Visualisering av radarstationer och sökmönster

L E N A K A R L S S O N

Examensarbete Stockholm, Sverige 2007

Visualisering av radarstationer och sökmönster

L E N A K A R L S S O N

Examensarbete i datalogi om 20 poäng vid Programmet för medieteknik Kungliga Tekniska Högskolan år 2007 Handledare på CSC var Lars Kjelldahl Examinator var Lars Kjelldahl TRITA-CSC-E 2007:068 ISRN-KTH/CSC/E--07/068--SE ISSN-1653-5715 Kungliga tekniska högskolan Skolan för datavetenskap och kommunikation KTH CSC 100 44 Stockholm URL: www.csc.kth.se

Visualisering av radarstationer och sökmönster

Sammanfattning Denna rapport diskuterar hur den signalmiljö en radarvarnare utsätts för kan visualiseras och hur en visualisering skapats genom en tredimensionell presentation. Den tredimensionella presentationen sker i ett program skrivet i Java med hjälp av Java3D. Programmets huvudfunktion är presentation av radarstationer och dess sökmönster.

Visualization of radar stations and their scan patterns

Abstract This report discusses how the signal environment that a radar warning system is exposed to can be visualized and how a visualization was made through a three dimensional presentation in a program written in Java3D. The main task for the program is to give a presentation of the radar stations and their scan patterns.

Förord

Detta är ett examensarbete i datalogi skrivet vid Institutionen för Numerisk Analys och Datalogi

på Kungliga Tekniska Högskolan. Arbetet är utfört på Saab Avitronics i Järfälla. Handledare på

KTH tillika examinator har varit Lars Kjelldahl, handledare på Saab Avitronics har varit Peter

Danielsson samt David Wennström.

Jag vill tacka Jorma Salminen, Patrik Bornegård, David Wennström, Jan Wennstöm och Peter

Danielsson för att de ställt upp på intervjuer och även hjälpt mig testa och utvärdera programmet.

Ett speciellt tack till Jan Wennström som gav mig uppgiften och möjligheten att göra mitt

examensarbete på Saab Avitronics.

Innehållsförteckning

1 Inledning .................................................................................................................................1 1.1 Saab Avitronics ................................................................................................................1 1.2 Bakgrund ..........................................................................................................................1 1.3 Problem ............................................................................................................................2 1.4 Syfte .................................................................................................................................2

2 Metod.......................................................................................................................................3 2.1 Övergripande metod.........................................................................................................3 2.2 Rapportens utformning.....................................................................................................3

3 Radar, användning och teori.................................................................................................4 3.1 Historik.............................................................................................................................4 3.2 Telekrigsområden.............................................................................................................4 3.3 Radar ................................................................................................................................5

3.3.1 Grundläggande radarkunskap...................................................................................5 3.3.2 Radarekvationen.......................................................................................................5 3.3.3 Antennlober..............................................................................................................7 3.3.4 Radartyper ................................................................................................................9 3.3.5 Radarsignalspaning ..................................................................................................9 3.3.6 Sökmönster...............................................................................................................9

4 Utvärdering av system och visualiseringsmöjligheter ......................................................11 4.1 Befintliga system............................................................................................................11

4.1.1 Annalys...................................................................................................................11 4.1.2 HTESS....................................................................................................................11 4.1.3 HERMAN och HUGO ...........................................................................................11 4.1.4 AMES.....................................................................................................................11 4.1.5 EWSIM...................................................................................................................12

4.2 Intervjuer ........................................................................................................................12 4.2.1 Dagens simulatorer.................................................................................................12 4.2.2 Visualisering av signalmiljö...................................................................................12 4.2.3 Förtydligande av signalmiljön................................................................................13

4.3 Visualisering av information..........................................................................................14 4.4 Slutsatser ........................................................................................................................14

5 Design ....................................................................................................................................15 5.1 Programidé .....................................................................................................................15 5.2 Antennlober....................................................................................................................15

5.2.1 Skapande av en första antennlob............................................................................15 5.2.2 Ideala antennlober ..................................................................................................16

5.3 Sökmönster.....................................................................................................................17 5.3.1 Ett första sökmönster..............................................................................................17 5.3.2 Mer avancerade sökmönster...................................................................................17 5.3.3 Byte av mod ...........................................................................................................18

5.4 Skapande av scenario .....................................................................................................19 5.5 Förtydligande av signalmiljön........................................................................................20

5.5.1 Diagram för uppvisning av signalstyrka ................................................................20 5.5.2 Integration med terrängmodell (EWSIM) ..............................................................21 5.5.3 2Dvy av aktuell 3Dvy ............................................................................................22

6 Implementering ....................................................................................................................24 6.1 Java3D............................................................................................................................24 6.2 Struktur och uppbyggnad ...............................................................................................24

6.2.1 Radarsvepprogrammets struktur ............................................................................24 6.2.2 Integration med HTESS .........................................................................................25

6.3 Implementering av antennlober......................................................................................26 6.3.1 Skapande av en första antennlob............................................................................26 6.3.2 Skapande av ideala antennlober .............................................................................26

6.4 Implementering av sökmönster ......................................................................................28 6.4.1 Skapande av ett enkelt sökmönster ........................................................................28 6.4.2 Skapande av avancerade sökmönster .....................................................................29 6.4.3 Mjukt svepande sökmönster...................................................................................30 6.4.4 Kombinerade sökmönster.......................................................................................30 6.4.5 Modbyte .................................................................................................................31

6.5 Implementering av förtydligande funktioner .................................................................31 6.5.1 Pulsdiagram............................................................................................................31 6.5.2 Integrering med EWSIM........................................................................................33

7 Utvärdering och förändringar ............................................................................................34 7.1 Intervjuer och testning....................................................................................................34

7.1.1 Förståelsen för scenariot.........................................................................................34 7.1.2 Visualisering av antennlober och sökmönster........................................................34 7.1.3 Vidareutveckling ....................................................................................................35 7.1.4 Slutsatser intervjuer och testning ...........................................................................35

7.2 Resultat och utförda ändringar .......................................................................................36 7.2.1 Färgkodning ...........................................................................................................36 7.2.2 Rasterskanning .......................................................................................................38

8 Slutsatser och framtida vidareutvecklingar ......................................................................39 8.1 Slutsatser ........................................................................................................................39 8.2 Framtida vidareutvecklingar ..........................................................................................40

Referenslista..................................................................................................................................41 Bilaga A, Handledning Radarsvepprogrammet........................................................................43

Syfte och användningsområde ...................................................................................................43 Användning ................................................................................................................................43

Uppstart av programmet:........................................................................................................43 Skapande av HTESS-scenario:...............................................................................................43 Användning av scenariofönstret:............................................................................................44 Användning av trädstrukturen:...............................................................................................44 Pulsdiagramsfönstret ..............................................................................................................44 Överblicksfönstret ..................................................................................................................44

Bilaga B, Ordlista .........................................................................................................................45

1 Inledning ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ I detta kapitel beskrivs bakgrunden till examensarbetet och uppgiftens syfte och mål diskuteras. Här ges även en beskrivning av uppdragsgivaren Saab Avitronics. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.1 Saab Avitronics ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Saab Avitronics är ett företag i koncernen Saab. Företaget utvecklar och integrerar ett antal olika produkter inom området telekrig. Exempel på produkter är varnare, störare och fällare.

Vid sektionen för Riggar och Simulatorer, där examensarbetet utförts, utvecklas miljöer för testning, utvärdering och integrering av dessa produkter.

1.2 Bakgrund ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Saab Avitronics utvecklar radarvarnare för skydd av olika plattformar såsom flygplan och helikoptrar. Utvecklingsarbetet på laboratoriet kräver omfattande riggar och simulatorer för integration, utprovning och verifiering. Efter verifiering av systemfunktioner på laboratoriet levereras divisionens varnarsystem till kund för fortsatt integration i större systemriggar på plattformsnivå eller direkt i den slutliga plattformen. Detta examensarbete skall ingå i det utvecklingsarbete som bedrivs vid sektionen för Riggar och Simulatorer. Denna sektion arbetar med framställning av utvecklingsmiljöer för integration och verifiering.

Saab Avitronics riggsystem tillåter registrering av flera gränssnitt i de varnare som integreras. Registrering och visning kan ske av puls-, emitter- och hotinformation. Dessutom kan upptäckta och inmätta hot presenteras på ett sätt som liknar en typisk situation. I figuren nedan används simulatorn för att simulera den signalmiljö som möter en plattform när den befinner sig i ett område med fientligt sinnade hot. Den vanligaste situationen är ett stridsflygplan som flyger genom ett område med radarhot. Simulatorn genererar då pulser som skickas till varnarens olika antennriktningar. Varnarens uppgift är att sortera och identifiera radarstationer och presentera troliga hot för plattformens besättning.

Simulator för skapande av stimuli

Plattforms- simulering

Presentation Varnare

Figur .A Förenklad bild av systemrigg. 1.2

Registrering av olika gränssnitt

1

1.3 Problem ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Mängden signaler som skickas ut i etern inklusive de signaler som radarstationer sänder ut, den så kallade signalmiljön, tenderar att bli allt tätare. Denna utveckling gäller för såväl militära signaler som för civila signaler. Exempel på civila signaler är mobiltelefoner och WLAN1. Det faktum att det är många stationer som påverkar signalmiljön innebär att det blir svårare att förstå hur de olika hoten inverkar på varnarsystemen och hur ofta en plattform faktiskt syns för de olika hoten.

Den signalmiljö som är aktuell för problemet befinner sig mellan 1 och 30 GHz. Detta frekvensband inkluderar alla radarsignaler.

Viktigt i utvecklingsarbetet är att förstå hur radarstationer belyser den plattform som skall skyddas. Detta gäller både för de som arbetar med att programmera simulatorer och för de som arbetar med utveckling av varnarsystem och dess funktioner för pulssortering och identifiering.

1.4 Syfte ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Syftet med detta examensarbete är att komma fram till lämpligt sätt att presentera signalmiljön och visa hur radarstationer skapar antennlober och låter dem svepa i rymden. Detta ska ske genom en undersökning av olika visualiseringsmöjligheter.

I uppgiften ingår att ta fram en presentation. Presentationen skall öka förståelsen för den allt mer komplicerade signalmiljön samt underlätta konstruktion av scenarier i de simulatorer som används för generering av signalmiljöer.

1 Wireless Local Area Network

2

2 Metod ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

I detta kapitel förklaras metoden som använts i studien. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.1 Övergripande metod ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Arbetet inleds med en inläsningsperiod för att skapa en teoretisk referensram. I denna del ingår en studie för att kartlägga Saab Avitronics nuvarande system och simulatorer samt litteraturstudier. Syftet är att sammanfatta erfarenheter gjorda från tidigare verksamhet inom området samt ge nödvändiga bakgrundskunskaperna för fortsatt förståelse i arbetet. Målet med studien är att bestämma hur radarsvep på bästa sätt skall presenteras för att ge användare insikt i signalmiljön.

