基于UML的搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)建模與實(shí)現(xiàn)

鄧東旭 王學(xué)智 徐 躍

(空軍工程大學(xué) 西安 710051)

0 引言

搜索雷達(dá)作為防空火力單元的重要組成部分［1］，能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行搜索、識(shí)別和跟蹤，對(duì)防空作戰(zhàn)的過(guò)程具有重要影響。因此模擬搜索雷達(dá)并在防空火力單元的仿真軟件中使用，用于模擬對(duì)應(yīng)雷達(dá)的工作過(guò)程和性能，對(duì)于提高仿真火力單元的作戰(zhàn)性能和雷達(dá)自身精度上的逼真度具有重要影響。搜索雷達(dá)模擬軟件的主要功能是根據(jù)劇情產(chǎn)生系統(tǒng)的空情信息，模擬搜索雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)發(fā)現(xiàn)過(guò)程，對(duì)探測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行相關(guān)處理，形成目標(biāo)航跡，并發(fā)送給情報(bào)處理軟件。

由于面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)方法在大型項(xiàng)目中逐漸暴露出軟件的開(kāi)發(fā)難度大、不易維護(hù)等缺點(diǎn)，而面向?qū)ο蠓治鰟t由于對(duì)對(duì)象的封裝、繼承等使得它更能靈活和高效的適應(yīng)需求的變化［2］。在不斷的使用和發(fā)展的的過(guò)程中，UML 逐漸成為一種功能強(qiáng)大，表達(dá)清晰且通用性較高的建模語(yǔ)言，本文針對(duì)搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于面向?qū)ο蟮乃枷?，采用UML 對(duì)搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)進(jìn)行建模與實(shí)現(xiàn)［3］。

1 基于UML 的仿真系統(tǒng)建模

UML(Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語(yǔ)言)是由GrayBooch、Jim Rumbaugh、IvarJacobson 三位著名的面向?qū)ο蠹夹g(shù)專家在基于Booch 方法、OOSE 方法與OMT 方法上，提出的通用圖形化標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言。該方法用視圖模型來(lái)描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(靜態(tài))和行為(動(dòng)態(tài))。在軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要應(yīng)用到CIM(Computation Independent Model)和PIM(Platform Independent Model)階段的UML 模型。

1．1 UML 建模步驟

CIM 關(guān)注于本系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的交互，不涉及具體細(xì)節(jié)，屬于概要設(shè)計(jì)，具體包括以下三個(gè)步驟［4］:

CIM-1:確定系統(tǒng)功能，建立系統(tǒng)的用例模型。此階段描述了新建系統(tǒng)的總體功能。

CIM-2:分析系統(tǒng)工作流程，建立活動(dòng)圖。此階段需要分析CIM-1 階段的用例流程，繪制出活動(dòng)圖。

CIM-3:規(guī)定系統(tǒng)范圍，建立系統(tǒng)用例圖。次階段將反應(yīng)出CIM-1 和CIM-2 的具體執(zhí)行動(dòng)作。

PIM 屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，它不涉及系統(tǒng)的具體平臺(tái)且關(guān)注于軟件系統(tǒng)的內(nèi)部細(xì)節(jié)但，具體包括以下四個(gè)步驟:

PIM-1:分析系統(tǒng)流程，總結(jié)系統(tǒng)用例敘述。針對(duì)系統(tǒng)用例，分析其內(nèi)部細(xì)節(jié)，并編寫系統(tǒng)用例敘述。

PIM-2:分析業(yè)務(wù)流程，建立狀態(tài)圖。根據(jù)業(yè)務(wù)流程，針對(duì)相應(yīng)業(yè)務(wù)對(duì)象繪制出狀態(tài)圖。

PIM-3:定義靜態(tài)結(jié)構(gòu)，建立類圖。此階段用類表示系統(tǒng)內(nèi)部的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。

PIM-4:定義操作及方法，建立序列圖。此階段用以表示系統(tǒng)內(nèi)對(duì)象間共同完成某一用例時(shí)，相互間的動(dòng)態(tài)交互過(guò)程。

1．2 搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)建模

文中基于UML 的七個(gè)建模步驟，采用Visio 軟件工具對(duì)搜索雷達(dá)仿真軟件進(jìn)行建模［5］。文中先對(duì)搜索雷達(dá)的業(yè)務(wù)用例進(jìn)行建模，然后以搜索雷達(dá)業(yè)務(wù)用例中的“目標(biāo)探測(cè)模擬”為特例進(jìn)行建模。

