基于UML的搜索雷达仿真系统建模与实现*

邓东旭，王学智，徐跃

(空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安　710051)



仿真技术

基于UML的搜索雷达仿真系统建模与实现*

邓东旭，王学智，徐跃

(空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安710051)

摘要：为了构建某防空火力单元仿真系统中搜索雷达的仿真模块，介绍了基于统一建模语言UML(unified modeling language)的搜索雷达仿真系统的建模与实现，利用UML为搜索雷达仿真系统进行面向对象的分析建模，构建了搜索雷达仿真系统的用例模型，动态模型和静态模型。最后给出了系统的具体实现，仿真实验表明系统设计的可行性。

关键词：防空火力单元；搜索雷达；UML；面向对象；建模；仿真系统

0引言

搜索雷达作为防空火力单元的重要组成部分[1]，能够对目标进行搜索、识别和跟踪，对防空作战的过程具有重要影响。因此模拟搜索雷达并在防空火力单元的仿真软件中使用，用于模拟对应雷达的工作过程和性能，对于提高仿真火力单元的作战性能和雷达自身精度上的逼真度具有重要影响。搜索雷达模拟软件的主要功能是根据剧情产生系统的空情信息，模拟搜索雷达对目标的探测发现过程，对探测到的目标点迹进行相关处理，形成目标航迹，并发送给情报处理软件。

由于面向过程的程序设计方法在大型项目中逐渐暴露出软件的开发难度大、不易维护等缺点，而面向对象分析则由于对对象的封装、继承等使得它更能灵活和高效的适应需求的变化[2]。在不断的使用和发展的的过程中，UML逐渐成为一种功能强大，表达清晰且通用性较高的建模语言，本文针对搜索雷达仿真系统的特点，基于面向对象的思想，采用UML对搜索雷达仿真系统进行建模与实现[3]。

1基于UML的仿真系统建模

UML(unifiedmodelinglanguage，统一建模语言)是由GrayBooch,JimRumbaugh,IvarJacobson3位著名的面向对象技术专家在基于Booch方法、OOSE方法与OMT方法上，提出的通用图形化标准建模语言。该方法用视图模型来描述系统结构(静态)和行为(动态)。在软件系统开发过程中主要应用到CIM(computationindependentmodel)和PIM(platformindependentmodel)阶段的UML模型。

1.1UML建模步骤

CIM关注于本系统与外部系统的交互，不涉及具体细节，属于概要设计，具体包括以下3个步骤[4]：

CIM-1：确定系统功能，建立系统的用例模型。此阶段描述了新建系统的总体功能。

CIM-2：分析系统工作流程，建立活动图。此阶段需要分析CIM-1阶段的用例流程，绘制出活动图。

CIM-3：规定系统范围，建立系统用例图。此阶段将反应出CIM-1和CIM-2的具体执行动作。

PIM属于详细设计阶段，它不涉及系统的具体平台且关注于软件系统的内部细节，具体包括以下4个步骤：

PIM-1：分析系统流程，总结系统用例叙述。针对系统用例，分析其内部细节，并编写系统用例叙述。

PIM-2：分析业务流程，建立状态图。根据业务流程，针对相应业务对象绘制出状态图。

PIM-3：定义静态结构，建立类图。此阶段用类表示系统内部的静态结构。

PIM-4：定义操作及方法，建立序列图。此阶段用以表示系统内对象间共同完成某一用例时，相互间的动态交互过程。

1.2搜索雷达仿真系统建模

文中基于UML的7个建模步骤，采用Visio软件工具对搜索雷达仿真软件进行建模[5]。文中先对搜索雷达的业务用例进行建模，然后以搜索雷达业务用例中的“目标探测模拟”为特例进行建模。

1.2.1业务用例建模

UML模型中的用例建模通常用于描述系统应该具备的功能。通过对搜索雷达仿真软件的需求分析，对于防空作战火力单元仿真系统来说，搜索雷达仿真软件主要有3类功能：目标探测模拟；航迹生成与管理；管控信息处理。用例图如图1所示。

图1　搜索雷达仿真软件用例图Fig.1　Use case diagram of the simulation software of search radar

目标探测模拟用于判别在有干扰或无干扰的条件下目标是否能被雷达探测到[6]。结合目标的状态和特性，计算雷达对目标的探测概率，判断是否发现目标；根据雷达探测目标的结果，对探测到的目标点迹进行相关处理并形成航迹；航迹生成与管理描述探测模型对探测到的目标点迹进行相关处理并形成航迹的过程；管控信息处理对接受到的作战指挥软件的管控命令进行执行处理，并将雷达的状态返回给作战指挥软件[7]。由于目标探测模拟功能是搜索雷达的主要功能，下面以用例“目标探测模拟”为例来讲述如何利用UML对搜索雷达仿真软件进行建模[8]。

1.2.2活动图建模

活动图类似软件的流程图，是每个业务用例的逻辑过程。但活动图是概念级的，见图2。而软件流程图描述的则是具体的程序设计。下面主要针对目标探测模拟用例分析其工作流程。

图2　用例“目标探测模拟”执行活动图Fig.2　Enforcement activities diagram of “target detection simulation”

