基于数据分发服务的雷达仿真系统设计
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【摘 要】提出了一种雷达仿真系统，包括场景编辑、数据产生、仿真控制、态势显示和真实数据驱动模块。仿真系统基于数据分发服务通信中间件，可支持多种雷达后端系统即插即用式的接入，为雷达数字化辅助设计提供了有力支撑。
【关键词】DDS;数据分发服务;雷达仿真系统
中图分类号： TP311.52 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）18-0006-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.003
Radar Simulation System Design Based on Data Distribution Service
SUN Xiao-dong1，2
（1.The 38th research institute of China electronic technology corporation， Hefei Anhui 230088， China;
2.Key laboratory of aperture array and space exploration， anhui province， Hefei Anhui 230088， China）
【Abstract】A radar simulation system is put foword， according scene edition， data generation， simulation control， situation display and real data driving. This simulation system is based on data distribution service communication middleware. Many kind of radar rear system can access to this simulation system in a plug-and-play way. It makes great contribution to radar digital aided design.
【Key words】DDS; Data Distribution Service; Radar Simulation System
0 引言
雷达仿真系统对现代雷达设计和维护有很大的帮助。在雷达仿真系统的帮助下，可以在雷达天线生产出来之前，在实验室里搭建基于仿真和实测数据的开发环境，提高研发效率，缩短研发周期。针对已交付的雷达，能够快速模拟和重现该雷达的软件环境，不在现场就可以分析、定位该雷达的软件故障[1]。针对雷达仿真系统设计，张安民等[2]提出了一种基于特征参数流的雷达建模方法，将信号仿真中的数据流替换为特征参数流，达到了减少模型解算运算量的目的。杨小龙等[3]将HLA仿真体系运用于组网火控雷达，在大型武器装备联合作战指挥系统的模拟、训练、作战取得了一定的实用价值。于艺伟等[4]基于半实物雷达系统的测试需求，对半实物雷达仿真测试系统的多个模块进行设计，实现了半实物雷达仿真测试系统。
1 需求分析
某雷达辅助设计平台需要一套雷达仿真系统，可以模拟多种雷达的使用环境和前端设备，并可接入多种后端数字处理系统，以便在前端还未生产出来的时候开展后端的设计、实现和测试工作。该系统有两大需求：一是使用环境多变，雷达搭载的平台和所要观测的目标种类丰富数量众多;二是要接入的后端系统接口各不相同，数据流也不尽相同。为满足以上需求，该仿真系统一方面要能覆盖各种使用环境的“全集”，另一方面对后端系统要有广泛的接口适用性，达到即插即用的目的。
数据分发服务（Data Distribution Service，以下简称DDS）正是一种即插即用的通信中间件，可以为参与仿真的各模块提供统一的底层通信平台。DDS是面向分布式的实时系统，使用订阅-发布计算模式、提供灵活QoS配置。在DDS标准中，数据发送方只需定义要发布的数据的主题（Topic），而不必关心该数据的接收方是谁;而数据的接收方也只需定义要接受的数据的主题，而不必关心该数据的发送者。这种以数据为中心的发布/订阅作为传输机制，指定数据发布、传输和接收通用的应用层端口，运用网络中间件技术进行实时通信，提供了一个与平台无关的通信模型，可以移植到多种不同的操作平台和编程环境中。
2 系统架构
本系统由雷达实装软件与模拟仿真系统两个分系统组成。模拟仿真子系统包括场景编辑、数据产生、仿真控制、态势显示和真实数据驱动模块，负责场景编辑、模型运行及仿真态势监控与记录回放。雷达实装软件子系统就是要用本仿真系统辅助设计的雷达后端系统。由于有数种雷达需要接入仿真系统，各型雷达接口、数据流均有不同。为了使这多种雷达后端系统能够方便地接入，本仿真系统的底层采用了DDS通信中间件，连入系统的各个节点只需按照主题发布或订阅信息，无需关心具体的数据流向，达到即插即用的目的。