Efter denna inledande och grundläggande studie följer problemlösningsfasen, en produktiv arbetsfas då en modell av signalmiljön och en presentation av hur radarvarnare uppfattar radarsvep utvecklas. Denna presentation skall även om tid finns integreras med en befintlig terrängmodell.

Efterkommande arbetssteg är utvärdering och test av programmet.

2.2 Rapportens utformning ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Rapporten beskriver arbetsgången från utvärdering av system och olika visualiseringsmöjligheter till färdig problemlösning via utveckling av program och utvärdering av programidéer.

Rapporten inleds med ett teorikapitel för att ge grundkunskaper om området problemet behandlar. Därefter följer ett kapitel om utvärdering av visualiseringsmöjligheter och befintliga system. I efterföljande kapitel beskrivs designen av programidén som skapats. Detta kapitel följs av ett kapitel som förklarar hur designen implementerades.

Dessa kapitel följs av ett kapitel som utvärderar arbetet och tar upp några ändringar som utfördes som resultat av utvärderingen.

Rapporten avslutas med ett kapitel med slutsatser och tankar om hur arbetet skulle kunna vidareutvecklas.

3

3 Radar, användning och teori ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

I detta kapitel introduceras radarn och dess användningsområde telekrig. Begrepp förknippade med området förklaras för att ge den bakgrundsinformation som är nödvändig för förståelse i efterföljande diskussioner. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.1 Historik ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Radarn är ett tekniskt hjälpmedel i telekrig. Telekrig eller elektrisk telekrigföring sträcker sig nästan lika långt tillbaka historiskt som de tekniska hjälpmedlen och har anor redan från tiden före första världskriget. Under första världskriget utvecklades framförallt signalspaning i form av informationsinhämtning och pejling av motståndares radiosändare. Under andra världskriget skedde sedan en explosionsartad utveckling av radartekniken. Denna utveckling tvingade alla parter till en utbyggnad av motmedelsorganisationerna. (Sandqvist & Gerdele 2004)

Krigföring har under århundradenas lopp kommit att allt mer avgöras på vem som kan fatta beslut snabbast och förmedla order på bästa sätt och allt mindre på enbart muskelstyrka. Den som kan skaffa snabb information om motståndaren och omsätta denna information till beslut kommer alltid att befinna sig steget före angriparen. (Sandqvist & Gerdele 2004)

På senare år har hotbilden förändrats vilket medför att telekrigsbegreppet ändrat karaktär. Tidigare byggdes sensorer för slagfält där det var viktigt att se långt. Nu är trenden att slagfältet lämnar det öppna landskapet och går in i bebyggelsen. Detta innebär att man behöver vidvinkliga sensorer. Idag diskuterar även civila flygbolag möjligheten att utrusta plan med varnare och motmedel mot värmesökande robotar, något som visar att tillämpningen av telekrig har breddats. (Berglund 2006)

Telekrig kan dels ses som ett hot och dels som en möjlighet för skydd. Som en möjlighet för skydd utgör telekrigstekniken en viktig del i den breddade hotbilden där såväl försvarsmakten som det civila samhället kan behöva möta exempelvis terrorism.

3.2 Telekrigsområden ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Telekrigsbegreppet kan delas in i tre olika områden, elektronisk attack, elektroniskt skydd och elektronisk support. Elektronisk attack innebär störsändning eller falsksignalering. Elektroniskt skydd består av motåtgärder för elektronisk attack från motståndare och innefattar signaldisciplin, frekvenshoppande radioutrustning, taktikanpassning m.m. Elektronisk support består av passiv signalspaning av olika slag. Med elektronisk support menas normalt taktisk signalspaning för direkt användning på slagfältet såsom artilleriledning, störsändning, omgruppering av hotade enheter m.m. (Olsson 2006)

4

3.3 Radar ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Radar är en förkortning för ”RAdio Detection And Ranging” och kan översättas som radiodetektering och avståndsinmätning. En radar sänder ut elektromagnetisk energi i rymden. Reflektion från föremål ger signaler tillbaka. I dessa signaler finns information som gör det möjligt att hastighets- och lägesbestämma föremål. (Josefson & Berggren 2004)

3.3.1 Grundläggande radarkunskap I sin enklaste form består en radar av fem element; en transmitter, en mottagare, två antenner och en display. Detta är illustrerat i figur 3.3.1.A. För att upptäcka ett objekt genererar transmittern radarsignaler, elektromagnetisk energi, som sänds ut via en av antennerna (Stimson 1998). Mottagaren lyssnar efter ekon från dessa signaler. Ekon plockas upp av den andra antennen. De mottagna signalerna översätts och kan presenteras på en display. Om ett objekt upptäcks framträder ett ljus på displayen som indikerar objektets position.

Transmitter

Mottagare Display

Antenner

Figur 3.3.1.A En radar i dess enklaste form.

Radarsignaler kan sändas ut på olika sätt, kontinuerligt eller pulsat. En radars egenskaper bestäms vanligtvis av dess användningsområde.

3.3.2 Radarekvationen Radarekvationen representerar hur radarstationer sänder ut och tar emot radarsignaler. Ekvationen används bland annat för att beräkna radarstationers effekttäthet. För att härleda radarekvationen används en ekvation för signalers utbredning.

Antas att en station sänder ut signaler isotropt kommer dess strålning att fördelas på en sfär enligt formeln:

22

4)/(

RPmWS t

isotropt ⋅=

π

tP = Utsänd effekt

R = Sfärens radie

5

Om stationen inte sänder ut signaler isotropt utan använder sig av en antenn som riktar strålen behövs ett förstärkningsvärde för att beräkna signalstyrkan i olika riktningar. Detta förstärkningsvärde är kallat antennens gain. I fallet med riktad sändning kommer dess strålning att fördelas enligt ekvationen:

22

4)/(

RGPmWS t

riktat ⋅⋅

=π

G = Antennens gain

Antennens gain varierar i olika riktningar och gör att antennen skapar en lob med olika räckvidd i de olika riktningarna.

G

För att beräkna hur stark en signal är då den kommer tillbaka till sändaren antas att signalerna sprids isotropt, efter att reflekterats på en yta med ett tvärsnitt σ . Därmed kan ekvationen för den reflekterade signalens effekttäthet skrivas. Detta är den så kallade radarekvationen.

( ) 4222

)4(4)/(

RGP

RSmWSionenRadarekvat triktat

⋅⋅⋅

=⋅⋅

==π

σπ

σ

σ = Arean på det tvärsnitt som reflekterar strålarna

För en radarvarnare är det inte de reflekterade signalerna som ska mätas utan de utsända oreflekterade (radarvarnaren sänder ju inte själv ut de signaler som den mäter). För beräkning av de i radarvarnaren uppmätta signalernas effekttäthet kan ekvationen därför skrivas som:

22

4)/(

RGP

mWS trecieved ⋅

⋅=

π

För att erhålla signalstyrka ur denna formel antas att ytan som effekttätheten mäts på är 1 m2. På så sätt erhålls en effekt, en styrka hos den i radarvarnaren uppmätta signalen.

δπ

⋅⋅⋅

= 24)(

RGP

WP trecieved

δ = Arean på ytan där effekttätheten uppmäts.

Denna formel kommer i fortsättningen kallas ekvationen för uträkning av signalstyrka i radarvarnaren.

I denna formel är avståndet R endast upphöjt i kvadrat, till skillnad från i radarekvationen . Detta eftersom de signaler en radarvarnare mäter endast färdas en väg jämfört med

för radarstationen två. Det medför att det finns tillfällen då en radarvarnare kan upptäcka hot (i form av radarsignaler) innan hotet kan se själva enheten radarvarnaren befinner sig på. Andra faktorer som spelar in är om bredbandig eller smalbandig sändning används samt antennernas storlek.

)/( 2mWS

6

3.3.3 Antennlober För att en radar skall kunna skilja olika mål samt kunna upptäcka mål på stora avstånd koncentreras radarns utstrålade energi till en smal stråle, en så kallad antennlob. På grund av diffraktionsfenomen är det är inte möjligt att skapa en antenn som koncentrerar all effekt i en riktning. Den riktning dit största delen av effekten koncentreras kallas huvudlob. Effekt sprids även i andra riktningar, i så kallade sekundära lober. Antennloberna är illustrerade i figur 3.3.3.A.

Sekundära lober

Huvudlob

Antennens position

Figur 3.3.3.A Exempel på hur en antenn sprider energi i olika lober.

Formen på de antennlober en antenn genererar beror på den förstärkning, kallad gain, som antennen har i olika riktningar. Är antennens gain i en riktning litet innebär det att signalerna i denna riktning inte får en lång räckvidd, är däremot antennens gain stort kommer signalerna i denna riktning att få en lång räckvidd.

För att modellera ideala antennlober används antenndiagram. Dessa antenndiagram återfinns i en specifikation för Herman HTESS (Wennström 2007). Specifikationen innehåller antenndiagram för fyra typer av antenner XSinX , , samt . Av dessa antenndiagram beskrivs

CosX )2( XCos )2( xCscXSinX , CosX och nedan eftersom det är dessa antenndiagram som valts för

utveckling av antennlober i det fortsatta arbetet. Anledningen till att dessa antenndiagram valts är att de anses modellera ideala antennlober på bra sätt.

)2( XCos

Vid en modellering av ideala antennlober tas ingen hänsyn till luftens dämpning eller föremål som hindrar signalernas framfart.

Enligt specifikationen fås antennlobens gain för XSinX , av

2)sin()( ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

XXXG

där dB

X3

7784.2θ

θ⋅= .

För fås antennlobens gain enligt samma källa av CosX

( ) ( ) 2

22sin

22sin

4)( ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

+−−

⋅=X

XX

XXGππ

πππ

7

där dB

X3

7292.3θ

θ⋅=

och för fås antennlobens gain enligt samma källa av )2( XCos

( ) ( ) 2sin21sin

21)sin()( ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

++

⋅+−−

⋅+=X

XX

XX

XXGππ

ππ

där dB

X3

5160.4θ

θ= .

I samtliga formler gäller att θ är den löpande vinkeln och dB3θ är lobvidden vid -3dB.

För kurvorna som skapas av XSinX och uppstår ett specialfall då eftersom division med ingår i formlerna och detta inte är en möjlig operation. Men med hjälp av L’Hospital’s regel kan kurvornas förstärkning i dessa fall fastställas.

)2( XCos 0=XX

Enligt L’Hospital’s regel gäller

)(')('lim

)()(lim

xgxf

xgxf

axax →→ =

Under förutsättningarna att

0)()( == xgxf då ax →

a existerar

0)( ≠xg

)(xf och är )(xg kontinuerligt deriverbara.