用例“目标探测模拟”的执行流程描述如下：

(1) 预处理接收的目标信息，判断该目标是否在当前扇区，若目标不在当前扇区，则转回(1)，若目标在当前扇区，则转(2)；

(2) 计算雷达接收到的目标回波功率；

(3) 判断当前有无干扰，若无干扰，计算信噪比，转(5)；

(4) 有干扰，计算信干比，转(5)；

(5) 计算雷达对目标的探测概率；

(6) 判断本次扫描能否发现目标，若能发现目标，转(8)；

(7) 若不能发现目标，则转(1)；

(8) 目标位置信息加误差；

(9) 流程结束。

1.2.3系统用例建模

系统用例模型将明确系统作用和范围，是系统设计和开发的基础。在不考虑实现细节的基础上来描述用户的功能需求，见图3。

图3　用例“目标探测模拟”用例图Fig.3　Use case diagram of “target detection simulation”

该用例描述模拟预警雷达探测目标的过程[9]。仿真雷达的探测能力，结合目标的状态和特性，计算雷达对目标的探测概率，判断是否发现目标[10]；根据雷达探测目标的结果，对探测到的目标点迹进行相关处理并形成航迹[11]。

1.2.4用例说明

系统用例描述是针对每一个系统用例，分析其内部细节，编写成系统用例叙述。

以下是对“目标探测模拟”的用例叙述:

(1) 剧情产生软件发送空情信息；

(2) 作战指挥软件发送雷达开机命令；

(3) 对接受到的目标信息进行处理；

(4) 计算该目标是否已经被探测到；

(5) 进行编批处理，形成航迹。

1.2.5状态图建模

状态图可以捕获对象、子系统和系统的生命周期。它们可以告知一个对象可以拥有的状态，并且事件会怎样随着时间的推移来影响这些状态。

状态图是活动图的一个变体，两者的表现形式殊途同归。基于目标探测模块的特点，本文同时用图2来表示用例“目标探测模拟”的状态图。

1.2.6类图建模

在UML中，用类图和对象图来表示类与对象模型，属于静态建模的范畴[12]。类与对象是面向对象技术的基本元素，类是对同一类事物的抽象。面向对象程序设计优于常规面向过程程序设计的特点是对对象(或类)的封装性，实现了对程序功能模块的封装，进而使整个程序做到“高内聚、低耦合”。

以搜索雷达为关注点的有关类，主要包括“目标探测管理(TargetProcess)”类，“管控信息处理(InformationManage)”类，“航迹生成与管理(SimulationManage)”类，“控制管理(ManageControl)”类。见图4。

在图4中，给出了4个类，每个类都有自己的属性(数据)和操作，‘目标探测模拟’类，即TargetProcess类的属性和操作见下叙述:

(1) 属性

m_taget

属性描述：待处理目标

(2) 操作

FindTarget：目标发现判断，若在连续5个周期中有3个周期中能发现目标，则标示为跟踪，否则丢弃；

GiveTargetNum：给跟踪的目标编批号；

IsInShanqu：判断目标是否在雷达扇区范围之内；

GiveFindProbality：计算雷达探测目标的概率。

图4　用例“目标探测模拟”类图Fig.4　Class diagram of “target detection simulation”

1.2.7序列图建模

为详细考察类的动态结构，可利用序列图定义程序执行时每一步需要执行的具体操作。图5显示了对象之间的动态协作，着重描述对象间消息传递的时间顺序。序列图的2个坐标轴，横坐标为显示对象，纵坐标为显示时间。

为得到更完备的类图，可根据序列图和静态类图进一步开发程序需要的类[13]。

2搜索雷达仿真系统实现

2.1搜索雷达仿真系统工作流程

为适应系统需求，采用模块化思想对所建立的搜索雷达仿真系统进行编程实现[14]。在相继完成目标探测，管控信息处理和航迹生成与管理用例的建模后，使用VC++6.0编程工具提供的MFCAppWizard(dll)组件开发功能，按照系统的逻辑架构设计实现，如图6所示。

图5　用例<目标探测模拟>序列图Fig.5　Sequence diagram of target detection simulation

2.2搜索雷达仿真软件实现

将建立的搜索雷达仿真软件应用于某防空火力单元仿真系统中[15]，实现了某型搜索雷达的仿真系统，雷达显示界面如图7所示。

图6　搜索雷达探测仿真模型处理流程Fig.6　Process flow of the detection simulation model of search radar

图7　搜索雷达仿真软件工作界面Fig.7　Work interface of the simulation software of search radar

3结束语

本文根据防空火力单元仿真系统对雷达装备的特殊要求，依据雷达装备的用途和工作原理，提出一种基于模块化的雷达装备建模与仿真框架。建立并实现了一种通用性强，可移植性好的雷达系统模拟软件。目前，该仿真软件在成功应用于某防空火力单元仿真系统的过程中能够较好的反映雷达的工作流程及实际性能。

参考文献：

[1]李冬，刘海业，苏春梅，等. 地空导弹营火力单元仿真设计[J]. 火力与指挥控制，2007,32(12):106-109.