1.2.1 業(yè)務(wù)用例建模

UML 模型中的用例建模通常用于描述系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能。通過(guò)對(duì)搜索雷達(dá)仿真軟件的需求分析，對(duì)于防空作戰(zhàn)火力單元仿真系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，搜索雷達(dá)仿真軟件主要有三類功能:目標(biāo)探測(cè)模擬;航跡生成與管理;管控信息處理。用例如圖1所示。

圖1 搜索雷達(dá)仿真軟件用例圖

目標(biāo)探測(cè)模擬用于判別在有干擾或無(wú)干擾的條件下目標(biāo)是否能被雷達(dá)探測(cè)到［6］。結(jié)合目標(biāo)的狀態(tài)和特性，計(jì)算雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率，判斷是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo);根據(jù)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的結(jié)果，對(duì)探測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行相關(guān)處理并形成航跡;航跡生成與管理描述探測(cè)模型對(duì)探測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行相關(guān)處理并形成航跡的過(guò)程;管控信息處理對(duì)接受到的作戰(zhàn)指揮軟件的管控命令進(jìn)行執(zhí)行處理，并將雷達(dá)的狀態(tài)返回給作戰(zhàn)指揮軟件［7］。由于目標(biāo)探測(cè)模擬功能是搜索雷達(dá)的主要功能，下面以用例‘目標(biāo)探測(cè)模擬’為例來(lái)講述如何利用UML 對(duì)搜索雷達(dá)仿真軟件進(jìn)行建模。

1.2.2 活動(dòng)圖建模

活動(dòng)圖類似軟件的流程圖，是每個(gè)業(yè)務(wù)用例的邏輯過(guò)程。但活動(dòng)圖是概念級(jí)的，見(jiàn)圖2。而軟件流程圖描述的則是具體的程序設(shè)計(jì)。下面主要針對(duì)目標(biāo)探測(cè)模擬用例分析其工作流程。

圖2 用例＜目標(biāo)探測(cè)模擬＞執(zhí)行活動(dòng)圖

用例＜目標(biāo)探測(cè)模擬＞的執(zhí)行流程描述如下:

(a)預(yù)處理接收的目標(biāo)信息，判斷該目標(biāo)是否在當(dāng)前扇區(qū)，若目標(biāo)不在當(dāng)前扇區(qū)，轉(zhuǎn)回(a)。若目標(biāo)在當(dāng)前扇區(qū)，轉(zhuǎn)(b);

(b)計(jì)算雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波功率;

(c)判斷當(dāng)前有無(wú)干擾，若無(wú)干擾，計(jì)算信噪比，轉(zhuǎn)e);

(d)有干擾，計(jì)算信干比，轉(zhuǎn)(e);

(e)計(jì)算雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率;

(f)判斷本次掃描能否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，若能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，轉(zhuǎn)h);

(g)若不能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則轉(zhuǎn)(a);

(h)目標(biāo)位置信息加誤差;

(i)流程結(jié)束。

1.2.3 系統(tǒng)用例建模

系統(tǒng)用例模型將明確系統(tǒng)作用和范圍，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。在不考慮實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上來(lái)描述用戶的功能需求，見(jiàn)圖3。

圖3 用例＜目標(biāo)探測(cè)模擬＞用例圖

該用例描述模擬預(yù)警雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的過(guò)程。仿真雷達(dá)的探測(cè)能力，結(jié)合目標(biāo)的狀態(tài)和特性，計(jì)算雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率，判斷是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo);根據(jù)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的結(jié)果，對(duì)探測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行相關(guān)處理并形成航跡。

1.2.4 用例說(shuō)明

系統(tǒng)用例描述是針對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)用例，分析其內(nèi)部細(xì)節(jié)，編寫成系統(tǒng)用例敘述。

以下是對(duì)＜目標(biāo)探測(cè)模擬＞的用例敘述:

(1)劇情產(chǎn)生軟件發(fā)送空情信息;

(2)作戰(zhàn)指揮軟件發(fā)送雷達(dá)開(kāi)機(jī)命令;

(3)對(duì)接受到的目標(biāo)信息進(jìn)行處理;

(4)計(jì)算該目標(biāo)是否已經(jīng)被探測(cè)到;

