航线对象在图形、表格与对话框等多种视图下的显示编辑。

如图9所示，本实施例的任务推演对任务规划的各种规划数据进行动态的演示，用来保证满足任务执行的条件，达到任务要求的效果。任务推演主要包括7个模块：数据库及接口模块、配置管理模块、参数设置模块、任务推演模块、数据处理模块、推演控制模块和综合显示模块组成。

如图10所示，本实施例的阵面控制通过网络数据交互的方式，与客户现有阵面控制系统进行通讯，发送控制命令，间接控制阵面系统

如图21所示，本实施例的模型建模模块中实现飞机仿真模型具体内容如下：

步骤1、对飞机参数的设置和初始化，包括RCS数据、最大速度、最大G值、初始姿态、初始位置、作战任务等信息；

步骤2、然后飞机结合当前态势和飞机动作库做出相关机动决策，包括规避、攻击；

步骤3、接着根据决策信息，进行相关数据的坐标转换，并结合飞机三自由度运动方程做出姿态、位置等的时间推进；

步骤4、同时根据当前飞机武器、雷达等配置情况，输出相关控制信息，如雷达由搜索模式进行攻击模式、武器进行攻击等；

步骤5、上诉时间推进执行完之后，如过没有结束仿真则进行循环步骤2和步骤3，反之则停止仿真；

其中，三自由度质心动力学方程为：

飞行状态量为

，其中

为飞机速度，

为俯仰角，

为偏航角，X、Y、Z 为飞机在空间绝对坐标下的三轴坐标；控制量为

，其中

为飞机纵向过载，

为 飞机法向过载，

为飞机滚动角；、和

为航迹速度矢量在

中的分量；

、

、

为角速度

在

中的分量，

为地轴系到机体系的转换矩阵。

上述过程中具体还需要应用到飞机质心运动方程、机体轴系中的指定运动方程、飞机三自由度运动方程。

如图11和图12所示，本实施例的模型建模模块中的雷达仿真模型模块包括场景管理模块、交会计算仿真模块、工作模式仿真模块、波束调度仿真模块、目标检测仿真模块和航迹处理仿真模块；所述场景管理模块导入外部态势数据，结合用户的雷达探测信息和工作参数，所述交会计算仿真模块、工作模式仿真模块、波束调度仿真模块、目标检测仿真模块和航迹处理仿真模块依次进行交会计算、工作模式仿真、波束调度仿真、目标检测仿真和航迹处理仿真，最终输出工作状态信息和雷达探测信息。

本实施例中，交会计算仿真模块的输入信息为载机信息和目标位置和目标速度，输出信息为目标在地理系下的极坐标位置和目标的相对速度。交会计算仿真模块将目标的位置转换成天线系下的极坐标表示，并将目标速度转换成径向速度；具体如下：交会计算仿真模块内的相对位置解算法首先将载机和目标的大地坐标转换为地心坐标，再将目标的地心坐标转换为以载机位置为原点的东北天坐标，最后将东北天坐标转换为极坐标，得到目标相对于雷达的方位、仰角、距离；交会计算仿真模块内的相对速度解算法将地理系速度依次转化为地心系速度和径向速度最终得到目标的径向速度。