Dessa förutsättningar stämmer alla vad gäller XSinX . Därmed kan gränsvärdet för XSinX då x →0 härledas enligt följande:

111

1)(lim

)(')('lim)(lim

)()(lim 0000 ===== →→→→

xCosxgxf

xXSin

xgxf

xxxx

Detta gränsvärde användes i specialfallen för att beräkna kurvornas gain då . 0=x

När det gain som fås i ovan beskrivna ekvationer används i ekvationen för signalers utbredning (kapitel 3.3.2) erhålls en amplitud för signalen. Denna amplitud beskriver signalstyrkan. När detta görs skalas antennloben till den storlek den får vid en viss utsänd effekt.

8

3.3.4 Radartyper Radarns egenskaper beror på dess användningsområde. Det finns två typer av radar, pulsradar och ”continuous wave”-radar även kallad CW-radar. Pulsradarn är den vanligaste radartypen och mäter vinkel och avstånd till målet. CW-radarn mäter vinkel och hastighet på målet men kan inte bestämma avståndet. (Sandqvist & Gerdele 2004)

Radar kan även delas in i två grupper beroende på användningsområdet, spaningsradar och följningsradar (Olsson 2006). Spaningsradarn söker av området för att hitta eventuella hot medan följningsradarn låser och följer ett hot när det väl upptäckts med spaningsradarn.

3.3.5 Radarsignalspaning Signalspaning syftar bland annat till att följa motståndarens rörelser. Grunden är att olika signaler är kopplade till sina sändande plattformar. En uppfattad signal ger genom informationen i signalen upplysning om vilken typ av radar som sänt ut signalen (till exempel flygplan eller fartyg). Man kan även genom information i signalen lägesbestämma signalens sändare. I sin enklaste form består en signalspaningsutrustning av en radarvarnare som mäter in de strålande delarna av motståndarens vapensystem. Varnaren kan därmed lämna underlag för att bedöma hotets prestanda samt kunna anpassa egna vapen, motmedel eller taktik för att vinna duellen. (Sandqvist & Gerdele 2004)

För att kontinuerligt veta vilka hot som är viktigast att påverka genomförs signalanalys och hotutvärdering. (Sandqvist & Gerdele 2004) I ett så kallat signalbibliotek finns data lagrat för olika typer av radarstationer, detta bibliotek används för analysen och utvärderingen.

För att skapa ordning bland de signaler som inkommer till signalspaningsutrustningarna sorteras signaler efter särskiljande parametrar. Normalt används de primära pulsparametrarna för denna sortering. De primära pulsparametrarna är ankomsttid, pulslängd, bärfrekvens, amplitud och infallsriktning. Det krävs endast en puls för att bestämma dessa parametrar. Det finns ytterligare parametrar såsom pulsrepetitionsfrekvens, mod, vinkelföljningsmetod och antenndiagram som också används för sortering, men dessa kräver två eller fler pulser för att bestämmas.

Data om signalerna som uppmäts ger värdefull information om radarstationerna. Exempel på slutsatser som kan dras från pulsparametrarna är radartyp, radarmod, position, störskyddsegenskaper och avståndsupplösning. (Sandqvist & Gerdele 2004)

3.3.6 Sökmönster För att upptäcka ett mål sveps en radars antennlob systematiskt genom regionen i vilken mål är beräknade att förekomma. Mönstret som strålen följer kallas sökmönster och regionen som sökmönstret täcker kallas skannvolym. (Stimson 1998) När antennloben rör sig i sökmönstret kallas det att antennloben sveper i ett så kallat radarsvep.

Det vanligaste sökmönstret är en cirkulär skanning, i detta sökmönster roteras antennen i fulla cirklar. Ett annat vanligt mönster är sektorskanning, i detta sökmönster koncentrerar antennen

9

energin i en sektor. Dessa två sökmönster är vanliga mönster för spaningsradar och illustreras i figur 3.3.6. A och B nedan.

Figur 3.3.6.A Cirkulärt sökmönster. Figur 3.3.6. B Sektorskanning.

Sökmönster typiska för följeradar är spiralskanning och konisk skanning. Med dessa mönster koncentreras strålen runt målet genom en rotation kring detta. (Olsson 2006) Dessa sökmönster illustreras i figur 3.3.6.C och D.

Figur .C Spiralskanning . Figur. .D Koniskt sökmönster. 3.3.6 3.3.6

10

4 Utvärdering av system och visualiseringsmöjligheter ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

I detta kapitel sammanfattas den utredande delen av detta examensarbete. Befintliga system och simulatorer på Saab Avitronics diskuteras och slutsatser från intervjuer som genomförts summeras. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.1 Befintliga system ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

På Saab Avitronics utvecklas radarvarnare för skydd av olika plattformar såsom flygplan och helikoptrar. Det utvecklas även utrustning för testning och utvärdering av dessa produkter. I utvecklingsarbetet på laboratoriet behövs riggar och simulatorer för integration, utprovning och verifiering. Här följer en kort genomgång av några av de viktigaste sådana systemen.

4.1.1 Annalys Annalys är ett verktyg som analyserar indata och utdata, med syftet att förbättra de system som tillverkas på Saab Avitronics. Annalys underlättar för användarna eftersom det visar relationen mellan indata och utdata samtidigt som det visar relationen mellan de olika pulserna i indata. (Pushparaj 2006)

4.1.2 HTESS HTESS står för Herman Tactical Environment Simulator System och är en kombination av en scenarioeditor och simulator, för skapande och simulering av scenarion. Dessa scenarion är främst avsedda att kommunicera med HERMAN (kapitel 4.1.3). HTESS är alltså ett program som styr signalgenererande systemen såsom Herman men även Hugo (kapitel 4.1.3) och AMES (kapitel 4.1.4). (Eriksson 2003)

4.1.3 HERMAN och HUGO Herman är en signalgenerator som ger information i realtid till scenarion skapade i HTESS. HERMAN styrs alltså av HTESS. HERMAN i sin tur styr HUGO som genererar signaler och kopplas in till varnaren istället för antenner.

4.1.4 AMES AMES är en simulator för hot i telekrigsmiljöer. Användaren kan skapa scenarion som sedan visas på simulatorn som är kopplad till systemet.

11

4.1.5 EWSIM EWSIM står för Electronic Warfare SIMulator och är en terrängmodell som visualiserar ett navigerbart flygplan. I EWSIM navigeras planet med tangentbordets piltangenter och användaren kan utforska terrängen i de områden som valts att laddas in i programmet.

4.2 Intervjuer ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

För att undersöka hur användare av befintliga simulatorer uppfattar användbarheten i de program de använder och få en uppfattning av hur de skulle vilja att en presentation av signalmiljön såg ut genomfördes ett antal intervjuer. Syftet med intervjuerna var att få en första uppfattning av användarnas syn, därför valdes en så kallad semistrukturerad intervjuform, en kombination av en strukturerad och ostrukturerad intervjuform. Semistrukturerade intervjuer använder sig av både öppna och mer styrda frågor. (Preece, Rogers & Sharp 2002)

Dokumentation vid intervjuerna skedde genom anteckningar med penna och papper.

4.2.1 Dagens simulatorer Den allmänna uppfattningen om de riggar och simulatorer som används på Saab Avitronics idag är att de är användbara och underlättar för förståelsen vid simuleringar men att de vid komplexa scenarion blir svårförstådda. Det blir helt enkelt för oordnat och för mycket att hålla reda på när scenariot har många komponenter.

Den grafiska presentationen underlättar men ett mer genomtänkt program som visualiserar signalmiljön och som kan visa fler stationer samtidigt skulle vara välkommet. Anledningen är dels att det kan vara svårt att föreställa sig utkomsten av de parametrar som matas in i systemet och att resurserna inte räcker till för att skapa alla emittrar vid komplexa scenarion.

4.2.2 Visualisering av signalmiljö Ett bland användarna kontinuerligt återkommande förslag på hur signalmiljön kan visualiseras är ett program som visar antennlober som roterar. En antennlob är den volym som representerar räckvidden på de signaler en antenn sänder ut. Denna volym går inte att se med blotta ögat i verkligheten, men det går att beräkna räckvidden för antennens signaler i alla riktningar och på så sätt kan denna volym skapas. Fram tills idag har antennlober visualiserats i två dimensioner genom grafer. Att se denna volym i tre dimensioner skulle alltså tillföra något helt nytt vid visualiseringen av signalmiljön.

Om programmet väljs att visualisera signalmiljön på just nämnda sätt skulle enligt intervjupersonerna ett förtydligande av miljön kunna ske genom ett fönster som visar en övermålning på hur ofta och hur länge ett flygplan som flyger genom miljön utsätts för pulser samt dessa pulsers styrka.

En annan önskad och intressant funktion som tagits upp vid intervjuerna är utveckling av mer dynamiska scenarion såsom scenarion där följeradars är placerade på rörliga plattformar.

12

Andra aspekter intervjupersonerna tog upp angående visualiseringen av signalmiljön är att hela förloppet från spaningsradar till följeradar skall kunna visas samt att det är viktigt att flera olika varianter av lober och sökmönster är visualiseringsbara i programmet.

Den allmänna uppfattningen är att 3D lämpar sig bättre än 2D för visualiseringen. Även om båda alternativen har sina fördelar anser intervjupersonerna att 3D ger mer information och fler möjligheter. Om det används på ett bra sätt ger det även en bättre överblick. I vissa situationer blir det lättare att förstå vad som sker, det kan t.ex. gälla att se om ett mål träffas eller inte. 3D förenklar även vid visualisering av radarns täckningsområde. En nackdel intervjupersonerna ser hos en 3D-presentation är att det finns en risk för att användaren kan tappa fokus om för mycket information visualiseras på en och samma gång.

4.2.3 Förtydligande av signalmiljön Ett antal extrafunktioner som kan ingå i det program som skapas för att förtydliga signalmiljön har under intervjuerna diskuterats och listas nedan.

· 2D-vy över aktuell 3D-vy ur vald synvinkel.

· Skannvolym som visar sektor och volym som svepet täcker.

· Specifik information om utvald radarstation.

Gain 40 dB Power 30 dB Sökmönster circular Antenn SinX/X Position (longitud, latitud)

Figur 4.2.3.A Exempel på informationsfönster för specifik radarstation.

· Diagram som visar signalstyrkan hos radarstationernas pulser såsom de uppmäts i radarvarnaren.