(5)進(jìn)行編批處理，形成航跡。

1.2.5 狀態(tài)圖建模

狀態(tài)圖可以捕獲對(duì)象、子系統(tǒng)、和系統(tǒng)的生命周期。它們可以告知一個(gè)對(duì)象可以擁有的狀態(tài)，并且事件會(huì)怎樣隨著時(shí)間的推移來(lái)影響這些狀態(tài)。

狀態(tài)圖是活動(dòng)圖的一個(gè)變體，兩者的表現(xiàn)形式殊途同歸。基于目標(biāo)探測(cè)模塊的特點(diǎn)，本文同時(shí)用圖2 來(lái)表示用例＜目標(biāo)探測(cè)模擬＞的狀態(tài)圖。

1.2.6 類圖建模

在UML 中，用類圖和對(duì)象圖來(lái)表示類與對(duì)象模型，屬于靜態(tài)建模的范疇。類與對(duì)象是面向?qū)ο蠹夹g(shù)的基本元素，類是對(duì)同一類事物的抽象。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)優(yōu)于常規(guī)面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是對(duì)對(duì)象(或類)的封裝性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)程序功能模塊的封裝，進(jìn)而使整個(gè)程序做到“高內(nèi)聚、低耦合”。

以搜索雷達(dá)為關(guān)注點(diǎn)的有關(guān)類，主要包括‘目標(biāo)探測(cè)管理(TargetProcess)’類，‘管控信息處理(InformationManage)’類，‘航跡生成與管理(SimulationManage)’類，‘控制管理(ManageControl)’類。見(jiàn)圖4。

圖4 用例＜目標(biāo)探測(cè)模擬＞類圖

在圖-中，給出了四個(gè)類，每個(gè)類都有自己的屬性(數(shù)據(jù))和操作，‘目標(biāo)探測(cè)模擬’類，即TargetProcess 類的屬性和操作見(jiàn)下敘述。

1)屬性:

m_taget

屬性描述:待處理目標(biāo)

2)操作:

FindTarget:目標(biāo)發(fā)現(xiàn)判斷，若在連續(xù)五個(gè)周期中有三個(gè)周期中能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則標(biāo)示為跟蹤，否則丟棄;

GiveTargetNum:給跟蹤的目標(biāo)編批號(hào);

IsInShanqu:判斷目標(biāo)是否在雷達(dá)扇區(qū)范圍之內(nèi);

GiveFindProbality:計(jì)算雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的概率。

1.2.7 序列圖建模

為詳細(xì)考察類的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，可利用序列圖定義程序執(zhí)行時(shí)每一步需要執(zhí)行的具體操作。圖5 顯示了對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)協(xié)作，著重描述對(duì)象間消息傳遞的時(shí)間順序。序列圖的兩個(gè)坐標(biāo)軸，橫坐標(biāo)為顯示對(duì)象，縱坐標(biāo)為顯示時(shí)間。

圖5 用例＜目標(biāo)探測(cè)模擬＞序列圖

為得到更完備的類圖，可根據(jù)序列圖和靜態(tài)類圖進(jìn)一步開(kāi)發(fā)程序需要的類。

2 搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2．1 搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)工作流程

為適應(yīng)系統(tǒng)需求，采用模塊化思想對(duì)所建立的搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。在相繼完成目標(biāo)探測(cè)，管控信息處理和航跡生成與管理用例的建模后，使用VC++6.0 編程工具提供的MFC AppWizard(dll)組件開(kāi)發(fā)功能，按照系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

2．2 搜索雷達(dá)仿真軟件實(shí)現(xiàn)

將建立的搜索雷達(dá)仿真軟件應(yīng)用于某防空火力單元仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了某型搜索雷達(dá)的仿真系統(tǒng)，雷達(dá)顯示界面如圖7所示。

3 結(jié)論

本文根據(jù)防空火力單元仿真系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)裝備的特殊要求，依據(jù)雷達(dá)裝備的用途和工作原理，提出一種基于模塊化的雷達(dá)裝備建模與仿真框架。建立并實(shí)現(xiàn)了一種通用性強(qiáng)，可移植性好的雷達(dá)系統(tǒng)模擬軟件。目前，該仿真軟件在成功應(yīng)用于某防空火力單元仿真系統(tǒng)的過(guò)程中能夠較好的反映雷達(dá)的工作流程及實(shí)際性能。

圖6 搜索雷達(dá)探測(cè)仿真模型處理流程

圖7 搜索雷達(dá)仿真軟件工作界面

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