技术领域
[0001] 本
发明属于C4ISR指挥信息系统领域，尤其涉及一种用于C4ISR系统的情报模拟器系统。
背景技术
[0002] 模拟器设计的基本目标是，在没有
传感器进行输入时对传感器进行模拟，提高多雷达数据融合的
精度，对学员进行操作培训，对学院操作进行演练，对敌我双方的作战态势进行分析。
[0003] 对于飞机-雷达探测系统而言，对目标的发现概率和对应于给定发现概率的发现4
时间、发现距离是系统设计者强有
力的工具，举一个简单浅显的例子，某防空CISR系统需要考虑的是雷达对反射截面积RCS只有0.01平方米的隐身目标，在90％发现概率下的发现时间与发现距离，且当目标的反射截面积RCS增大时，发现时间与发现距离又是多少成为了该
专利关注的问题。
发明内容
[0004] 发明目的：本发明属于C4ISR指挥信息系统领域(C4ISR，是指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦察的英文单词的缩写，C4ISR系统是指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦查及一体的自动化指挥系统，)，本发明提供的模拟器功能强大，能够实现多种传感器的模拟，提供报文输入，能够对多目标的特性进行模拟，根据模拟想定的剧情设置，形成海空情态势，形成多雷达的协同探测，形成整体的态势部署，能够为系统实现强大的辅助功能。
[0005] 技术方案：本发明提供了一种用于C4ISR系统的情报模拟器系统，包括雷达模拟模
块、目标模拟模块、想定剧情模拟模块、雷达发现概率分析模块；
[0006] 所述雷达模拟模块用于模拟雷达传感器报文和传感器特征，以及传感器对目标的探测过程；
[0007] 所述目标模拟模块用于模拟空海陆目标的信息，包括模拟空海陆目标的特征、机动、高度、速度、航向、
位置；
[0008] 所述想定剧情模拟模块用于设定固定时间的剧情，为剧情分配两个以上的虚拟传感器、为剧情分配两个以上多个陆海空目标，以及对剧情的开始停止进行控制，对剧情的环境进行布置；
[0009] 所述雷达发现概率分析模块用于分析雷达的探测范围和探测能力，以对目标的探测概率进行分析。
[0010] (1)传感器模拟模块
[0011] 所述传感器模拟模块包括控制传感器模块、传感器相关
数据库表管理模块和报文管理模块；
[0012] 其中，控制传感器模块是通过C++把传感器设计成各种类，根据各种基类和派生类配置各种传感器类的方法和属性，能够仿真各种传感器的工作状态和工作方式；
[0013] 传感器相关数据库表管理模块将传感器的
基础信息存储在数据库表里，用于读取和更新；
[0014] 报文管理模块能够模拟接入防空指挥信息系统所有传感器报文，用于报文的处理与输出。
[0015] 传感器模拟模块的控制传感器模块将传感器类设为虚的基类，所有的具体传感器全部继承于传感器基类，并按功能把传感器分类，以派生出传感器独有建模方法：
[0016] (a)普通扫描雷达类，用雷达扫描和扇区理论完成建模设计
[0017] (b)精测传感器类(精测雷达，光电经纬仪，GPS信息等)，这些精测传感器的输出
频率一般非常快，而且只对一批目标进行
跟踪，
[0018] (c)无源传感器类(无源雷达、ESM、DF等)，不需要主动探测的，没有扫描和正北的[0019] (d)混合的类(既是传感器又是目标，如预警机，舰载雷达等)，作为单独的一类，继承于传感器和目标基类
[0020] 传感器模拟模块的数据库设计把传感器的参数，例如位置、名称、传感器类型、工作周期、工作频率、探测范围等等，存储到数据库中。
[0021] 传感器模拟模块的报文管理模块建立了综合全面的雷达报文数据库，设计了报文模拟装填程序，传感器模拟模块能够模拟接入防空指挥信息系统所有传感器报文，报文包括国内外各种有源雷达报文、国内外各种无源雷达报文、其他传感器报文、雷达控制报文、综合集成报文；
[0022] 按照真实情况，配置各个传感器能够提供的信息输出，并当有目标被传感器发现时，传感器具备把目标以报文的形式展示的能力。
[0023] 例如需要模拟某普通扫描雷达，周期为10秒，首先通过
软件时控10秒一次，模拟雷达的周期，并输出雷达正北报；将雷达每个扫描周期设置为32个扇区，并设置32个扇区时控，在每个扇区时控到达时