Amplitud

Tid

Figur 4.2.3.B Signalstyrkediagram

13

4.3 Visualisering av information ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Världen som blir visualiserad av våra vanligaste informationsdisplayer, skärmen och papperet, begränsas till två dimensioner. Att gå från den verkliga världen till ”den platta världen” är visualiseringsprincipernas viktigaste uppgift. I princip all sådan förvandling kräver omfattande kompromisser, inga konventionella designlösningar löser de generella inbyggda problemen med dimensionell kompression. (Tufte 1990)

En enkel komprimering av den tredimensionella världen till två dimensioner kan göras genom en kartprojicering. Men självklart förloras en dimension och mycket av det data som vi vill presentera. För att visualisera information på bästa sätt behöver man därför ha i åtanke vad som är av betydelse i just det aktuella fallet och framhäva de parametrar som har störst värde för användarens förståelse.

En princip som lämpar sig bra för presentation av radarsvep är som framkommit i ovan beskrivna intervjuer en grafisk tredimensionell presentation av radarnas lober som rör sig i sina förutbestämda sökmönster. För att på ett bra sätt visualisera radarsvepet kommer den information som bäst beskriver signalmiljön framhävas i presentationen.

4.4 Slutsatser ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Genom undersökning av befintliga system på Saab Avitronics, intervjuer av användare av simulatorer samt studier av visualiseringsprinciper kan fastställas att ett program som presenterar radarns antennlober i en tredimensionell miljö är den visualiseringsprincip som lämpar sig bäst för åskådliggörande av signalmiljön. Detta eftersom tredimensionella program är något som ger många informationsmöjligheter samtidigt som en tredimensionell presentation av antennlober och dess sökmönster är något nytt och tillförande för visualiseringen av signalmiljön. Det väsentliga för programmet är att det som är viktigt för förståelsen av signalmiljön visas i programmet.

Genom överläggning med handledare på Saab Avitronics har beslutats att detta på bästa sätt sker genom ett program skapat i Java med hjälp av Java3D.

14

5 Design ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

I detta kapitel återges hur designen av programmet som kom att lösa uppgiften skapades och ser ut. Detta program kommer i fortsättningen att kallas radarsvepprogrammet. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5.1 Programidé ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Idén med radarsvepprogrammet är att det ska visualisera ett scenario med radarstationer. Det viktiga är att programmet ger en förståelse för hur antennloben ser ut. Detta kommer att ske genom att det tredimensionellt visar en antennlobs volym. Programmet ska även visa hur antennloben rör sig i sökmönster. Det vill säga hur antennloben sveper i sökmönster.

Scenariot som ska visas i programmet ska skapas i ett av de scenarioskapande programmen som redan finns på Saab Avitronics, detta för att öka användbarheten och underlätta för framtida integration med befintliga system.

För att möjliggöra integration med befintliga system skall programmet även ha samma struktur som dessa. Detta innebär att ett scenario innehåller en eller flera plattformar som har ett eller flera så kallade vapensystem, som i sin tur har emittrar med moder. Dessa moder innehåller information om antennlobsform och sökmönster. Mer om strukturen finns att läsa i kapitel 6.2.

5.2 Antennlober ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Arbetsprocessen inleddes med studie av EWSIM, se kapitel 4.1.5. Under studien av denna terrängmodell uppstod idén om att radarsvepprogrammet skulle bli ett program som integrerades med och visade scenarion i detta program.

5.2.1 Skapande av en första antennlob Det första steget i arbetsprocessen var att skapa en antennlob. En av radarsvepprogrammets viktigaste funktioner är just att visualisera antennlober varför just detta moment är grundläggande. Detta är även ett viktigt steg eftersom det är just en tredimensionell presentation av antennlober som saknats vid tidigare visualisering av scenarion. Det har varit ett problem att det är svårt att utifrån skrivna parametrar föreställa sig antennlober. Tanken med den tredimensionella presentationen av antennloberna är därför att de ska underlätta för förståelsen av hur antennloberna ser ut och hur stora områden de täcker.

Vid skapandet av den första antennloben togs ingen hänsyn till de fysikaliska reglerna om hur energin från radarstationerna sprider sig. Syftet var endast att få en representation av antennloben att utgå ifrån vid efterföljande arbete. Figur 5.2.1.A visar hur denna lob visualiserades i radarsvepprogrammet.

15

Figur .A Antennlob skapad av kon och sfär. 5.2.1

5.2.2 Ideala antennlober För att gå vidare från den första antennloben valdes att skapa lober från antenndiagram som modellerar en ideal antennlob. Formen på de antennlober en antenn genererar beror som beskrivet i kapitel 3.3.3 på antennens gain men även på föremål som hindrar signalernas räckvidd och luftens dämpning. Luftens dämpning och föremål i vägen för signalerna tas inte hänsyn till i dessa beräkningar. Detta valdes gjordes för att begränsa arbetets omfattning.

För att skapa antennlober som modellerar ideala antennlober användes antenndiagram från en specifikation för Herman HTESS (Wennström 2007). Denna specifikation valdes eftersom antenndiagrammen i denna specifikation anses modellera verkligheten på ett bra sätt. Antenndiagrammen beskriver antennens gain. Tre lobformer skapades från dessa antenndiagram. De antenndiagram som användes var XXSin )( , , samt . Det finns ytterligare ett antenndiagram beskrivet i specifikationen, . Detta antenndiagram valdes att inte användas. I teorikapitlet

)(XCos )2( XCos)(2 xCsc

3.3.3 finns att läsa om hur antennlober modelleras genom användning av antenndiagram.

Hur implementeringen av antennlober som modellerar ideala antennlober gick till finns att läsa i kapitel 6.3.2. Ett exempel på hur en antennlob som modellerar en ideal antennlob ser ut visas i figur 5.2.2.A.

Figur 5.2.2.A Radarsvepprogrammet med tredimensionell antennlob skapad med XSinX .

16

5.3 Sökmönster ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Den andra för radarsvepprogrammet viktiga funktionen är att visa sökmönster. Ett sökmönster är en beskrivning av det mönster en radarstation låter antennen svepa (kapitel 3.3.6). I verkligheten har radarstationen olika moder, dessa moder har var sitt sökmönster. På samma sätt ska radarstationer i radarsvepprogrammet ha moder med olika sökmönster.

5.3.1 Ett första sökmönster Ett första enkelt sökmönster skapades som en så kallad Circular Scan (kapitel 3.3.6). Detta sökmönster beskrivs i figur 5.3.1.A och B och är ett av de vanligaste sökmönstren för spaningsradar.

15

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0 0

30

45

60

75

90

Figur 5.3.1.A Circular Scan Figur 5.3.1.B Circular ScanAzimut- och elevationsvinkel visas i x- respektive y-led.

När detta sökmönster lagts till i radarsvepprogrammet sveper radarstationen med antennloben i en roterande rörelse kring y-axeln. I det här läget användes den enkla loben beskriven i kapitel 5.2.1. Denna lob användes först för testning av olika enkla rotationer och senare för test av rotationer som utvecklats till sökmönster.

5.3.2 Mer avancerade sökmönster Som nästa steg i programutvecklingen kom uppgiften att skapa mer avancerade sökmönster, även dessa ska bygga på de sökmönster som används i verkliga scenarion. I det här läget användes de verklighetsbaserade antennloberna (kapitel 5.2.2) för uppvisning av sökmönstren.

Genom att utveckla det första sökmönstret beskrivet i kapitel 5.3.1, kunde mer avancerade sökmönster skapas. Ett sådant var det så kallade Circular Bidirectional Helical Scan. För att skapa detta kombinerades rotationen kring y-axeln med en rotation kring x-axeln. Dessa två rotationer motsvarar en rotation i azimut- respektive elevationsled. Detta sökmönster kan alltså liknas vid en så kallad Circular Bidirectional Helical Scan, se figur 5.3.2.A och B nedan. Används detta sökmönster rör sig loben runt i azimutled samt i en rörelse upp och ned i elevationsled. Detta sökmönster används normalt av spaningsradar.

17

15

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0 0

30

45

60

75

90

Figur 5.3.2.A Circular Bidirectional Helical Scan Figur 5.3.2.B Circular Bidirectional Helical ScanAzimut- och elevationsvinkel visas i x- respektive y-led.

Andra sökmönster såsom spiralskanning och konisk skanning, se figur 3.3.6.C och D skapades även de genom rotationer, men dessa rotationer skedde kring den axel som representerar den riktning i vilken radarn pekar. Denna riktning är även kallad antennlobens boresight.

Ett annat sökmönster som skapades i det här läget var en så kallad Palmer Scan som kombinerar en rotation kring antennlobens boresight med ett annat sökmönster. Ett exempel på en sådan kombination är en Palmer Circular Scan. Detta sökmönster illustreras i figur 5.3.2.C och D.

90

15

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0 0

30

45

60

75

Figur 5.3.2.C Palmer Circular Scan (Wennström 2007 sida 17). Figur 5.3.2.D Palmer Circular Scan

Ytterligare ett sökmönster kom att skapas som resultat av den slutgiltiga utvärderingen. Detta sökmönster kallas rasterskanning och är beskrivet i kapitel 7.2.2.

5.3.3 Byte av mod Vid intervjuerna i den undersökande fasen togs det upp att en viktig aspekt är att hela förloppet från spaningsradar till följeradar skall kunna visas. Därför är en viktig funktion för radarsvepprogrammet möjligheten att byta mod på radarstationen under programmets gång. Att byta mod innebär att radarstationen byter sökmönster och antennlob. Genom möjligheten att byta mod kan hela det önskvärda förloppet visas. Detta är viktigt också på grund av att modbyte är

18

något som ofta händer i verkligheten. En radarstation använder olika moder för olika tillfällen. En mod kan till exempel användas för att upptäcka hot medan en annan mod används för att följa ett redan upptäckt hot.

För att göra det möjligt att på intuitivt sätt byta mod skapades en trädstruktur, där scenariot representerades. I denna trädstruktur listas moderna och genom att klicka på den mod som önskas användas aktiveras denna. Figur 5.3.3.A visar hur en sådan trädstruktur kan se ut i radarsvepprogrammet.

Figur 5.3.3.A Träd som visar scenariots uppbyggnad i radarsvepprogrammet.

5.4 Skapande av scenario ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

För att skapa ett scenario används en befintlig scenarioskapare, HTESS (kapitel 4.1.2). I HTESS anges hur många radarstationer som ska finnas med i scenariot, hur många moder stationerna skall ha samt utseendet på dessa. Även stationernas positioner fastställs. Alla parametrar som behövs sparas av HTESS i scenariofiler som sedan används av radarsvepprogrammet för uppbyggnad av scenariot.

Det positiva med detta sätt att skapa scenarion är att uppbyggnaden av scenariot sker på samma sätt som för många andra scenarion på Saab Avitronics. Det gör programmet mer användbart till exempel genom att det underlättar för de användare som är vana med HTESS.