如图13所示，相对位置解算的具体流程为：

大地坐标系（L，A，H）到地心坐标系（X，Y，Z）转换公式为：

其中：

N—卯酉圈曲率半径；

—地球椭球长半径；

e—地球椭球第一偏心率。

地心坐标系到东北天坐标系（地理坐标系）的转换公式为：

沿Zg轴平移-NesinL的转换矩阵：

绕平移后的Zg轴旋转A的转换矩阵：

绕旋转后的Yg轴旋转L的转换矩阵：

绕旋转后的Xg轴平移H的转换矩阵：

东北天坐标系到极坐标系的转换公式为：

。

如图14所示，目标相对速度解算流程为：

东北天地理系三向速度

到地心系下的转换公式为：

借助上述公式，可得目标在地心系下的速度

。

在相对位置解算过程中，可得到目标地心坐标

，故可解算出目标径向 速度为：

其中，

，为目标和雷达之间的单 位方向向量，指向雷达。

通过工作模式仿真模块使得当雷达处于正常工作状态时，可响应总线控制命令而进行模式之间的切换或者工作模式的更新，以此区分雷达正工作在哪个模式之中。每种模式需要完成的功能主要有：模式初始化，主要发生在一种模式切换到另外一种模式时，需要对一些参数进行重新初始化；模式更新，雷达工作模式不变，只是雷达工作参数有所变化，比如频点设置、扫描中心变化、距离量程等；具备组织控制任务请求的能力；工作模式之间的转换关系如图15所示。

其中，一级工作模式间可以相互切换，当有截获命令或抛弃/丢失时，与二级工作模式切换。ACM为近距格斗方式，有SLEW（可偏移）、BS（瞄准线）、HA（最佳扫描）、VERT（垂直扫描）、HUD（平显模式）、NARROW（搜索模式）几种子方式。格斗方式发现的目标可自动截获进入STT。RWS为搜索工作方式，同时检测目标的距离和速度。在这两种工作方式下，只做目标的点迹检测，没有航迹处理。操作员可以通过“截获”操作对RWS下发现的目标进行跟踪，截获成功后工作方式自动切换为STT，对截获上的目标做跟踪处理。在TAS、TWS工作方式下，雷达在搜索目标的同时对目标进行跟踪。这两种方式通过人工截获可转入STT方式，如果目标丢失和被抛弃将自动转回TAS或TWS。对面工作模式主要包括地面动目标显示（GMTI）模式，用于观测跟踪地面移动目标。

本实施例中，波束调度仿真模块根据载机位置、雷达工作模式参数来模拟雷达工作状态，实现目标搜索、跟踪波束调度管理，具体依次包括搜索扫描图形、定点跟踪模型、TAS波束调度；

机载火控雷达为二维相控阵体制，天线波束排布示意图如图16所示。扫描方式可以是单波束顺序扫描、任意扫描或固定空域照射，也可以形成同时多波束。其中一种单波束顺序扫描方式如图17所示，扫描方式为从上到下、从左到右顺序扫描。

在跟踪方式下，需要对当前跟踪目标进行定点照射，当前跟踪目标的位置决定雷达跟踪波束的指向。为实现定点照射，波束调度仿真首先根据雷达航迹处理的要求，确定当前仿真节拍需要跟踪的航迹，并确定该航迹对应目标在当前仿真时刻所处的位置；然后计算出该位置相对于雷达的方位角和俯仰角，作为雷达定点波束照射的指向角。在定点照射下，波束扫描范围与波束宽度相等。

如图18所示，搜索扫描图形按照系统控制的要求产生各种扫描图形。方位扫描范围为最大为±60度，俯仰扫描可分为1线、2线、4线。

假设扫描速度为

，扫描方位宽度为

，扫描线数为

，则扫描周期为

其中，

为扫描周期内需要的控制波束个数。当前

时刻扫描定点的方位

和俯仰

可用下式表示：

其中，

为扫描行间隔。在仿真的工作模式中，RWS、VS、TWS、TAS（扫描搜索状 态）、ACM、GMTI、SEA1和SEA2的天线扫描方式都是基于上述扫描图形。

定点跟踪模型（STT工作模式）下，需要对某个确定位置进行照射，取得或确认目标测量信息。在定点扫描时，波束在空间只做点扫描，定点的位置为目标航迹的角度位置或标定的需测量的角度位置，扫描范围是方位*俯仰波束宽度。