LIDong,LIUHai-ye,SUChun-mei,etal.SimulationDesignofSAMBattalionFireUnit[J].FireControlandCommandControl, 2007,32(12):106-109.

[2]刘婷，张江华，聂强，等. 基于UML的雷达导引头系统软件工程过程[J]. 火控雷达技术， 2012, 41(4):26-30.

LIUTing,ZHANGJiang-hua,NIEQiang,etal.UMLBasedSoftwareEngineeringProcessRadarSeekerSystem[J].FireControlRadarTechnology, 2012, 41(4):26-30.

[3]何春俐. 建模语言UML的研究[J].机械管理开发，2010,25(1):177-178.

HEChun-li.StudyonModelingLanguageofUML[J].MechanicalManagementandDevelopment, 2010,25(1):177-178.

[4]邱郁慧.系统分析师UML实务手册[M].北京：机械工业出版社，2008.

QIUYu-hui.TheUMLPracticesManualforSystemsAnalyst[M].Beijing:MechineryIndustryPress,2008.

[5]陆波，华祖耀.面向对象的软件工程与统一建模语言UML[J].电脑开发与应用，2002,15(9):18-22.

LUBo,HUAZu-yao.Object-OrientedSoftwareEngineering&UnifiedModelingLanguage[J].ComputerDevelopment&Applications, 2002,15(9):18-22.

[6]王晓红，沈永福. 作战系统仿真中的雷达建模与仿真研究[J].系统仿真学报,2005,17(7):1535-1537.

WANGXiao-hong,SHENYong-fu.ResearchofRadarModelingandEmulatinginCombatSystemSimulation[J].JournalofSystemSimulation, 2005,17(7):1535-1537.

[7]吉玉洁，张高峰，吴亮. 应用于仿真训练的模块化雷达建模与实现[J].系统仿真学报，2014，26(2):242-247.

JIYu-jie,ZHANGGao-feng,WULiang.ModularizedModelingandRealityofRadarforRealTimeSimulationTraining[J].JournalofSystemSimulation, 2014，26(2):242-247.

[8]李彦庆. 地空导弹作战指挥系统及飞行过程仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.

LIYan-qing.ResearchofSurface-To-AirMissileOperationalCommandSystemandFlightAttackProcessSimulation[D].Harbin:HarbinEngineeringUniversity, 2006.

[9]丁鹭庆. 雷达对抗原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，1999.

DINGLu-qing,PrincipleofRadarCountermeasure[M].Xi’an:XidianUniversityPress,1999.

[10]张翔. 某型地空导弹模拟训练系统的设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2008.

ZHANGXiang.DesignandImplementationoftheSimulationTrainingSystemforOneKindofSurface-to-AirMissile[D].Changsha:NationalUniversityofDefenseTechnology,2008.

[11]吕辉，贺正洪. 防空指挥自动化系统原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

LÜHui,HEZheng-hong.ThePrincipleofAirDefenseCommandAutomationSystem[M].Xi’an：XidianUniversityPress,2003.

[12]MurrayCantor.Object-OrientedProjectManagementwithUML[M].Beijing:Posts&TelecomPress, 2004.

[13]StephenPrata.C++PrimerPlus[M].Beijing:Posts&TelecomPress,2012.

[14]MerrillI.Skolnik.RadarHandbook[M].NewYork:McGraw-HillProfessional,1990.

[15]连光耀，黄考利，程兆刚.防空导弹发射控制系统模拟训练器设计[J].武器自动化，2004，23(1):15-17.

LIANGuang-yao,HUANGKao-li,CHENGZhao-gang.DesignofSimulationTraningApparatusforAirDefenseMissileShootandControl[J].ArmamentAutomation. 2004,23(1):15-17.

Modeling and Implementation of Simulation of Search RadarBasedonUML

DENG Dong-xu, WANG Xue-zhi, XU Yue

(AFEU,Air and Missile Defense College, Shaanxi Xi’an 710051, China)

Abstract:In order to build a radar simulation module of an air defense fire unit simulation system, a search radar simulation system based on UML (unified modeling language) is introduced. The object-oriented at analyzing modeling for search radar simulation system is proposed to compose a use-case model, dynamic model and a static model with UML. The scheme of implementation is given in the end. The simulation shows that the design of training simulation system is feasible.

Key words:air defense fire unit; search radar; unified modeling language(UML); object-oriented; modeling；simulation system

*收稿日期：2015-07-09；修回日期：2015-08-17

作者简介：邓东旭(1988-)，男，河北省保定人。硕士生，研究方向为武器系统仿真技术。

通信地址：710051西安市灞桥区长乐东路甲字一号空军工程大学E-mail：785646909@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.031

中图分类号：TN959.1+1；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2016)-03-0201-07