面向关联分析的可视化雷达对抗想定生成方法研究

    李晓燕　郭金良　王振兴　薛原

    摘 要： 为增强战情想定系统的易用性， 提高想定设计效率， 本文提出了面向关联分析的可视化雷达对抗想定系统设计思路， 分析了雷达对抗仿真的战情构成， 设计了分层模块化的战情结构， 研究了各个模块的关联模型， 并深入研究了主要的关联计算数学模型， 包括通视模型、 雷达距离模型、 干扰压制距离模型以及侦察作用距离模型。 在此基础上， 分析了可视化的表现需求， 并针对关联分析结果的可视化设计了一种改进的表示方法。 最后， 实现了一个完整的想定系统， 以运行实例验证了该想定设计方法的有效性。

    关键词： 雷达对抗； 关联分析； 想定； 可视化

    中图分类号： TN391.9 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2018）03-0064-05

    0 引 言

    在当前日益复杂的电磁环境作战背景下， 构建更加贴近实战条件的仿真环境已经成为雷达对抗仿真研究的迫切需求， 战情想定作为雷达对抗仿真环境模拟过程中不可缺少的重要环节， 面临着更艰巨的任务。 一方面是战情想定中的仿真模型更多、 仿真参数多元化； 另一方面就是战情设计要充分考虑战场环境及装备之间的相互影响、 战情结构越来越复杂。

    在传统的战情想定设计中， 一般是以图标的方式在二维背景地图上部署装备， 并在对应的表格中填写相关参数， 自动化程度与可视化效果均不太理想， 同时， 由于缺乏有效的辅助分析， 对战情设计人员的要求很高。 利用这种方法进行战情设计易出现不太合理的情况， 往往需要在仿真运行之后， 重复进行战情修改， 再运行仿真程序进行战情验证， 效率比较低。

    对此， 本文在战情想定设计中加入了实时的关联分析计算， 并进行可视化的显示， 使得战情设计更具针对性与指导性， 从而提高战情设计的效率， 降低战情设计的复杂度。

    1 想定分析与设计

    雷达对抗仿真的战情想定主要根据军事使命和战术原则， 结合仿真的特定需求， 对战场环境、 参战实体（武器装备、 人员等）、 战术编队、 对抗措施等信息进行描述， 实施仿真推演编排， 为仿真系统运行提供初始化配置参数。 在现代战场环境下， 雷达对抗系统的装备组成很多、 战场电磁环境复杂多变， 如果不考虑战术、 后勤保障、 武器系统以及人的抉择等因素， 其系统构成主要包括雷达、 侦察、 干扰、 雷达目标（包括各类飞机、 舰船和导弹）、 杂波环境、 背景电磁辐射、 电磁传播环境等， 基本对抗模型见图1。

    为了规范想定的描述结构， 简化设计过程， 基于分层模式分三层进行描述， 即环境层、 装备层、 部件层。 在分层的基础上， 基于模块化的思想， 进一步对各层进行模块分解， 结构见图2。 第一层为环境层， 用于描述战场环境， 分解出杂波、 传播与背景辐射模块； 第二层为装备层， 用于描述雷达对抗作战装备实体， 按照基本装备构成， 可以分解出雷达、 侦察、 干扰与雷达目标模块； 第三层为部件层， 用于描述构成雷达对抗装备的分系统模型。

    对于各个想定模块来说， 其参数结构是相对固定的， 可以独立地为每个模块设计战情参数模板（包含所有初始化该模板的参数定义）。 有的情况下， 同一模块可能需要提供多套参数模板， 例如， 对于天线模块， 相控阵天线与机械扫描天线的描述参数就存在较大的差异， 需要分别設计参数模板， 想定编辑者则可以根据应用条件， 选择不同的参数模板进行配置。 这样， 通过参数模板的设计， 很好地实现了参数的模块化配置， 可以有效保证各个模块参数配置的完备性， 降低参数配置的难度与复杂度。 同时， 为了有效实现各个模块的战情关联， 需要对各模块之间的关系进行关联分析， 保证参数配置的合理性。 对于部件层的模块， 只需要考虑同一装备下所对应的各模块之间的关联， 以保证各仿真装备实体的分系统之间的参数一致性， 其关联模型与具体装备实体相关， 可以由仿真装备实体模型设计者来提供， 而不必要在想定设计中进行分析； 对于装备层的模块， 各模块分别对应一个装备实体， 各实体则通过环境层发生交互， 而环境层是战情想定的基础部分， 与具体战情紧密相关， 因此， 该层的模型交互关系是想定设计中的关注重点。 下面主要针对装备层的战情模块， 分析模块间相互关联的战情关联模型及其可视化方式， 为战情设计提供合理性参考。

    2 关联计算模型

    在雷达对抗的战情想定中， 对应装备层的模块， 以雷达为中心， 主要分析三类战情关联关系：

    （1） 雷达与目标： 分析雷达对目标的探测能力， 数学模型主要包括通视模型、 雷达距离模型。

    （2） 雷达与干扰： 分析干扰对雷达探测性能的影响， 数学模型主要包括通视模型、 干扰压制距离模型。

    （3） 雷达与侦察： 分析侦察对雷达信号的侦测能力， 数学模型主要包括通视模型、 侦察作用距离模型。

    2.1 通视模型

    另一方面是考虑地表起伏的遮挡效应， 需要结合地表的高程数据进行几何运算， 如图3所示， 最大视距为视点到第一个遮挡点之间的距离， 可以基于Bresenham直线算法进行计算。