当对TAS下截获的HPT跟踪目标进行确认跟踪时，使用定点跟踪模型；在对HPT目标跟踪的间歇，使用搜索扫描图形。

本实施例中还包括信噪比计算仿真，即：雷达回波信噪比计算公式如下：

其中，

为目标信噪比，

为峰值发射功率，

为发射天线增益，

为接收天 线增益，

为雷达波长，

为目标反射截面积（RCS），

为信号处理得益，

为目标与雷达 的径向距离，

为玻尔兹曼常数；

为系统噪声温度；

为接收机带宽；

为附加损耗。

如图19所示，本实施例的目标检测仿真模块根据雷达和目标的位置信息计算目标的相对位置信息，再将此相对位置信息与测向误差叠加，得到目标位置的角度、速度和距离信息。

（A）距离测量

距离测量输出结果计算公式如下：

式中，

为距离测量值，

为目标距离真值，

为雷达测距误差，

为高斯 随机数。

（B）角度测量

角度测量输出结果计算公式如下：

式中，

为目标测量角度，

为目标角度真值，

为雷达测角误差，

为 高斯随机数。

（C）速度测量

速度测量输出结果计算公式如下：

式中，

为目标速度测量值，

为目标速度真值，

为雷达测速误差，

为高斯随机数。

本实施例，航迹处理仿真模块基于目标点迹数据进行滤波仿真得到目标的航迹起始数据、航迹维持数据和航迹终止数据。

航迹相关联是指当雷达已经建立了若干个目标的航迹，此时又有一个新的目标探测信息，在进入数据关联算法之前，首先要通过旁瓣匿影来判断其是否是来自旁瓣的强干扰，如若不是则会将其与之间已经建立好的目标航迹特征做关联，因为对于每个已经建立的目标航迹，都会将其上几次的滤波或探测信息保留下来，一个是防止目标在该时刻发生丢失可以有小搜的目标信息 还有一个重要的原因就是与新探测到的结果进行简单的关联，通过数据率以及预测的目标速度，以及该雷达所作用的目标机动范围进行简单的计算就能够确定目标是否是该航迹的一个样本点，通过对所有的航迹进行了匹配之后，就可以判断出此目标是以往的旧目标还是新探测到的目标。目标跟踪状态转换如图20所示。

航迹的起始是对每一个不同的目标进行一个匹配的标号，是对目标的一个排序，通过对航迹号的区分可以对不同目标的运行轨迹有一个清晰的判断。航迹的起始发生于对目标的准确的探测之后，当系统获得了一次检测结果，此时还不会认为这是一个目标的测量结果，而是会需要再次确认也就是再次指向探测到目标的方向进行确认目标如果目标真实存在则就对该目标分配一个代表航迹号的标号，进入航迹维持状态。

航迹维持是指在雷达系统对目标进行了成功的捕获以及成功的确认之后就进行了对目标的跟踪与航迹的维持中，根据一定的数据率对目标进行不断的检测与跟踪，并且在这次的航迹维持跟踪过程中产生对下次跟踪位置的预测，下一次对目标的跟踪则将天线指向到本次对目标预测位置处。

航迹终结是指对于一个给定型号以及对应性能的雷达系统而言，对航迹的终结存在两种情况，一种是理想下当目标飞出了雷达的最大探测范围，此时也就代表雷达没有能力对比这个距离再大的目标的回波进行处理了。也就是此时即使雷达接收信号中包含有目标的回波信号其也不能从回波中得到目标信息了，此时对于雷达系统中测量部分而言并不知道目标已经飞离了雷达的视线之外，而只是检测不到目标，没有相应的点迹，导致雷达数据处理中会认为目标在上一时刻时发生了丢失，这时雷达就会很“机智”的迅速返回上一时刻它认为目标丢失的位置处再进行一次连续几个波位的搜索，这个过程就叫做对目标的小搜过程，在小搜进行过程中，系统还没有认为目标丢失，也不会对其航迹做终结处理，直到小搜没有搜到目标结果雷达系统才会认为该目标丢失从而也会将这个而目标所占用的资源施放。