19

5.5 Förtydligande av signalmiljön ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5.5.1 Diagram för uppvisning av signalstyrka En av de viktigaste funktionerna för att förtydliga hur signalerna uppfattas av en radarvarnare är möjligheten att visa ett diagram som visar radarsignalernas styrka såsom den uppmäts i radarvarnaren. Detta konstaterades i den undersökande fasen av detta arbete (kapitel 4.2).

Diagrammet ska visa de signaler som radarvarnaren fångar upp från radarstationerna. Radarvarnaren kan sägas lyssna efter signaler och det som skall beräknas är signalstyrkan hos pulserna i den punkt där radarvarnaren befinner sig. Ett sådant pulsdiagram skapades, mer om hur det gick till finns att läsa om i kapitel 6.5.1. Ett exempel på hur pulsdiagrammet kan se ut visas i figur 5.5.1.A.

Figur 5.5.1.A. Pulsdiagram för kurva skapad av Sin(X)-antennlob.

I detta skede delades radarsvepprogrammets fönster in i tre delar, ett stort samt två mindre fönster. Det större fönstret används för att visa antennloben och dess sökmönster, ett av de två mindre fönstren används för uppvisning av trädstrukturen som beskrevs i kapitel 5.3.3 och det sista fönstret används av grafen som visar pulsernas amplitud över tiden. I fönstret för antennloben ses även mätpunkten som motsvarar radarvarnarens läge och vars position används för beräkningarna. Ett exempel på hur radarsvepprogrammet i detta skede ser ut visas i figur 5.5.1.B.

20

Figur 5.5.1.B Radarsvepprogrammet med fönster för uppvisning av antennlob, trädgraf och pulsdiagram.

5.5.2 Integration med terrängmodell (EWSIM) För att förtydliga signalmiljön i ett uppbyggt scenario integreras radarsvepprogrammet med en befintlig terrängmodell. Denna terrängmodell kallas EWSIM och är beskriven i kapitel 4.1.5. Programmet visar upp av en karta över Sverige samt ett navigerbart flygplan. Programmet ger en bild av landskapet sett ur pilotens synvinkel. Genom att placera ut de radarstationer som skapas i radarsvepprogrammet kan en bra bild av det scenario som framställts ges. Det är till exempel möjligt att flyga fram till en radarstation, se hur loben är formad och hur den rör sig, samtidigt som de hos radarvarnaren mottagna signalernas styrka visas i pulsdiagrammet.

En positiv aspekt med integrationen med EWSIM är att användaren får en mer fullständig bild av scenariot. Det blir enklare att relatera till verkligheten. Detta beror till stor del på att radarstationerna med dess antennlober nu befinner sig i en realistisk miljö.

En funktion som bidrar till att programmet blir mer verklighetstroget är att det är nu möjligt att i HTESS ange exakt position, denna position används sedan vid utplaceringen av radarstationer på kartan i EWSIM. Även möjligheten att under programmets körning ändra mod är en funktion som bidrar till att en mer komplett bild skapas. Modbyte är något som ofta förekommer i verkligheten och är viktig att ha med som en möjlighet i programmet.

Efter integrationen blir det även möjligt att i realtid utforska scenariot genom att flyga runt i landskapet. Något som gör att användaren kan undersöka scenariot på ett nytt sätt.

Ett exempel på hur ett scenario kan se ut visas i figur 5.5.2.A.

21

Figur 5.5.2.A Exempel på presentation av scenario i EWSIM integrerat med radarsvepprogrammet.

5.5.3 2Dvy av aktuell 3Dvy En funktion som togs upp i analysdelen, kapitel 4.2.3 och som ansågs kunna förtydliga signalmiljön var möjligheten att visa en tvådimensionell vy av den aktuella tredimensionella vyn. Genom testning av olika vyer drogs slutsatsen att en vy sedd ovanifrån, en slags överblicksvy var det som gav mest information om scenariot och bidrog mest till förståelsen för signalmiljön. I figur 5.5.3.A visas ett exempel på hur en sådan överblicksvy kan se ut.

I vyn är det möjligt att zooma in och ut samt förflytta sig i x- och y-led, dvs. upp, ned, höger, och vänster. Detta gör det möjligt för användaren att välja ett mindre område eller en specifik antennlob att undersöka och utforska.

Vid testning framgick det att genom att visa scenariot sett ovanifrån samtidigt som scenariot visas sett ur pilotens synvinkel, såsom sker i EWSIM, ökas förståelsen för scenariot. Detta sker dels genom att det ger en överblick, men även för att överblicken förtydligar antennlobernas rörelser och ger en bild av antennlobernas form. Överblicken gör det även enklare för användaren att förstå avstånd och föremåls storlek. Den kompletterar vyn som ses ur pilotens synvinkel.

Att visa en tredimensionell miljö är komplicerat och det visade sig att användningen av två kompletterande vyer ökade förståelsen för miljön.

22

Figur 5.5.3.A Exempel på överblicksvy över aktuell 3D vy.

23

6 Implementering ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Detta kapitel beskriver i stora drag hur designen beskriven i kapitel 5 implementerats. Det ges även en introduktion till Java3D. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6.1 Java3D ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Programmet valdes att implementeras i Java med hjälp av Java3D. Detta eftersom det fastställts i den utredande fasen av detta examensarbete (kapitel 4) att ett program som presenterar antennlober i en tredimensionell miljö är den visualiseringsprincip som lämpar sig bäst för åskådliggörande av signalmiljön och Java3D är ett API väl lämpad för denna slags implementationer.

Java3D är ett API som används för att skapa självständiga 3D-applikationer och 3D-applets. Java3D använder sig av en scengrafstruktur vilket betyder att en 3D-bild är sammansatt av en tredimensionell rymd med en mängd olika objekt som förhåller sig till varandra genom en trädliknande struktur. Scenen består av delar som representeras individuellt samtidigt som de tillsammans utgör allt mätbart i programmet, detta kallas programmets virtuella universum. (Brown & Petersen 1999)

6.2 Struktur och uppbyggnad ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6.2.1 Radarsvepprogrammets struktur Ett viktigt steg i programutvecklingen var att fastställa programmets struktur och hierarki. För att göra det möjligt att i framtiden integrera radarsvepprogrammet med befintliga system samt förenkla för eventuella vidareutvecklingar av radarsvepprogrammet valdes en struktur och hierarki som redan används på Saab Avitronics. Uppbyggnaden av programmets struktur förklaras enklast genom en bild, se figur 6.2.1.A.

Som tydliggörs i figuren har programmet ett scenario som i sin tur har en eller flera plattformar. En plattform kan ha ett eller flera vapensystem och ett vapensystem kan ha en eller flera emittrar. Varje emitter kan sedan ha flera olika moder, varav endast en kan användas åt gången. Varje mod har ett sökmönster (kapitel 3.3.6) samt en antenn. Beroende av vilken antenn som moden använder sig av skapas olika lober. Mer om hur loberna är uppbyggda i finns att läsa i kapitel 6.3.2.

24

scenario

vapensystem

emitter

mod

sökmönster

antenn * * *

Figur 6.2.1.A Uppbyggnaden av radarsvepprogrammets struktur.

För att bygga upp denna struktur i radarsvepprogrammet används en inläsningsklass som skapats för att läsa in de parametrar som beskriver scenariot. Eftersom strukturen är generell och allmän bland de befintliga systemen förenklas integration med andra program och system.

6.2.2 Integration med HTESS Integration med befintliga system var en önskan redan i specifikationen av detta examensarbete. Programmet HTESS är som beskrivits i kapitel 4.1.2 en kombination av en scenarioeditor och simulator för skapande och simulering av scenarion. HTESS används vid många av de scenarion som byggs upp på Saab Avitronics. Detta var därför ett lämpligt system för integration med radarsvepprogrammet. I HTESS skapas scenarion och sparas i så kallade scenariofiler. Varje vapensystem, emitter, mod, o.s.v. får var sin fil med referenser och parametrar gällande respektive beståndsdel.

HTESS läser in scenariofilerna till en intern struktur, därefter konstrueras radarsvepprogrammets struktur efter denna. Radarsvepprogrammets struktur skapas alltså med plattformar, vapensystem, emittrar o.s.v. som anges i HTESS.

Antalet parametrar som kan sättas vid skapandet av scenarion i HTESS är många, antenntyp, lobbredd, polarisation, styrka, räckvidd, frekvens sökmönster och skannperiod är några av dessa. De flesta av dessa parametrar är viktiga för radarsvepprogrammet, särskilt antenntyp, lobbredd, och sökmönster. Parametrarna finns som sagts i scenariofilerna som HTESS skapat, och plockas ut av en inläsningsfunktion för att sedan användas i radarsvepprogrammet.

Genom integrationen med HTESS kan scenarion skapas och beskrivas såsom de vanligtvis görs vid Saab Avitronics, för att sedan användas i radarsvepprogrammet. Detta gör radarsvepprogrammet mer användbart.

25

6.3 Implementering av antennlober ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6.3.1 Skapande av en första antennlob För att få lärdom om Java 3D och få en första idé om hur en antennlob skapad i programmet skulle kunna se ut byggdes en enkel volym för att representera antennloben. Detta gjordes genom användning av en sfär och en kon. Den första loben byggdes på det sätt som figur 6.3.1.A nedan visar. I bild 5.2.1.A visas hur denna antennlob såg ut i radarsvepprogrammet.

En BranschGroup (BG) håller samman scengrafen, en TransformGroup (TG) roterar hela loben till den riktning som önskas. Två för komponenterna individuella TransformGroups används för att förflytta de två komponenterna till dess positioner.

Den TransformGroup som roterar hela loben är viktig för det fortsatta arbetet eftersom det är denna TransformGroup som är grunden för de transformationer som behövs för implementering av sökmönster. Mer om implementationen av sökmönster finns att läsa i kapitel 0.

Mer om Java3Ds klasser finns att läsa i Java3D 1.4.0 API.

BG

TG

TG

sfär kon

TG

Figur 6.3.1.A Scengraf för första lobpresentationen.

6.3.2 Skapande av ideala antennlober För att gå vidare från den enkla antennloben beskriven i kapitel 6.3.1 byggdes antennlober som modellerar en ideal antennlob. Tre lobformer skapades, dessa lobformer byggdes med antenndiagram för XSinX , och . Om dessa antenndiagram och antennlobers uppbyggnad finns att läsa i kapitel 3.3.3.

CosX )2( XCos

26

Först skapades en tvådimensionell presentation. Detta gjordes genom uträkning av en amplitud som motsvarar signalstyrkan. Denna amplitud erhölls genom användning av det gain som ficks ur antenndiagrammen i ekvationen i ekvationen för uträkning av signalstyrka i radarvarnare (kapitel 3.3.2).

δπ

⋅⋅⋅

= 24)(

RGP

WP trecieved

Arean δ sätts som beskrivet i kapitel 3.3.2 till 1.