数据处理，通过雷达探测范围，探测高度等信息，寻找所有目标链表里能满足被探测的目标；根据雷达的工作方式，选择一次雷达或二次工作，如果一次或二次雷达探测到目标，选择通过被发现的目标信息输出点迹或者航迹报文。
[0024] (2)目标模拟模块
[0025] 基于C4ISR系统接入的空海陆目标特征，目标模拟模块通过对各种空海陆目标的性能参数分析和建模，模拟操作员要求的目标的高度、速度、航向、机型、架次、是否有干扰、干扰雷达类型；
[0026] 目标模拟模块能够对目标进行机动，能够
修改模拟目标参数，能够实时的对目标的航路进行配置，目标在配置好航路后能够按
指定航线进行飞行。
[0027] 首先确定目标的陆海空类型，按照陆海空目标以及具体目标类型对目标进行建模，例如海面目标的速度范围有限，机
动能力好，无高度，控制目标的速度高度范围，根据目标类型和具体平台仿真目标的运动方式，包括速度高度机动
加速度等，通过
定时器，将目标按照速度高度航向外推，每次外推都更新目标的参数及坐标，借此来保持目标的运动状态和参数。
[0028] (3)想定剧情模拟模块
[0029] 所述想定剧情模拟模块能够配置想定的开始和停止时间，能够控制想定的执行速率，配置战场环境，能够对想定进行总体描述和记录。例如，想定的雷达和目标位于中国某东南沿海，想定持续时间是24小时，想定作者是某工程师,想定的意义在于演示国土防空剧情过程，等等。
[0030] 想定剧情模拟模块建立了模拟场景数据库，可存储大量模拟场景数据方便调用，通过丰富的
人机界面设计，根据目标的参数和航路配置，想定剧情模拟模块借此模拟多方向空袭，用户能随时新建、删除场景。且想定剧情模拟模块设计提供能够在运行场景时，实时动态修改当前目标的飞行航路，或者生成新的飞行航路，
[0031] 所述想定剧情模拟模块还能够配置想定的虚拟雷达信息，虚拟雷达信息包括雷达
质量、杂波、干扰、遮蔽区；想定剧情模拟模块能够配置想定的目标信息，目标信息包括目标数目、目标对雷达的干扰、目标的机动、目标的多点航路，二次代码以及目标基本参数。例如目标二次代码1234，初始速度800Km/h，目标飞行高度为5000m，且每个航路的速度和高度都不同，目标的架次是7，目标是某战斗机机型等。
[0032] (4)雷达探测概率计算模块
[0033] 对于飞机-雷达探测系统而言，对目标的发现概率和对应于给定发现概率的发现时间、发现距离是系统设计者强有力的工具，使用者可以借此来训练、分析、评估、学习，雷达发现概率分析模块通过执行如下步骤，计算得到雷达对目标的综合探测概率及发现时间和发现距离：
[0035] 步骤2，计算目标相对于雷达的位置和实时计算雷达反射截面积；
[0036] 步骤3，计算不同距离和雷达反射截面积下的单雷达信噪比；
[0037] 步骤4，根据经验公式和探测次数计算单雷达累计探测概率；
[0038] 步骤5，确定数据融合准则后，根据公式计算多雷达经融合后的探测概率；
[0039] 步骤6，设定
阈值T，如果探测概率大于T，则判定为探测到目标。
[0040] 步骤1中，通过如下公式计算雷达最小可检测信噪比SNRmin：
[0041]
[0042] 其中C0是雷达性能的决定参数，σ0表示虚警概率为Pfa0时，最大探测距离R0处的雷达反射截面积，R0表示目标与雷达的距离。
[0043] 步骤2包括：在情报模拟器系统中，雷达和目标在统一的
坐标系下，传感器模拟模块通过同一坐标系下的投影计算，获得目标相对于雷达的位置信息，而目标模拟模块根据目标的机型，模拟出目标的雷达反射截面积。
[0044] 步骤3包括：对于距离为R，雷达反射截面积为σ的目标，其在雷达接收机内对应的信噪比SNR为：
[0045]
[0046] 由公式(1)和(2)相除，得：
[0047]
[0048] 因此能够计算不同距离和RCS下的单雷达信噪比。
[0049] 步骤4包括：建立如下经验公式：
[0050]
[0051] 式(4)中，SNR为m次脉冲积累后的信噪比；m为脉冲积累数，且：A、B分别是虚警概率Pfa和检测概率Pd的函数，有A＝In(0.62/Pfa)，B＝In(Pd/(1-Pd))；