本实施例的基础动作库建模模块中目标机动能力仿真的具体过程如下：

首先，基于机动算法库配置需要实现的机动能力，并进行相应参数设置；

根据所选择机动模型和相关参数，并结合外部控制信息，选择相关机动算法，实现机动位置推算；

结合外部控制信息，如果没有收到停止命令，则继续上述循环，否则停止仿真。

本实施例的基础动作库建模模块中飞行方式仿真包括平飞、蛇形机动、俯冲、爬升、盘旋、转弯、平飞、蛇形机动、目标位置计算以及机动组合策略，

对上述飞机机动动作的控制方法如下：

根据驾驶员操纵飞机动的特点、不同阶段的操纵目标以及飞机当前状态与要求状态的差异选择开环或闭环控制；

当要求的运动参数和当前运动参数相差较大时，则开环控制即按照飞行员实际操纵经验大幅度改变控制量的值，以迅速改变运动参数：

开环控制算法为：

；

式中，

为控制量；

为控制量的变化率；

为控制量的某个要求值；

当要求的运动参数与当前参数接近，且对运动参数需要作精确控制时，则选择闭环控制：按偏差的比例－微分－积分控制：

式中，

为传递函数的拉氏变换；

为运动参数误差的拉氏变换；

。

Claims (10)

1.一种战场态势场景仿真激励系统，其特征在于：包括系统管理与显示模块、战情态势仿真模块、仿真配置模块、模型建模和基础动作库建模模块；

所述系统管理与显示模块包括系统管理子模块、记录回放模块、驱动管理模块和仿真显示模块，通过通过XML配置文件和界面输入依次实现系统管理、记录回放、仿真显示和驱动管理；

所述战情态势仿真模块包括平台仿真、态势仿真、任务规划、任务推演和阵面控制子模块，通过这5个模块实现对所需作战场景进行设计和仿真实现，同时对作战场景和任务进行任务规划推演；

所述仿真配置模块包括测试用例配置子模块、系统参数配置子模块和模型参数配置子模块，以此对系统参数、飞机模型参数、测试用例和通信接口进行配置；

所述模型建模模块包括飞机特性子模块、雷达建模子模块和飞行方式子模块，进而对飞机的飞机特性、雷达模型和飞机飞行方式进行建模仿真；

所述基础动作库建模模块包括直飞子模块、转弯子模块、爬升俯冲子模块和航路点机动子模块，实现多种飞行方式的仿真；

系统管理与显示模块实时运行作战场景态势数据，仿真配置模块对各类参数进行配置，战情态势仿真模块根据场景推演产生态势目标信息、载机信息和阵面控制信号，并由系统管理与显示模块分别传输至雷达目标激励设备、雷达综合显控激励设备和阵面控制设备；阵面控制设备接收数据并解析数据，通过阵面控制信号和阵面控制设备来控制外部阵面系统；其中作战场景态势数据包括载机平台数据、目标数据和物理环境数据。

2.根据权利要求1所述的战场态势场景仿真激励系统，其特征在于：所述系统管理与显示模块的系统管理子模块进行身份认证、权限管理、运行状态管理和实时处理；

通过身份认证对系统用户权限进行区分分配和验证，再由权限管理为不同用户进行对应授权；

所述运行状态管理包括实时模式和非实时模式，非实时模式包括系统预配置、初始化、配置和关闭四个状态，实时模式包括启动、保持、运行、复位、回放、容错六个状态；

所述实时处理包括人机交互模块、实时调度模块、时钟同步管理模块和数据通信与公共数据区管理模块；其中，人机交互模块实现用户和系统间以及系统内部信息的交互和显示中心，所述实时调度模块实现周期性任务调度、偶发任务调度和后台任务调度；所述时钟同步管理模块为仿真任务实现定时和计时，所述数据通信和公共数据区管理模块为仿真任务提供通信和公共数据区管理。