Anledningen till att den för radarvarnaren anpassade ekvationen används är att den volym som önskas visualiseras är just den volym som är synlig för radarvarnaren.

När detta var gjort kunde samtliga antenndiagram ritas ut i kartesiska koordinater. Kurvan för XSinX visas nedan i figur 6.3.2.A som ett exempel på resultatet. Notera att kurvan är roterad

90 grader medurs.

Figur 6.3.2.A XSinX såsom kurvan ritades ut vid utvecklingen av antennlober.

Efter att dessa kurvor skapats omvandlades x- och y-koordinaterna till polära koordinater. Polära koordinater ges av θcos⋅= rx och θsin⋅= ry där r och θ är radien respektive vinkeln i figur 6.3.2.B.

y

x θ r

Figur 6.3.2.B De polära koordinaternas parametrar.

När koordinaterna omvandlats till polära erhölls tvådimensionella representationer av antennloberna, ett exempel på resultatet, XSinX visas i figur 6.3.2.C.

27

Figur 6.3.2.C Tvärsnitt av antennlob. Formen ges av kurvan för XSinX omvandlad till polära koordinater.

När dessa tvådimensionella antennlober skapats återstod att göra tredimensionella volymer av dem. För att åstadkomma detta valdes att gå via den tvådimensionella kurva som beskriver konturen på antennloben (figur 6.3.2.C). Denna kurva delades upp i ett antal punkter, varefter hela kurvan roterades 180 grader kring den axel som motsvarar huvudlobens riktning. För varje grad kurvan roterade sparades de punkter som skapats längs med kurvan. Antennloben blir om ingen skalning används rotationssymetrisk.

Punkterna beskriver antennlobens kontur i tre dimensioner och används för att skapa den tredimensionella volymen. Detta åstadkoms genom att punkterna binds samman med trianglar. Denna operation är illustrerad i figur 6.3.2.D.

Figur 6.3.2.D Segment av antennlobskurvor, sammanbundna med trianglar.

Punkterna som representerar trianglarna användes som parametrar i en Geometry (Java3D 1.4.0 API) och Geometryn användes som parametrar vid skapandet av en i Java3D redan skapad form, denna form kallas Shape3D (Java3D 1.4.0 API). Resultatet kan ses i figur 5.2.2.A.

6.4 Implementering av sökmönster ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6.4.1 Skapande av ett enkelt sökmönster För att skapa ett första sökmönster användes ett i Java3D så kallat Behavior. Ett Behavior är en klass som skapar förändringar i programmets scengraf och är grunden för interaktion och animering i Java3D. Syftet med ett behaviorobjekt i en scen är att förändra scengrafen eller objekt i scengrafen. (Brown & Petersen1999).

28

Ett första sökmönster skapades genom en rotation av loben runt y-axeln. Denna rotation skapades i programmet genom att ett Behavior fick i uppgift att för var gång programmet uppdaterades rotera loben ett antal grader runt y-axeln. Antalet grader som roteras i detta Behavior beror på hur snabb rotationen skall vara, och hur ofta scengrafen uppdateras.

Detta enkla sökmönster motsvarar en så kallad Circular Scan, eller ett cirkulärt sökmönster och är illustrerat i figur 5.3.1.A och B.

6.4.2 Skapande av avancerade sökmönster För att skapa mer avancerade sökmönster som inte bygger på en enkel rotation såsom beskrivet i föregående kapitel ska sökmönstret kunna använda sig av rotationer i flera led. Dessa rotationer skall även kunna ske vid olika tidpunkter i sökmönstret cykel.

De mer avancerade sökmönstren valdes att implementeras genom användning av en tabell som på var rad i tabellen anger en vinkel i azimut samt en vinkel i elevation. Azimut- och elevationsvinklarna motsvarar rotationerna som skall ske åt sidorna respektive upp och ned. Exempel på en azimut- och elevationstabell finns i tabell 6.4.2.A.

Azimut (rad) Elevation (rad) Tid (mS)

0 0 1900

1 0.2 900

2 0 1900

3 0.2 900

4 0 1900

5 0.2 900

Tabell 6.4.2.A Azimut- och elevationstabell.

Den första kolumnen i tabellen anger azimutvinkeln, den andra kolumnen anger elevationsvinkeln och den tredje kolumnen anger den tid (i millisekunder) som det ska ta för programmet att gå från den vinkel som beskrivs på den aktuella raden till vinkeln som beskrivs på nästa rad.

Genom att använda azimut- och elevationstabellen kan allt från mycket enkla till komplicerade sökmönster skapas. Eftersom det går att ange azimut- och elevationsvinkel samt tiden det ska ta för antennloben att röra sig mellan punkterna som vinklarna beskriver finns inga begränsningar i hur mönstret kan se ut.

Till exempel kan den ursprungliga rotationen kring y-axeln kombineras med en rotation kring x-axeln. Dessa två rotationer motsvarar en rotation i azimutled och en rotation i elevationsled och kan liknas vid en så kallad Circular Bidirectional Helical Scan, se figur 5.3.2.A och B. För att skapa detta sökmönster valdes riktningarna i azimut- och elevationstabellen så att den önskade rörelsen beskriven i figuren framträdde. Figur 6.4.2 visar just ett sådant exempel, en azimut- elevationstabell med vinklar som beskriver en Circular Bidirectional Helical Scan.

29

Eftersom alla sökmönster skapades på samma sätt, genom användning av azimut- och elevationstabellen kunde en generell klass för alla sökmönster skapas. Samtliga sökmönster kunde sedan bygga på denna klass.

Andra sökmönster såsom spiralskanning och konisk skanning, se figur 3.3.6.C och D, skapades. Även dessa sökmönster skapades genom användning av passande parametrar i azimut- och elevationstabellen och den generella klassen för sökmönster.

Ytterligare ett sökmönster valdes efter den slutgiltiga utvärderingen att implementeras. Hur detta gick till finns att läsa i kapitel 7.2.2.

6.4.3 Mjukt svepande sökmönster Det är viktigt att antennens rörelse är mjukt svepande såsom är realistiskt och inte hoppar mellan olika positioner (om så inte är meningen med det aktuella sökmönstret). Interpolation är en metod för att generera nya datapunkter från en diskret mängd av befintliga datapunkter. Interpolering tillämpas bland annat ofta vid animering för att skapa en rörelse. I radarsvepprogrammet behövs interpolering för att skapa en mjukt skannande rörelse hos sökmönstret. Interpolationen sker då mellan de vinklar som anges i azimut- och elevationstabellen (beskriven i föregående kapitel).

Sökmönstret tilldelades en funktion med uppgift att utföra den interpolation som behövdes. Detta är en interpolation mellan en azimut eller elevationsvinkel i tabellen och nästkommande azimut eller elevationsvinkel i tabellen. Interpolationen går till på så sätt att två efterföljande vinklar sparas i var sin rotationsmatris, som i sin tur sätter värdet på var sin Quat4f (Java3D 1.4.0 API). Mellan dessa två Quat4f utförs interpolationen på den tid som anges på den första vinkelns tabellrad. Interpolationen som används är en så kallad great circle interpolation. Denna interpolation söker det kortaste avståndet mellan två punkter som antas ligga på ytan av en sfär. Resultatet från interpolationen sparas i en rotationsmatris som i sin tur sätter transformationen för rörelsen i azimut- eller elevation. För mer information om hur interpolation mellan Quat4f-objekt i Java3D går till hänvisas till Java3D API på Internet.

6.4.4 Kombinerade sökmönster I verkligheten använder många radarstationer ofta sig av moder med sökmönster som fungerar som en kombination av flera sökmönster. Ett vanligt exempel på detta är Palmer Circular Scan, en kombination av ett cirkulär sökmönster och en palmerskanning. Palmerskanning är en rotation kring antennlobens boresightvektor. Palmer Circular Scan illustreras i figur 5.3.2.C och D.

För att radarsvepprogrammet skall klara av att använda två sökmönster på en och samma emitter, behöver rörelsen kunna beskrivas av en enda transformation. Alla sökmönster tilldelades därför en rotationsmatris. Genom att endast en rotationsmatris styr vardera sökmönster går det att implementera användning av kombinerade sökmönster. Detta sker då genom kombination av sökmönstrens rotationsmatriser. Den kombinerade rotationsmatrisen används sedan för att sätta den TransformGroup som styr antennloben i dess sökmönster.

30

6.4.5 Modbyte En önskad funktion hos radarsvepprogrammet är att under programmets gång kunna byta mod. För att göra det möjligt behövs en parameter hos emittern som visar vilken mod som är aktiv.

För att göra det möjlig att på ett intuitivt sätt välja mod skapades en trädstruktur. I trädstrukturen ges användaren möjlighet att välja vilken mod som skall vara aktiv genom klick på aktuell mod. Användaren får även genom trädstrukturen en överblick av scenariots uppbyggnad.

Varje del i radarsvepprogrammets struktur får en nod i trädet. Trädet byggdes upp med ett JTree i vilket hierarkisk kan data visas (Java3D 1.4.0 API). JTree har en TreeSelectionListener som automatiskt ändrar värdet på parametrar som ändras i trädet. Hur trädet ser ut i radarsvepprogrammet visas i figur 5.3.3.

Med en TreeSelectionListener kopplades noderna som visar moder till just byte av mod. Detta innebär att det i listan av moder går att byta mod genom att användaren klickar på moden som ska aktiveras.

6.5 Implementering av förtydligande funktioner ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6.5.1 Pulsdiagram Pulsdiagrammet beskrivet i kapitel 5.5.1 illustrerar de pulser som radarstationerna sänder ut. Detta diagram skall visa upp signalstyrkan hos radarstationernas pulser i en viss punkt. Denna punkt motsvarar radarvarnarens position. Uppvisning av signalstyrkan kommer att ske genom prestation av pulsernas amplituder över tiden.

Pulsernas signalstyrka i punkten beräknas med ekvationen för uträkning av signalstyrka i radarvarnare:

δπ

⋅⋅⋅

= 24)(

RGP

WP trecieved

Denna ekvation är beskriven mer utförligt i kapitel 3.3.2.

För att få ett diagram som visar pulsernas amplitud över tiden behövs en funktion som hela tiden har information om radarstationers och mätpunktens positioner, samt om radarstationernas antennlobers riktningar. Funktionen skall beräkna hur stark en puls är då den träffar radarvarnaren.

För beräkningar av pulsers signalstyrka i radarvarnaren behövs antennlobens riktning i förhållande till mätpunktens position. Detta behövs för att beräkna räckvidden hos antennloben i riktning mot mätpunkten. För att beräkna denna räckvidd behövs antennlobens gain i samma riktning.