    3 面向关联分析的可视化设计

    在战情想定中， 为了让战情设计的过程更加方便快捷， 提供一个简单易用的想定编辑系统是至关重要的。 基于用户的软件使用体验， 图形可视化是最直观、 最易于操作的方式， 因此， 想定系统设计的基本准则就是最大程度的可视化显示与操作。 要实现想定系统的图形可视化， 需要建立一个动态可扩展的图形编辑框架， 从功能上来看， 一般应该包含以下内容： 战场电子地图加载与浏览管理、 模型图元的动态加载与管理、 模型图元与电子地图的分层叠加。 在此基础之上， 基于本文的面向关联分析的研究思想， 需要实时将关联分析的结果以图形可视化的方式表现出来， 为战情编辑提供有效参考， 提高想定系统的易用性。

    首先， 以雷达探测距离为例进行分析。 在雷达对抗仿真的战情设计中， 雷达探测距离的分析是最常见的， 主要是为雷达目标的部署与航迹规划提供参考。 在传统的战情设计软件中， 一般基于雷达方程绘制雷达探测范围， 其可视化表现方法大都是以雷达为中心、 雷达作用距离为半径的圆环进行表示， 圆内为可探测区域， 圆外为不可探测区域， 如图4所示。 这样的可视化方法比较直接， 但是其缺陷也很明显， 因为对不同的目标或者不同飞行高度的目标， 其雷达作用距离是不一样的， 在比较复杂的战情中， 如果需要设置多批目标， 则需要以一组同心圆进行表示， 目标与圆环的对应关系难以明确， 将会使得表示效果非常混乱， 战情越复杂， 效果越差。

    为适应复杂战情设计的需求， 需要对传统的可视化方法进行改进。 在战情设计中， 雷达作用距离与目标RCS以及飞行高度等因素相关， 在部署雷达目标时， 其雷达作用距离应该是动态可变的， 这就增加了可视化表现的难度， 然而， 战情编辑者实际上往往关注的仅仅是雷达在目标方向上的作用距离， 由此也给可视化表现提供了参考， 即可以在雷达与目标之间建立连线关联， 并通过改变连线状态来表示不同的信息。 对于雷达作用距离， 可以在连线上对应的位置进行图标标记， 簡单明了地表示雷达对该目标的作用距离， 同时， 可以在图标处标注对应的数值， 使得可视化表示效果更加准确， 提供更多的参考信息， 如图5所示。

    基于改进的可视化思想， 对于通视距离、 干扰压制距离、 侦察距离的可视化表示也变得相对容易， 与雷达作用距离的表示类似， 只需要定制不同的图标即可表示不同的内容。 同时， 为了增强可视化表现效果， 可以增加颜色的设计， 如表1所示。

    4 想定系统实现

    在Windows平台下， 结合VC与Qt的编程， 设计开发了一个雷达对抗战情想定系统， 包含了完整的战情编辑、 战情生成以及战情管理功能， 其运行界面如图7所示。

    战情编辑是想定系统的核心部分， 包括： （1）想定模型管理， 如图7左侧导航控件所示， 用于维护可用于战情编辑的所有模型， 并为每类战情模型建立关联的图形索引； （2）想定场景编辑， 如图7中间地图区域所示， 用于图形化的编辑战情场景； （3）想定参数编辑， 如图7右侧参数编辑控件所示， 用于编辑对应战情模型的参数。

    战情生成用于将战情想定场景转化为战情描述， 为了实现战情的存储、 交换和重用， 需要用一种标准的规范来描述想定， 采用当前比较通用的结构化数据规范 XML进行描述。 战情管理用于存储、 维护、 加载战情描述文件， 并负责将战情描述文件转化为战情想定场景。

    5 总 结

    本文提出了面向关联分析的战情设计方法， 并进行了可视化设计， 最后开发了一个完整的战情想定系统。 实践证明， 该系统在战情编辑过程中能实时提供关联分析的结果， 并且具有较好的可视化效果， 从而大大降低了战情设计的难度， 避免了战情设计的盲目性， 有效提高了战情设计的效率， 具有较好的应用价值。

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    Abstract： In order to enhance the usability of the scenario system and improve the design efficiency， the design idea of visual radar countermeasure scenario oriented to correlation analysis is suggested. The scenario framework of radar countermeasure simulation is analyzed， the stratified module scenario structure of radar countermeasure is designed， the correlation models of each module are researched， and the main mathematical models of correlation calculation are fully researched， including straight line sight model， radar range model， jam suppression range model and scout range model. Furthermore， the visualization requirements are analyzed， an improved visualization method is suggested to visual the result of correlation analysis. Finally， an integrated scenario system is realized， and the feasibility of this scenario design method is proved by practical system.

    Key words： radar countermeasure； correlation analysis； scenario； visualization