3.根据权利要求2所述的战场态势场景仿真激励系统，其特征在于：所述身份认证的具体过程如下：

使用者先输入用户名和密码，提供若干组用户名和密码，分别具有不同的战场态势场景仿真激励软件使用权限；

如果为空，则会要求继续输入；如果不为空，则与用户名和密码进行比较，如果输入错误，提示输入错误并清空输入框；如果与三组用户名和密码中任意一组匹配，则进入战场态势场景仿真激励软件主界面；如果使用“观察员账号”，进入数据监控界面后，菜单栏所有选项的“Enabled”属性设置为“False”，此时不能对各个功能模块进行操作，只能进行简单的数据监控；如果使用“操作员账号”，进入主界面后，只可操作自主飞行仿真的相关模块并实现其功能；如果使用“工程师账号”，则使用本系统全部功能，菜单栏所有选项的“Enabled”属性设置为“True”；所有可进入主界面的用户，在使用过程中均将在系统状态栏显示“当前操作员为：***”，*号代表登录界面输入的用户名；

其中，身份认证过程中，不同用户身份有不同的权限管理。

4.根据权利要求2所述的战场态势场景仿真激励系统，其特征在于：所述人机交互模块包括：

仿真配置与设置模块实现仿真任务在仿真计算节点的分配，并完成任务的初始化参数设置；

操作控制服务模块为用户提供控制战场态势场景仿真激励软件运行的相应命令，包括仿真任务注册和初始化、仿真开始、回放、和结束；

系统运行状态显示模块实时监控战场态势场景仿真激励软件的运行状态，为用户显示仿真任务执行过程中产生的性能数据、系统消息、节点状态和故障情况等，建立运行日志；数据采集分析与存储模块实时采集数据，进行分析，并将分析结果处理及存储。

5.根据权利要求2所述的战场态势场景仿真激励系统，其特征在于：所述实时调度模块包括：

周期性任务调度器模块根据战场态势场景仿真激励软件的运行状态，将对载机、目标飞机和雷达仿真模型的计算组织成周期性处理任务，并确定各种周期性处理任务的优先级和执行顺序，保证这些任务在截止期前执行完毕；

偶发任务调度模块缓冲和预处理由人机交互模块发送的各种控制指令以及仿真执行过程中触发的相应事件信息，在周期性任务执行完毕后立即对这些事件的处理任务进行调度；

后台任务调度模块在对周期性任务和偶发任务调度完毕后，将剩余CPU时间安排给仿真数据存储和曲线绘制任务；

此处所述事件信息是指态势仿真过程中，敌我双方飞机飞行、遭遇、双方飞机雷达扫描与截获、导弹发射、飞机曲线飞行躲避导弹等事件信息。

6.根据权利要求1所述的战场态势场景仿真激励系统，其特征在于：所述战情态势仿真模块基于HLA和MSDL搭建战情态势仿真环境，包括平台仿真、态势仿真、任务规划和任务推演以及阵面控制；

所述平台仿真描述目标平台的固有属性和功能以及作战行为；

所述态势仿真基于OSG模拟参参战实体的三维实体模型和地理环境，然后根据仿真数据流内容将实体模型缩放适当的倍数之后显示到场景中，并且根据每一帧网络数据包内位置姿态信息的不同重新渲染模型的位置姿态；