För att få den riktning som antennloben pekar i (antennlobens boresight) används den rotationsmatris som beskriver sökmönstrens rörelser (se kapitel 0). Antennloben rör sig konstant i

31

32

Mätpunktens riktningsvektor

sökmönster och denna rotationsmatris informerar om vilken riktning antennloben pekar just nu. Den vektor som representerar antennlobens boresight är en första vektor som behövs för beräkningarna. En andra vektor som behövs för beräkningarna kallas mätpunktens riktningsvektor, detta är en vektor mellan lobens ursprung och mätpunktens position. Vinkeln mellan antennlobens boresight och mätpunktens riktningsvektor beskriver den riktning i vilken antennlobens gain skall beräknas. Förhållandet mellan antennlobens boresight och mätpunktens riktningsvektor illustreras i figur 6.5.1.

Antennlobens boresight

Rymdvinken

Figur 6.5.1 Vektorerna som används för beräkning av vinkeln som beskriver förhållandet mellan antennlob och mätpunkt.

När loberna skapades gjordes det förenklade antagandet att loben är rotationssymetrisk, detta antagande användes även vid beräkningarna för pulsernas signalstyrka i mätpunkten. På så sätt kunde räckvidden beräknas på samma sätt som vid skapandet av antennloberna (beskrivet i kapitel 6.3.2).

Att beräkna antennlobens gain i mätpunktens riktningsvektor var det första steget i beräkningarna av pulsernas signalstyrka i radarvarnaren. Nästa steg var att räkna ut avståndet mellan antennloben och mätpunkten. Detta avstånd representeras av längden av mätpunktens riktningsvektor och motsvarar R i ekvationen för uträkning av signalstyrka i radarvarnare.

När dessa beräkningar genomförts fås pulsens signalstyrka genom användning av resultaten samt aktuell utsänd effekt, i ekvationen för uträkning av signalstyrka i radarvarnare.

Som sagts behöver funktionen kontinuerligt uppdaterad information om antennlobernas riktningar och mätpunktens position. Detta möjliggörs genom att funktionen för beräkning av pulsers signalstyrka implementerar en Lyssnare som ger information om antennlobers rörelser. Denna Lyssnare läggs på en klass som har information om hur sökmönster rör antennlober och därmed vilka riktningar antennlober pekar. Lyssnaren deklarerar en metod som håller diagrammet uppdaterat på vart sökmönster riktat antennlober.

Diagrammet är inte låst till att mäta signalstyrkan hos pulserna i en specifik 3D-punkt. Punkten är placerad på en TransformGroup vilket innebär att punkten kan vara rörlig. Ur denna TransformGroup fås information om punkten position. Denna position används som mätpunktens position i beräkningarna.

När beräkningarna är gjorda är allt klart för utritning av pulserna. Detta sker kontinuerligt i ett diagram. Genom att spara alla beräknade inmätningar skapas förutsättningarna för att rita ut pulsdiagrammet. Hur pulsdiagrammet för en XSinX lob kan se ut visas i figur 5.5.1.A. I

diagrammet sveper antennloben med ett så kallat cirkulärt sökmönster över ett plan som flyger förbi radarstationen.

6.5.2 Integrering med EWSIM För att integrera radarsvepprogrammet med EWSIM krävs en konvertering av radarstationernas positioner. Positionen som radarstationen får vid skapandet av scenariot anges i WGS 84- referenssystemet (longitud och latitud). I EWSIM används RT90 koordinater (x, y), därför behövs en konvertering. Positionen som radarstationen ges i HTESS omvandlas därför till RT90 koordinater. Höjden på radarstationen beräknas genom att den triangel som innehåller punkten (x, y) i kartgeometriobjektet letas upp, sedan interpoleras höjden (z) i den givna punkten (x, y) fram mellan triangelns hörnpunkter. 3D-punkten (x, y, z) går sedan direkt att använda i EWSIM som är definierad med Lantmäteriets RT90 koordinatsystem.

När denna konvertering är gjord kan scenariot som skapats i radarsvepprogrammet läggas till i EWSIM.

33

7 Utvärdering och förändringar ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Detta kapitel innefattar intervjuer som gjorts för utvärdering av arbetet. Kapitlet beskriver även de förändringar som valdes att genomföras i programmet som resultat av denna utvärdering. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

7.1 Intervjuer och testning ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

För att få en uppfattning av hur programmet utvecklats, om det ökar förståelsen för scenariot och om de funktioner som programmet tillhandahåller är användbara genomfördes ytterligare intervjuer med de användare som deltog i den inledande analysdelen. Intervjuerna gick till på så sätt att användarna fick testa programmet och själva undersöka hur det fungerade. Testningen inleddes med en snabb förklaring och introduktion till programmet. Under tiden testningen pågick samt efter testningen ställdes frågor och svaren dokumenterades genom anteckningar.

7.1.1 Förståelsen för scenariot Vid samtliga tester och uppföljande intervjuer var användarna överrens om att radarsvepprogrammet ökar förståelsen för scenariot.

Det som nämndes som positiva aspekter och som ansågs vara bra för förståelsen var bland annat att programmet visar antennlober och sökmönster på ett nytt sätt samt att detta är intressant i kombination med diagrammet som visar antennlobernas överspelningar på planet.

Programmet ansågs ge en bra överblick av scenariot och vara en lyckad konstruktion i 3D som ger en ny känsla för scenariot. Programmet gav en ny förståelse för hur stor yta antennloberna täcker när de rör sig i sökmönstren. Det var enligt de intervjuade intressant att undersöka när planet träffades och hur det gick att undvika att bli träffad av antennloberna (t.ex. genom att flyga lågt).

7.1.2 Visualisering av antennlober och sökmönster Samtliga användare tyckte att det var mycket intressant att se hur radarsvepprogrammet visualiserade antennloberna. Detta stämde väl överrens med de tankar användarna hade vid de inledande intervjuerna. Att få se antennlober i tre dimensioner sågs som en av programmets stora fördelar. Det gav en känsla för antennloberna. Samtidigt fanns det en viss skepsis i om det verkligen var på detta sätt som antennloberna skulle se ut om det gick att se dem. Detta är något som är svårt att avgöra eftersom ingen av användarna tidigare sett antennlober visualiserade på detta sätt. En tanke som dök upp vid intervjuerna var att en antennexpert borde titta på antennloberna i radarsvepprogrammet för att ge en åsikt om hur realistiska de är i sin utformning.

På samma sätt som för visualiseringen av antennlober ansågs visualiseringen av sökmönster vara mycket intressant. Användarna såg det som en ny upplevelse som gav en ny bild av rörelsen. Visualiseringen ansågs göra det lättare att förstå hur antennloben rör sig och vilka ytor som täcks. Något som saknades av användarna var implementationen av ett mer avancerat sökmönster, till exempel en så kallad rasterskanning.

34

7.1.3 Vidareutveckling En fråga som togs upp vid intervjuerna var hur man skulle kunna vidareutveckla radarsvepprogrammet. De flesta vidareutvecklingar som då togs upp var funktioner som är menade att öka förståelsen för scenariot.

En lista på de vidareutvecklingar som togs upp samt en kort förklaring av dessa följer nedan.

· PRI-diagram. Ett diagram som visar hur många pulser som träffar radarvarnaren. Detta skulle ge en bild av hur stor belastning det är på radarvarnaren.

· Förutbestämd flygbana. En funktion som gör att planet flyger i en av användaren förutbestämd flygbana. Detta för att förenkla för användaren om det är svårt för denne att själv navigera planet.

· Radarvarnarens informationsfönster. Ett separat fönster som visar den information som i verkligheten visas i en radarvarnares display.

· Färgkodade emittrar. För att förenkla förståelsen för vilket pulsdiagram som hör till vilken emitter skulle programmet använda olika färger på antennlober och respektive pulsdiagram.

· Utvecklade pulsdiagram. Användning av fler pulsdiagram för att visa hur planet tar upp signaler från olika riktningar, så som signaler tas upp i verkligheten av planets fyra mottagarantenner.

· LOS. Utveckling av programmet så att det tar hänsyn till den så kallade Line Of Sight.

· Styrning av simulatorer. Programmet kan styra simulatorer.

· Fanbeam. Användning av den för spaningsradar vanliga antennlobsformen fanbeam.

· Mer avancerade sökmönster. Användning av mer avancerade sökmönster.

7.1.4 Slutsatser intervjuer och testning Användarna ansåg att radarsvepprogrammet nu har en bra grund för visualisering av scenarion, men att det skulle kunna utvecklas ytterligare för att ge ökad förståelse samt göra användbarheten ännu större.

Den huvudsakliga fördelen med radarsvepprogrammet ansågs av användarna vara att det går att se antennlobernas form och hur de rör sig i sökmönster samtidigt som det går att se radarstationernas pulsdiagram i en separat graf.

Användarna var positivt överraskade av programmet och ansåg att det utvecklats till ett mer användbart program än vad de vid de inledande intervjuerna hade trott. Förväntningarna som de fick i den inledande fasen hade överträffats. En annan positiv iakttagelse som gjordes under testningen var att programmet förutom att visa hur radarstationer sveper med antennlober i komplexa scenarion, kan demonstrera företagets produkter och dess användning för kunder.

35

7.2 Resultat och utförda ändringar ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Den information som tester och intervjuer gav utvärderades och analyserades för att bestämma om programmet skulle ändras för att passa användarnas behov och i så fall vilka förändringar som skulle göras på programmet.

De ändringar som valdes att genomföras ansågs vara de som kunde öka förståelsen för scenariot och signalmiljön. De ändringar som ansågs vara för omfattande och tidskrävande valdes att ej genomföras, för att hålla examensarbetet inom den tänkta tidsramen.

Det finns således fler vidareutvecklingar av radarsvepprogrammet än de som valts att genomföras som skulle kunna implementeras för att öka användbarheten och användarvänligheten. Dessa vidareutvecklingar diskuteras i kapitel 8.2 och är mycket intressanta för fortsatt arbete med radarsvepprogrammet.

7.2.1 Färgkodning En första utveckling av radarsvepprogrammet som utfördes var färgkodning av emittrar och pulsdiagram. Denna förändring ansågs av användarna vara en förändring som skulle öka förståelsen för scenariot på ett enkelt sätt.

För att inte programmet skulle bli för plottrigt bestämdes det att endast fem färger skulle användas. Om det sedan skapas mer än fem emittrar kommer dessa fem färger att återanvändas.

Färgkodningen bidrog till förståelsen för scenariot genom att det skapade en tydlig koppling mellan antennlob och pulsdiagram. Även de sammanlagda graferna för pulsdiagrammen förtydligades, det blev enklare att skilja på vilka pulser som hörde till vilken emitter eftersom graferna nu skilde sig i färg. Exempel på hur färgkodningen ser ut visas i figur 7.2.1.A. En förstoring av det färgkodade pulsdiagrammet visas i figur 7.2.1.B.

36

Figur 7.2.1.A Exempel på färgkodade antennlober och pulsdiagram.