[0052] 在信噪比已知的情况下，给定虚警概率Pfa，通过模拟雷达的扫描周期累计计算m，m为该雷达探测到目标的次数，通过公式(3)计算信噪比，当m已知，A已知，SNR已知，根据公式(4)就能够计算出B，从而计算雷达对距离为R、RCS为σ的目标的探测概率值Pd。
[0053] 步骤5包括：
[0054] 设判决向量A＝(a1,a2,…,aN)，aN表示第N个需要进行多雷达数据融合的融合条件，则判决向量被送到数据融合中心(数据融合中心是指多传感器信息协同处理的软件)，数据融合中心根据A做出全局判决，A的所有组合共有2N种：
[0055]
[0056] 其中i取值为1～N，设定数据融合准则用函数R(A)表示，则K out of N准则，即N个假设里有K个满足即有效表示为：
[0057]
[0058] 式中，K为1到N之间的整数，H0表示未通过数据融合
门限，H1表示通过数据融合门限，则融合后系统对
飞行器总的发现概率PDi为：
[0059]
[0060] 式中，S0表示判决向量A中元素值为0的雷达集合，即在该集合中的雷达均判决目标不存在；S1表示A中判决结果为1的雷达集合，Pdk为第k个雷达对飞行器的发现概率；
[0061] 步骤6包括：设定固定的探测概率值T，一般取值0.6，当PDi大于T的时候，认为目标高于门限，则调用报文管理模块和目标模拟模块，用目标信息装填这个雷达的数据报文，作为模拟器的输出，输送C4ISR系统作处理。
[0062] 该发明功能上主要包括以下几个要点：
[0063] (a)传感器报文综合模拟器。
[0065] (c)目标运动参数、属性参数配置及航路设定。
[0067] (e)想定配置和控制器。
[0068] (f)多雷达探测概率计算。
[0069] 本发明功能(1)中，凭借各种传感器的报文数据库建立，报文和模拟方式集中在代码处理上，对不同的系统要求，输入不同的报文。凭借对传感器的功能分析和建模，模拟雷达的
开关机，搜索模式、扫描模式，探测概率，杂波、静默区，设置这些参数后，雷达对目标的探测将将更加接近其真实工作的功能及性能。
[0070] 本发明功能(2)中，根据目标特征的了解和建模仿真，产生空海陆目标，由人机界面的图形编辑对话框设定目标的航线，设定目标的航线中的参数，高度、速度、航向，设定二次代码，设定目标类型，设定敌我属性等，并保存在数据库，在雷达探测目标的过程中，如果目标满足被雷达探测的条件，雷达将获得这些参数。目标带有无源干扰的雷达，则带有这种干扰雷达的目标会释放无源干扰，被这种目标干扰的雷达如果能够截获到目标信息，会获得敌对目标无源雷达信息，该信息能够处理并显示在模拟器上。
[0071] 本发明功能(3)和(4)中，想定控制可以结合雷达、目标、环境等信息，形成综合的、大型的剧情，以进行演示、训练、预演等操作，可以配置多个雷达多个敌我目标参与对抗训练，可以控制想定的开始、停止、暂停等。因为系统中存在虚拟的、待建设的雷达，为了研究系统的特性，通过配置这些虚拟雷达信息的功能，并结合雷达阵地环境参数和雷达静态技术参数给出了对雷达自由空间探测概率，为系统提供参考价值。
[0072] 本发明中包含的主要技术要点有：雷达报文整合、雷达探测目标、目标模拟外推、目标航路配置、剧情设定、剧情控制、雷达探测概率计算等。
[0073] 有益效果：本发明为防空系统提供强大的支持；为学员提供强大的培训功能，增进学员对我系统的理解，增进学员对雷达、目标的熟悉，在可移植性、可操作性、可扩展性上都有很好的优势。
附图说明
[0074] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0075] 图1为传感器模拟器设计架构图。
[0076] 图2为目标模拟器设计架构图。
[0077] 图3为空中目标模拟器外推设计
流程图。
[0078] 图4为多雷达数据融合探测概率计算图。
具体实施方式
[0080] (1)本系统模拟了JH-12、JH-62、MDS等雷达的正北报文和航迹报文，模拟这几部雷达的正常工作。JH-12雷达为2坐标，JH-62雷达为3坐标(可以检测目标高度)。雷达工作时长都为4小时，JH-12探测范围300km，JH-62雷达探测范围400km，MDS探测范围500km，每个雷达均有遮蔽区，对目标无法全程连续探测等等。
[0081] 其中雷达的报文输出结构体如下:
[0082]
[0083] (2)本系统模拟了5个敌对属性目标，模拟了5个友属性目标，这些目标被传感器探测，形成了实时的空情态势，其中目标类的具体设计如下结构：
[0084]
[0085] (3)该想定剧情持续8小时，想定的雷达和目标位置分布于我国东南沿海，想定包括3个雷达，10个目标，该想定的剧情设定结构如下：
[0086]
[0087] (4)执行该想定，按照剧情配置，需要计算雷达对目标的探测概率时，根据公式(1)(2)(3)，一是根据目标机型，的出目标的反射截面积为σ，计算目标相对雷达的位置R：
[0088]
[0089]
[0090] 由公式(1)和(2)相除，得：
[0091]
[0092] 根据公式(4)，计算单雷达对距离为R、RCS为σ的目标的探测概率值Pd：
[0093]
[0094] 式(4)中，SNR为m次脉冲积累后的信噪比；m为脉冲积累数，且：A、B分别是虚警概率Pfa和检测概率Pd的函数，有A＝In(0.62/Pfa)，B＝In(Pd/(1-Pd))；
[0095] 在信噪比已知的情况下，给定虚警概率Pfa，通过模拟雷达的扫描周期累计计算m，m为该雷达探测到目标的次数，通过公式(3)计算信噪比，当m已知，A已知，SNR已知，根据公式(4)就能够计算出B，从而计算雷达对距离为R、RCS为σ的目标的探测概率值Pd。而模拟想定带有多个雷达，所以根据公式(5)(6)(7)，计算多雷达对目标的总发现概率Pdi：
[0096]
[0097]
[0098]
[0099] 当Pdi满足门限要求时，认为目标能够被雷达发现，并输出雷达报文。
[0100] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0101] (1)传感器模拟模块
[0102] 传感器模拟器的设计综合各种雷达，模拟各种传感器的报文，并把报文和模拟方式集中在代码处理上，对不同的系统要求，输入不同的报文，包括一次信息、二次信息、杂波信息、正北报，还可以对传感器参数状态进行控制，对雷达进行正北时到处理和扇区处理，以仿真探测目标，传感器模拟器如图1所示。
[0103] 该图1表示，所述传感器模拟模块包括控制传感器模块、传感器相关数据库表管理模块和报文管理模块；
[0104] 其中，控制传感器模块是通过C++把传感器设计成各种类，根据各种基类和派生类配置各种传感器类的方法和属性，完成传感器的各种功能，设置传感器位置是指把传感器布置到某地理位置坐标，开关传感器指打开或者关闭模拟传感器，
传感器系统误差指模拟固定的违反随机原则的偏向性误差，传感器随机误差是指可变的偶然误差，传感器杂波设置指模拟出传感器探测到的杂波，传感器无源干扰是指模拟传感器探测到的无源干扰报文，人工传感器误差修正指模拟对传感器的误差进行修复；
[0105] 传感器相关数据库表管理模块将传感器的基础信息存储在数据库表里，用于读取和更新，保存传感器的位置，探测距离，周期，名称等信息，方便对模拟传感器增删改；
[0106] 报文管理模块用于报文的处理与输出，可以模拟各种报文输出，传感器正北报用于雷达的对北，传感器控制主函数是传感器在正北时刻处理其探测到的目标，雷达扇区处理指将雷达分为32个扇区，并在扇区内对目标进行探测，报文主要由雷达能够探测的目标信息装填，以便扮演成传感器
角色，为系统提供支持。
[0107] (2)目标模拟模块
[0108] 目标具备多种特性和多种参数，产生空海陆目标，设定目标的航线，能够以定时控制的形式，实现目标的机动拐弯和参数变化处理，能够使模拟目标按照设定的时间到达航路拐点和终点，设定目标的航线中的参数，高度、速度、航向，设定二次代码，设定目标类型，设定敌我属性等。在模块设计上，主要有以下几点:
[0109] 1)根据人机界面输入不同种类的目标及参数，点确定后可产生一个或多个目标。
[0110] 2)根据不同类型的目标建立不同的目标运动模型，目标有了速度高度航向后，定时的外推目标，定时更新目标的参数及位置等。
[0111] 3)可通过人工干预修改目标参数。
[0112] 4)目标模拟模块与传感器模拟模块具有
接口，用于传感器探测目标，输出传感器报文。