所述任务规划和任务推演是指根据任务的预定目标规划本次任务的飞行轨迹，并将规划好的航点和航线保存在数据库；

所述阵面控制是指通过阵列系统内的开关矩阵实现与阵面系统的通讯以及控制天线阵面。

7.根据权利要求1所述的战场态势场景仿真激励系统，其特征在于：所述模型建模模块中实现飞机仿真模型具体内容如下：

步骤1、对飞机参数的设置和初始化，包括RCS数据、最大速度、最大G值、初始姿态、初始位置、作战任务等信息；

步骤2、然后飞机结合当前态势和飞机动作库做出相关机动决策，包括规避、攻击；

步骤3、接着根据决策信息，进行相关数据的坐标转换，并结合飞机三自由度运动方程做出姿态、位置等的时间推进；

步骤4、同时根据当前飞机武器、雷达等配置情况，输出相关控制信息，如雷达由搜索模式进行攻击模式、武器进行攻击等；

步骤5、上诉时间推进执行完之后，如过没有结束仿真则进行循环步骤2和步骤3，反之则停止仿真；

其中，三自由度质心动力学方程为：

飞行状态量为

，其中

为飞机速度，

为俯仰角，

为偏航角，X、Y、Z为飞 机在空间绝对坐标下的三轴坐标；控制量为

，其中

为飞机纵向过载，

为飞机 法向过载，

为飞机滚动角；、和

为航迹速度矢量在

中的分量；

、

、

为角速度

在

中的分量，

为地轴系到机体系的转换矩阵。

8.根据权利要求1所述的战场态势场景仿真激励系统，其特征在于：所述模型建模模块包括场景管理模块、交会计算仿真模块、工作模式仿真模块、波束调度仿真模块、目标检测仿真模块和航迹处理仿真模块；所述场景管理模块导入外部态势数据，结合用户的雷达探测信息和工作参数，所述交会计算仿真模块、工作模式仿真模块、波束调度仿真模块、目标检测仿真模块和航迹处理仿真模块依次进行交会计算、工作模式仿真、波束调度仿真、目标检测仿真和航迹处理仿真，最终输出工作状态信息和雷达探测信息；

所述交会计算仿真模块将目标的位置转换成天线系下的极坐标表示，并将目标速度转换成径向速度；具体如下：交会计算仿真模块内的相对位置解算法首先将载机和目标的大地坐标转换为地心坐标，再将目标的地心坐标转换为以载机位置为原点的东北天坐标，最后将东北天坐标转换为极坐标，得到目标相对于雷达的方位、仰角、距离；交会计算仿真模块内的相对速度解算法将地理系速度依次转化为地心系速度和径向速度最终得到目标的径向速度；

所述波束调度仿真模块通过雷达视距和雷达探测角度范围来判断目标是否满足雷达通视条件；

通过所述工作模式仿真模块进行机载火控雷达工作模式的管理、工作模式的切换；

所述波束调度仿真模块根据载机位置、雷达工作模式参数来模拟雷达工作状态，实现目标搜索、跟踪波束调度管理，具体依次包括搜索扫描图形、定点跟踪模型、TAS波束调度；

所述目标检测仿真模块根据雷达和目标的位置信息计算目标的相对位置信息，再将此相对位置信息与测向误差叠加，得到目标位置的角度、速度和距离信息；

所述航迹处理仿真模块基于目标点迹数据进行滤波仿真得到目标的航迹起始数据、航迹维持数据和航迹终止数据。

9.根据权利要求1所述的战场态势场景仿真激励系统，其特征在于：所述基础动作库建模模块中目标机动能力仿真的具体过程如下：

首先，基于机动算法库配置需要实现的机动能力，并进行相应参数设置；

根据所选择机动模型和相关参数，并结合外部控制信息，选择相关机动算法，实现机动位置推算；

结合外部控制信息，如果没有收到停止命令，则继续上述循环，否则停止仿真。

10.根据权利要求1所述的战场态势场景仿真激励系统，其特征在于：所述基础动作库建模模块中飞行方式仿真包括平飞、蛇形机动、俯冲、爬升、盘旋、转弯、平飞、蛇形机动、目标位置计算以及机动组合策略，

对上述飞机机动动作的控制方法如下：

根据驾驶员操纵飞机动的特点、不同阶段的操纵目标以及飞机当前状态与要求状态的差异选择开环或闭环控制；

当要求的运动参数和当前运动参数相差较大时，则开环控制即按照飞行员实际操纵经验大幅度改变控制量的值，以迅速改变运动参数：

开环控制算法为：

；

式中，

为控制量；

为控制量的变化率；

为控制量的某个要求值；

当要求的运动参数与当前参数接近，且对运动参数需要作精确控制时，则选择闭环控制：按偏差的比例－微分－积分控制：

式中，

为传递函数的拉氏变换；

为运动参数误差的拉氏变换；

。

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