本系统在使用流程上分为仿真数据驱动模式和真实数据驱动模式，其区别在于输入雷达实装软件系统的数据是来自场景编辑仿真生成的，还是来自实装记录的真实数据。这样既可以使用真实数据验证雷达实装软件，也可以用仿真系统编辑出实装未曾记录但对雷达设计很有参考的场景数据，充分验证雷达实装软件的性能。
3 模块设计
3.1 场景编辑
场景编辑模块依据试验仿真的需要，对雷达仿真的战场环境及雷达部署情况、仿真兵力初始参数进行设定。场景编辑过程如下：首先创建想定场景地图，通过导入仿真区域的影像图层、高度图层、矢量层数据，构造出能够被想定编辑器使用的地图。然后构建仿真兵力实体库，根据兵力类型，分类创建各类参与仿真的电磁兵力，包括雷达、干扰机，以及各类参与仿真的兵力要素。第三步创建作战想定，设置想定的起止时间，想定的感兴趣区域，选择已创建的兵力实体库、以及地图数据。第四步部署兵力并设置兵力初值，根据作战编成关系，将作战兵力部署到想定场景中，同时为各作战兵力设置初始参数值。最后映射仿真实体，为仿真实体赋上初始值，通過仿真实体的属性值驱动想定实体绑定对应的可视化兵力运动。 3.2 數据产生和仿真控制
雷达数据仿真模块提供各种仿真战场环境下的目标点迹、杂波、干扰等数据，可以对雷达工作状态进行仿真。具体来说，包括（1）组件执行引擎，负责加载模型组件，运行过程中进行组件间的数据交换、底层数据通讯。（2）部署方案设计工具，在一个集成环境中进行仿真部署方案的规划与管理、通讯协议配置、模型资源的分布部署。（3）仿真实验设计工具，以蒙特卡洛方法为理论支撑，以仿真试验需求为依据，以仿真想定剧本为基础，对实验条件、实验方法、实验因子进行设置，通过正交设计、均匀设计、全面设计和自由设计等四种方法，生成仿真所需的实验样本文件。（4）数据采集、记录与回放模块，采集关键业务模块的试验过程数据，回放试验数据，复现仿真试验过程。（5）模型资源库，包括仿真所需的各型武器装备的模型。
3.3 态势显示
在综合战场场景中全面展现战场环境、战场态势及对抗效果，以便实时、全面了解整个战场态势。接收外界的输入，以二、三维方式，动态展示各个兵力的运动过程、兵力自身的状态变化和兵力之间的信息交换。可切换军标和图片数据，控制红、蓝方显示和隐藏。能够接入试验过程数据并进行展示，接收实时态势数据，自动匹配并加载对应的兵力实体，实时更新实体对象的位置、方位、姿态及相关的属性信息。
3.4 真实数据驱动
真实数据驱动模块是使用实装记录的数据信息代替场景编辑和数据产生模块的相关部分进行仿真推演，场景编辑和雷达数据产生模块只对雷达的目标信息、杂波等信息进行编辑。在仿真推进过程中，根据真实数据中的时间戳判断是否与当前仿真数据一致，当时间不一致时，对真实数据进行缓存，并在每个仿真步长对时间的一致性进行判断，直至判断为一致时才进行数据转发。
3.5 通信中间件
仿真系统的各个模块需要支持仿真过程的时间同步与导演控制，实现各仿真分系统之间以及仿真分系统与场景编辑与雷达数据产生系统之间的通信。根据各功能模块的特点，需要选择不同的通信集成策略。为了方便地移植各型号雷达的实装软件，达到即插即用的效果，需要将雷达实装软件使用Socket接口连上DDS通信中间件，连入DDS总线进行通信。模拟仿真系统的各个模块直接集成DDS通信接口，达到大数据量低延时传输的目的。
为使通信过程中不发生数据丢失并降低通信时延，数据生成模块通过建立数据缓存和批量处理方式在每个仿真步长内完成仿真计算任务。数据生成组件建立两个线程：主线程与实时通信线程，在主线程中按照仿真组件的方式，以固定步长参与通信，实时通信线程负责与实时通信系统进行数据交互，主线程与实时通信线程之间通过发送队列与接收队列进行数据缓冲。实时通信线程接收随机到达的数据并顺序填写入接收队列，入列同时记录每次接收数据之间的时间间隔。主线程以固定步长为周期一次性处理接收队列中的所有数据，并将批处理的结果写入发送队列，实时通信线程再按照接收时的间隔将依次发送处理结果。
4 结语
本文提出了一种雷达仿真系统的设计，该仿真系统可以以场景编辑模块或真实数据驱动模块为输入，由数据产生模块生成雷达后端的输入数据。在仿真控制模块的调控下，将仿真场景、兵力部署、兵力运动和雷达探测的情报信息叠加显示在态势显示上，可以有效地辅助雷达后端系统的设计。
【参考文献】
[1]王国玉，汪连栋，等.雷达电子战系统数字仿真与评估[M].北京：国防工业出版社，2004.
[2]张安民，崔连虎，等.基于特征参数流的末制导雷达建模研究[J].系统仿真学报，Vol. 29， No. 6， Jun. 2017.
[3]杨小龙，李成玉，封吉平，韩壮志，何强，等.基于HLA的组网火控雷达仿真系统开发[J].飞航导弹，2012（10）.
[4]于艺伟，邱军海，刘恒燕，宋杰，等.一种半实物雷达仿真测试系统的设计与实现[J].海军航空工程学院学报，2018， Vol.33， No.4.
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