李 鹏，李圳峰

(1.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101； 2.解放军63850部队，吉林 白城 137000)

0 引 言

随着现代雷达技术以及电子对抗技术的迅速发展，战场电磁信号环境也随之日益复杂，新研雷达和电子战装备的生产、调试、性能检测、评估鉴定已无法单纯依赖外场试验。[1]外场试验不但成本昂贵，而且理想复杂电磁环境的构建也很难得以实现，而内场复杂电磁环境的构建为解决这一问题提供了有效的途径。通过雷达及电子对抗模拟仿真设备能够在内场环境下构建逼真的雷达信号、雷达目标回波、雷达干扰信号以及通信、导航等信号组成的复杂战场电磁环境，雷达场景设置模型的研究和实现就是针对这一问题为雷达性能的测试提供必要的验证环境。

1 场景设置模型功能分析

场景设置模型可以根据给定的基本需求进行场景设置，生成相应文件，自动存储所生成的文件。其中场景设置功能主要包括辐射源编辑、平台编辑和场景编辑。辐射源编辑是指对雷达辐射源参数特征进行编辑；平台编辑是指对平台定义和辐射源载荷进行添加；场景编辑是指对要模拟的空间场景和战斗布置进行想定的设计。场景设置模型还具有对场景设置产生的文件进行查询、浏览、编辑等管理的功能。

场景设置模型能够按照场景设置产生的文件，根据设定的时序进行演示过程控制，可以精确控制辐射源信号发射时间。

场景设置模型还可以根据场景设置文件规定的信号环境，同时产生最多2部辐射源信号和各相关平台的位置、航速、航向等信息。

场景设置模型的功能结构如图1所示。

图1 场景设置模型功能结构图

在编队作战平台协同侦察定位与识别仿真时，要通过3个通道将信号发射出去，而本场景设置模型中只采用了一个通道的信号源，因此对于多部雷达信号的产生，会存在严重的丢失信号的问题，但这个问题可以通过设置合适的战情避免。

频率源输出产生的雷达信号的脉宽并不是场景设置的雷达脉宽，而是与最大路程差相关的数值，具体的频率源输出的脉宽是最大路程差与设置脉宽的和[2-3]。正是由于频率源将雷达的脉宽进行展宽，因此脉冲丢失准则也是按照展宽后的脉冲宽度将重叠的脉冲进行丢失。

而真实脉宽的输出是由后端的调制器根据3个接收站的相对延时进行调制，产生相对的时间延迟及真实的脉宽，示意图如图2和图3所示。

图2 信号调制示意图

由于本场景设置模型只有一套频率源，当同时产生2部雷达信号时，2部雷达脉冲信号在时间上会出现重叠现象，这时就要进行丢脉冲处理。

场景设置模型中脉冲排队丢失模块的功能就是将2部辐射源的脉冲描述字依据到达时间(TOA)从小到大的顺序进行交叉排列，并按脉冲丢失准则对重叠脉冲进行丢脉冲处理，在同一时刻只保留一个脉冲信号。

2 仿真模型

2.1 坐标系及坐标变换

在本模型中坐标系采用大地直角坐标系如图4所示，坐标原点O位于海拔高度为0的大地表面上的一点，X轴定义为过原点切于纬度弧线且指向东；Y轴定义为过原点切于经度弧线且指向北极方向；Z轴按右手法则，指向天顶。

雷万春是畲族人民心目中的大英雄，其传说、故事自古以来在浙南到闽东、闽中、闽南一带的畲乡中被编成歌言广泛流传。由于传唱的历史悠久，不同地区的畲民会根据他们的所在地的祖辈事迹与当地习俗增添新的歌词，所以版本各异，甚至歌名亦有所不同。如在闽东的福安畲区，则为《钟景祺与雷万春》[2]；在闽东的霞浦畲区，则为《雷万春打虎记》。现存较完整的《雷万春打虎记》版本是由闽东畲家人蓝兴发采录的以汉语来记畲音的七言体诗歌抄本，并编入其主编的《传世畲歌》一书，于2014年由中央民族大学出版社出版发行。

以平台坐标系Ot-xtytzt为基准，将坐标原点Ot到目标的方向定义为径距方向，之间的距离R称为斜距；将斜距在xtyt面内的投影与Otyt轴之间的夹角A(0°～360°)定义为方向角，顺时针方向为正；将斜距与xtyt面之间的夹角E定义为仰角(或高低角)，向上为正(范围-90°～90°)。

图4 大地直角坐标系

则平台坐标系到雷达球面坐标系之间的关系为：

(1)

雷达球面坐标系到平台坐标系之间的关系为：

(2)

