基于嵌入式系统的典型雷达航迹仿真与实现

引言

在各种雷达训练和信号模拟器中，都需要进行航迹模拟及航迹显示，以便于为仿真平台提供信号源。对于便携式雷达模拟器来说，无法使用PC，需用嵌入式系统来实现人机交互及信号处理。但当前绝大部分的航迹模拟均建立在PC机上，虽然功能强大，但航迹模型较为复杂，计算量较大，不易于在嵌入式设备设备上实现。针对上述问题，在嵌入式系统内，采用双缓冲技术，并通过"背景复制"的方法对3种典型雷达航迹模型进行了模拟仿真，解决了嵌入式系统在进行仿真时内存处理速度与绘图资源消耗较大的矛盾，实现了对典型雷达航迹的图形化显示和航迹点坐标的实时动态模拟。

1 典型航迹模型

所谓航迹是指飞行物的雷达测量时间序列，它是反映目标飞行航线、航速，乃至飞行目的的重要参数。直线型航迹、水平圆周型航迹和垂直圆周型航迹是3种典型的空中航迹模型，对3种典型航迹进行组合，可有效地模拟出空中各种复杂航迹。

1．1 坐标系的建立

雷达系统常用坐标系有直角坐标系和极坐标系。二者均以雷达作为坐标系的原点且原点重合。在直角坐标系内，以y轴正方向为正北方，正东为x轴的正方向，与水平垂直且向上的方向为h轴正方向；极坐标系内，从观测点到目标点连线的延长线方向为目标的斜距离D的正方向。

1．2 航迹模型的建立

1. 2．1 直线型航迹

空间直线型航迹较为简单，是最常用到的一种航迹模型。在直角坐标系内其运动学方程可以由其初始速度v0，加速度a，飞行俯仰角θ，航向角φ以及航迹时间t来表示，△t内有如下关系成立：


1．2．2 水平圆周型航迹

水平圆周型航迹主要分为左转和右转2种类型。在直角坐标系内，单位时间增量△t内其运动方程如下：

式中：s=2Rsin(△φ／2)，用来表示圆周运动起始点到终止点的直线距离；R为半径；φ为初始航向角，△φ=(v△t)／R为航向角增量(方位角变化量)。当目标左转时，F=1，右转时，F=-1。

1．2．3 垂直圆周型航迹

垂直圆周段航迹指的是目标在与水平面垂直的平面里做恒向心加速度圆周运动，其特点是飞行方位角保持不变。假设单位时间增量△t内，由目标运动起始点到终止点的直线距离为s，则s在x轴上的投影为△z，在xoy平面上的投影为△L，可以得到如下关系：

式中：R为半径；θ为初始飞行俯仰角；φ为初始航向角。俯仰角增量△θ=(v△t)／R。如图1所示，若目标由A点运动到C点，则当目标从A点运动到B点时，F=1，而当目标在BC段运动时，F=-1。

1．3 目标飞行的雷达坐标

在雷达应用中，测定目标坐标常用极(球)坐标系统，空间任一目标的位置可用斜距D，方位角β，高低角θ来表示。在1．2节中为了简化，算出的都是单位时间增量△t内的坐标增量，但是在实际运算中，应该使用实时坐标值。假设目标在直角坐标系中的位置为(xt，yt，zt)，则有：

2 仿真流程

航迹仿真流程如图2所示。


3 仿真实现

嵌入式系统是指根据特定的应用及要求，采用特定的开发板和特定的操作系统运行应用程序的系统。一般来说，嵌入式系统具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，与一般的PC系统相比，特别适合于要求实时和多任务的体系。

在对航迹进行可视化仿真时，选择Win CE嵌入式操作系统，在Visual Studio 2005开发平台上，采用Visual C#语言进行程序编写。

3．1 GDI+技术

GDI+技术指的是在．NET Framework 2．0中提供的二维图形、图像处理等功能，主要用于绘制各种图像图像，可以用于绘制各种数据图形、数学仿真等。目前，GDI+技术是在Windows窗体应用程序中以编程方式呈现图形的基本方法。

GDI+使用Graphies类来描述一个绘图表面，并提供该表面可以进行的所有绘图工作。当所需图像包含大量基本图形时，在内存中的Bitm-ap上绘图比直接在屏幕上绘图要快的多。所以应用GDI+技术绘图时，为了消除在画图时引起的屏幕抖动，常常采用双缓冲技术。其实质即在内存中事先开辟出一块空间作为缓冲区，绘制图片，再将缓冲区里的图片绘制到用户界面或输出终端。具体步骤为：

(1)创建一个指定大小的空位图Bitmap；
(2)调用Graphics类的FromImage静态方法，从该位图创建一个Graphics对象；
(3)利用创建的Graphics对象进行绘图；
(4)释放绘图资源；
(5)调用窗体的Paint事件，刷新窗体。

3．2 航迹坐标点的定位

GDI+中的作图函数建立在一个以像素为单位的逻辑坐标系中。该逻辑坐标系的原点是显示屏幕的左上角，并且y轴向下为正方向，x轴向右为正方向，如图3所示。在对航迹进行的可视化仿真，建立在对雷达PPI显示器进行模拟的基础上。因此，在做图中，需要将PPI显示的参数换算为以像素为单位的值。