[0113] 目标模拟器主流程图如图2所示，该图表示如何产生目标，如何改变目标属性，如何停止模拟一批目标。例如需要产生目标，则应该在目标数组里寻找一个新的下标，并把操作员输入的速度高度航向坐标等信息，填写在该目标数组中，并赋予该目标一个唯一的批号，因为目标在运动，需要每秒更新这些信息。而需要改变目标属性(例如航向)时，需要通过操作员输入信息找到这个批号，并把操作员需要改变到的航向，转弯坡度，左转或右转等等填到目标数组，调用外推模块每秒更新这些信息。上述步骤2)中的外推目标流程图如图3所示，该流程图适应于空中目标，其功能是按目标当前的运动状态，定时更新空中目标的速度高度航向位置等基本参数。其中，对目标进行控制外推模块实时更新目标信息，因为目标一旦产生就会向前运动，目标控制外推模块每秒计算一次目标的更新，根据目标的瞬时速度和加速度，得到目标的新速度：即输入时间t的速度vp为：
[0114] vp＝v0+va*dt，
[0115] dt为输入时间t到目标时间tc的差值，v0为tc时刻的速度，va表示加速度，[0116] 根据目标的高度爬升速率得到目标的新高度，即时间t的高度hp为：
[0117] hp＝h0+ha*dt，
[0118] h0为tc时刻的高度，ha表示爬升速率；
[0119] 根据目标的航向及
角速度，得到目标的新航向，即时间t的航向变化dc为：
[0120] dc＝G*dt*tan(bank)/vm，
[0121] G表示
重力加速度，bank表示转弯坡度，vm表示平均速度，再根据当前目标的坐标信息，计算下一时刻的目标位置坐标信息，并更新目标信息，tc时刻的坐标为(x0，y0)，t时刻的坐标(x，y)计算公式为：
[0122] x＝x0+dt*vm*sin(cm)，
[0123] y＝y0+dt*vm*cos(cm)，
[0124] 其中cm为dt时间内的角度平均值。
[0125] 将计算出的时间t的目标属性赋值到infrd区，雷达在正北时将用infrd的数据装填消息报文。
[0126] (3)剧情设置
[0127] 剧情设置控制综合剧情的开始结束时间，控制综合剧情的内容、作者、记录配置等等。能够对剧情进行综合的配置和把控，可以结合雷达、目标、环境等信息，形成综合的、大型的剧情，以进行演示、训练、预演等操作，可以配置多个雷达多个敌我目标参与对抗训练，可以控制想定的开始、停止、暂停等。
[0128] (4)雷达检测概率及雷达发现距离和时间
[0129] 对于给定的雷达系统，在虚警概率确定的情况下，其对某一距离某一RCS值的目标的探测概率为一定值。将雷达在达到最大探测距离时(此时雷达接收机能够处理的信噪比成为最小可检测信噪比)的探测性能称为特征探测性能，特征探测性能由一组参数确定：虚警概率为Pfa0时，最大探测概率R0处RCS为σ0的目标，其在雷达接收机内达到最小可检测信噪比状态，最小可检测信噪比为SNRmin，此时探测概率为Pd0，假设同一部雷达的性能参数大致一致，雷达探测概率Pd是虚警概率和信噪比的函数，则可通过公式(3)和公式(4)计算雷达对距离为R、RCS为σ的目标的探测概率值Pd。
[0130] 对于给定的分布式探测系统，其探测性能与组成该系统的各个分布探测器的探测性能密切相关，各雷达之间通过数据链等实现数据共享与信息融合，其探测能力取决于多雷达的空间分布、体系结构、信息融合准则等多种因素，多雷达探测系统的发现概率是指信息融合中心得出的目标发现概率。以典型的分布式多雷达探测系统为例，假设探测系统由N部雷达组成，对目标的发现采用“K out of N”融合准则(即N个假设里有K个满足即有效)，即当探测系统内发现目标的雷达数超过检测门限K时，则判为发现目标，其融合判决流程如图4所示。
[0131] 本发明提出的C4ISR模拟器设计具有以下几个特点：
[0132] (1)能够实现不同的传感器模拟，模拟传感器的功能及报文输出。
[0133] (2)能够实现空海陆目标模拟，这些目标被传感器探测。
[0134] (3)能够实现想定剧情配置，以方便操作员以何种方式实现模拟训练。
[0135] (4)能够计算雷达的探测概率作为参考模型。以合理利用雷达的资源部署和分布，实现协同探测。
[0136] 本发明提供了一种用于C4ISR系统的情报模拟器系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用
现有技术加以实现。