在场景设置模型中，实时解算是根据场景设定的运动轨迹，以一定的时间周期(暂定1 s)实时解算各平台的坐标位置、航速、航向等信息，以及各辐射源相对于各定位站的时延，如图5所示。

图5 动态场景示意图

图5中，R1、R2为2个平台坐标，曲线为雷达平台运动轨迹，A、B、C为3个时差定位站。T1为R1到各定位站的时延，T2为R2到各定位站的时延。

解算过程如下：

(1) 在1 s时间内认为平台为匀速直线运动，根据当前的航速和航向信息，解算平台下一时刻在自身大地雷达测量坐标系(法线坐标系)中的直角坐标位置；

(3) 通过地心坐标系到地理坐标系的坐标转换公式，求出平台下一时刻的地理坐标位置；

(4) 根据下一时刻的地理坐标位置以及下一个机动点的地理坐标位置，计算下一时刻平台的速度和航向信息；

(5) 根据各平台的地心坐标位置，求出各辐射源平台相对各时差定位站的距离，进而求出各辐射源平台相对各时差定位站的时延，并按时延步进进行量化。在进行时延量化时，需要注意，首先将辐射源相对于基准站的时延值进行量化，然后对定位站与基准站的时延差进行量化，最后将量化后的时延差(有正有负)与基准站的时延差相累加得到其他定位站的量化时延。

2.2 延时控制精度校正

根据场景设置模型的功能要求，要完成辐射源所在平台的位置、航向、航速值和对3个定位站的布站设置。并且在运行过程中，根据辐射源平台与3个定位站的位置关系，实时解算出平台与定位站的路程差，并根据路程差最终确定辐射源相对于3个定位站的时差值，通过网口定时将时差值数据发送到解算控制板，以控制3个射频信号输出端产生对应时间差的射频信号，射频发射延时控制精准度要求小于5 ns。

射频发射延时控制精度的实现主要是依靠内部高精度、高稳定度的时钟信号，并对各支路做延时校正[4]。本设计采用100 MHz的晶体振荡器通过现场可编程门阵列(FPGA)片内倍频锁相环的方式产生250 MHz的高稳时钟信号作为产生高精度时间控制信号，鉴于普通FPGA逻辑资源以及时钟资源的限制，采用Xilinx公司下高端的V5系列FPGA作逻辑解算以及控制各射频通道时差信号的产生，完成射频信号实时向定位站辐射。单一支路的延时误差取决于调制器对不同频率的响应时间，可以通过测试加补偿的方式对不同频率作延时校正；支路间的延时误差主要来自于不同支路间调制器的一致性，由于250 MHz时钟是4 ns的精度，因此可以通过对每一路进行延时校正，以满足系统5 ns的精准度要求。校正示意图如图6所示。

图6 延时校正示意图

其中A为两基站间的实际延时，B为器件不一致性造成的延时误差，C是校正后的延时，使得C-A≤5 ns即可。

3 系统实现

场景设置模型主要由显示和控制单元、通道控制板、信号产生器、射频通道单元等组成，组成框图如图7所示。

图7 场景设置模型组成框图

本设备主要模拟1～2部雷达信号，通过控制同一射频信号进入编队各舰艇侦察接收机的时间差，以完成编队无源时差定位试验。首先通过显示控制单元的人机界面编辑辐射源参数，生成初始化战情报文，控制辐射源的运行状态和模式切换的实时运行报文，通过串口传送给通道控制板。通道控制板主要采用大规模FPGA芯片完成对射频信号的频率、脉宽、重频以及幅度等多种形式调制信号的实时解算，以及多个脉冲的时序排队等功能，生成雷达脉冲描述字控制流及开关控制命令，并送给信号产生器。信号产生器根据各个脉冲描述控制字完成频率源雷达信号的产生，并对射频通道单元等进行开关控制，最终模拟产生相对于3个定位站不同时延到达的信号。设备工作时有2种信号产生方式：在提供秒脉冲同步信号的情况下，信号产生单元首先接收显控单元的初始化报文，收到试验开始命令后在秒脉冲的触发下生成第1批信号，同时将秒脉冲信号回告给显控单元作为同步信号，把下一秒更新报文送至信号产生单元，在第2个秒脉冲的同步下生成第2批信号，同时回告给显控单元作下一秒的更新，系统按此依次工作；在没有秒脉冲的情况下，信号产生单元自身产生1 s的定时信号，提供给显控单元作同步来更新报文。

4 结束语

本文通过对雷达场景设置模型的简要分析，建立了场景设置模型所需的航迹解算等仿真模型。结合频率合成技术、实时信号处理技术和微波射频技术实现了雷达场景的模拟，该设备为某原理样机验证提供了必要的试验验证环境，取得了较好的模拟效果，对雷达内场辐射源场景的模拟具有一定的参考价值。