Figur 7.2.1.B Förstoring av de färgkodade pulsdiagrammen.

37

7.2.2 Rasterskanning Att använda mer avancerade sökmönster var ett önskemål från användarna eftersom just dessa sökmönster är svåra att förstå. En rasterskanning är ett mer avancerat sökmönster som rör sig i ett raster. Ett beslut togs om att vidareutveckla radarsvepprogrammet genom att lägga till just en rasterskanning. Detta mönster kan beskrivas med figur 7.2.2. och liknas vid en så kallad Unidirectional Azimuth Raster Scan.

15

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0 0

30

45

60

75

90

Figur 7.2.2 Unidirectional Azimuth Raster Scan. I figuren visas azimutvinkeln i X-led och elevationsvinkel i Y-led.

Sökmönstret rasterskanning söker av rymden i ett raster. De streckade linjerna i figuren illustrerar sökmönstrets så kallade dead time. Detta är en kort tid då stationen inte sänder ut signaler utan riktar om antennen.

Denna vidareutveckling av radarsvepprogrammet är en funktion som redan varit implementerad i programmet, innan integration med HTESS skedde. Därför var denna vidareutveckling något som redan påbörjats, och det fanns underlag för att lägga till detta sökmönster även i det uppdaterade radarsvepprogrammet. Detta var en bidragande anledning till att denna vidareutveckling valdes att genomföras.

De komplikationer som uppstod vid integration med HTESS bestod av svårigheter att översätta de parametrar som beskriver sökmönstret i HTESS till parametrar kompatibla med radarsvepprogrammet. Efter rådfrågning med användare av HTESS kunde parametrarna bestämmas och dess funktioner fastställas. Efter att detta var gjort kunde en instans av den generella klassen för sökmönster användas (se kapitel 6.4.2) och ett nytt sökmönster skapas.

Mönstret Unidirectional Azimuth Raster Scan, eller den så kallade rasterskanningen skapades i radarsvepprogrammet genom användning av den generella klassen för sökmönster. Endast riktningarna i tabellen som beskriver mönstret (azimut- och elevationstabellen) ändrades. Genom att beskriva mönstrets ändpunkter skapades rasterskanningens mönster såsom visas i figur 7.2.2. På samma sätt som vid skapandet av tidigare sökmönster, genererade interpolation mellan de olika positionerna i tabellen en mjukt skannande rörelse.

38

8 Slutsatser och framtida vidareutvecklingar ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Detta kapitel innehåller sammanfattande slutsatser samt lärdomar som gjorts under arbetet. Det innehåller även idéer om hur arbetet kan uppföljas och programmet vidareutvecklas för att ett ännu bättre resultat ska skapas. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8.1 Slutsatser ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Arbetet med att fastställa ett sätt att visualisera signalmiljön och utforma det program som blev det resulterande visualiseringssättet har varit spännande och framför allt mycket lärorikt. När arbetet påbörjades fanns varken en klar bild av hur uppgiften skulle lösas eller kunskaper om området som uppgiften behandlar. Efter den inledande undersökningsfasen klarnade bilden och en idé om hur uppgiften skulle lösas uppstod, men läroprocessen pågick under hela arbetets gång, till exempel blev vissa företeelser begripliga först under utvärderingen då programmet i princip var klart och uppgiften löst.

Enligt de testpersoner som ingick i testning och utvärdering blev slutresultatet mycket lyckat. Programmet sågs som ett användbart hjälpmedel som inte bara kan underlätta vid förståelsen av komplicerade scenarion utan även ett program med stort demonstrationsvärde. Ett andra ändamål som radarsvepprogrammet kan fylla utöver det som var det ursprungliga syftet, framstod alltså vid testningen. Programmet ansågs av testpersonerna kunna demonstrera Saab Avitronics produkter för kunder och ge en förståelse för produkternas användningsområde.

Positivt är att det finns en framtid för radarsvepprogrammet. Med viss vidareutveckling skulle programmet fylla behovet att visualisera komplicerade scenarion, men redan idag är det ett användbart program som kan användas just i detta syfte, komplexiteten i scenariona som kan visualiseras är dock begränsad eftersom alla typer av antennlober och sökmönster inte är implementerade.

I efterhand kan konstateras att en svårighet med examensarbetet var att komma på vilka funktioner som programmet skulle innehålla för att göra det funktionellt och användarvänligt, när det väl var fastställt att ett program som tredimensionellt gestaltar scenarion med radarstationer var sättet som signalmiljön skulle visualiseras på. Optimalt hade varit att hinna med fler omgångar med utvärdering och testning, men eftersom arbetet är begränsat till ett examensarbete med en viss tidsram var detta inte en möjlighet.

En viktig lärdom som drogs var att det är viktigt att kontrollera fakta och få en bra bild av området innan programmeringsfasen inleds. Det hade till exempel varit betydelsefullt att tidigt förstå vikten av var hur vanligt det är att antennloberna inte är rotationssymetriska. De lober som är rotationssymetriska är oftast följeradar, medan spaningsradar oftast använder antennlober som inte är rotationssymetriska. Användning av rotationssymetriska antennlober valdes tidigt och i utvärderingen framstod detta som en begränsning för programmet. Med fler typer av antennlober, som t.ex. inte är rotationssymetriska kan mer realistiska händelseförlopp med spanings-, och

39

följeradar eftersom de antennlober som används vid spaning ofta inte är rotationssymetriska. Det är dock en möjlig vidareutveckling av radarsvepprogrammet att lägga till icke rotationssymetriska antennlober.

En annan viktig lärdom är att när området uppgiften behandlar är nytt och outforskat är det svårt att få bekräftelse på om det som genereras verkligen är rätt och realistiskt. I fallet med radarsvepprogrammet var det nya att skapa tredimensionella antennlober. Vid test och demonstrering av programmet visste inte de intervjuade om det som visades var rätt, och de hade därför svårt att utvärdera realismen i framställningen.

8.2 Framtida vidareutvecklingar ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Programmet som skapats kan genom vidareutveckling göras ännu mer användbart. Dessa vidareutvecklingar valdes att inte göras eftersom det inte gick att få in inom tidsramen för detta examensarbete.

En första framtida vidareutveckling är en modifiering i antennlobernas uppbyggnad. Om man väljer att inte använda rotationssymetriska antennlober är det möjligt att skapa fler typer av antennlober. Görs detta blir variationsmöjligheterna för de scenarion som skapas större, och det går att skapa mer verklighetstrogna händelseförlopp med spaningsradar och följeradar. En vidareutveckling kopplad till denna första vidareutveckling är implementering av fler sökmönster. Det optimala är att alla sökmönster som används i HTESS även går att implementera i radarsvepprogrammet.

En annan intressant vidareutveckling som togs upp under testerna var användning av en fast flygbana. (Beskrivet som förutbestämd flygbana i kapitel 7.1.3) Detta skulle vara en intressant tilläggsfunktion som skulle göra det möjligt för användaren att i förväg bestämma planets rutt. Användaren skulle då få mer tid till att se händelseförloppet.

En funktion som skulle göra radarsvepprogrammet mer verklighetstroget är att låta pulsdiagrammet mäta den intagna effekten från fyra olika riktningar såsom görs i verkligheten. (Beskrivet som utveckling av pulsdiagram i kapitel 7.1.3) Detta är en teoretiskt genomförbar vidareutveckling men den skulle kräva fyra gånger så mycket beräkningar än det nuvarande pulsdiagrammet. Dessutom skulle fler fönster behövas för uppvisning av pulsdiagrammen. Det finns en risk med att visa för mycket information på en gång och för att göra denna extra funktion användbar behövs tester genomföras. Dessa tester bör undersöka hur uppvisning kan ske på bästa sätt, för att göra funktionen nyttig för användaren.

En funktion som togs upp vid intervjuerna och som även den är intressant för framtida projekt är utveckling av mer dynamiska scenarion såsom placering av följeradar på rörliga plattformar. Även detta är en i radarsvepprogrammet fullt möjlig vidareutveckling.

40

Referenslista ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Litteratur (Böcker)

BROWN, KIRK & DANIEL PETERSEN, (1999). Ready-to-Run Java 3D, Wiley Computer Publishing, John Wiley & Sons, Inc

JOSEFSON LARS OCH BERGGREN GÖRAN (1997). Telekrig, Enator Försvarsmedia AB

PREECE JENNY, ROGERS YVONNE OCH SHARP HELEN, (2002). Interaction Design – beyond human-computer interaction, John Wiley & Sons, Inc

SANDQVIST ALF OCH GERDLE PER (2004). Lärobok i telekrigföring för luftvärnet – Radar och radartaktik, Mediablocket AB.

STIMSON W. GEORGE. (1998). Airborne Radar, second edition, Scitech publishing, INC.

TUFTE R. EDVARD (1990). Envisioning Information, Graphics Press

Rapporter

OLSSON LUDVIG (2006). Tactics Development for Radar Stations – A Rule-based Approach for a Simulated Air Defence, Stockholm: Kungliga Tekniska Högskolan Institutionen för Datalogi. ISRN-KTH/CSC/E—06/050--SE

PUSHPARAJ SILVA (2006). Analyzing Tool for Radar Data – An approach to improve the analysis work, Stockholm: Kungliga Tekniska Högskolan, Institutionen för Datalogi. ISRN-KTH/CSC/E—06/010--SE

WENNSTRÖM JAN(2007). SPECIFICATION for Herman HTESS, Document identity PM354940

ERIKSSON MIKAEL. HTESS USERS GUIDE (2003), Document identity PM340211

41

Elektroniska dokument

BERGLUND LARS (2006). Telekrig – FOI-skrift om radio, radar, laser, IR och mikrovågsteknik. Tillgänglig: < http://www.foi.se/FOI/Templates/NewsPage____4076.aspx > Datum: 2007-04-23

BOUVIER J. DENNIS (2006). Getting Started with the Java3D API, Tutorial v1.5.1.

Tillgänglig: <http://www.java.sun.com> Datum: 2007-04-23

(2006) SUN MICROSYSTEMS INC. Java3D 1.4.0 API.

Tillgänglig: <http://download.java.net/media/java3d/javadoc/1.4.0/index.html> Datum: 2007-04-23

42

Bilaga A, Handledning Radarsvepprogrammet ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Denna bilaga innehåller en handledning för radarsvepprogrammet då det integrerats med EWSIM. Handledningen beskriver bland annat programmets syfte och användningsområde. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Syfte och användningsområde ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Syftet med radarsvepprogrammet integrerat med EWSIM är att ge en bild av scenarion som skapats i HTESS (se kapitel 4.4.2) och visualisera dess radarstationer med antennlober och sökmönster.

Det används för att ge en ny bild av scenarion, och är menat att ge en ökad förståelse för scenariots uppbyggnad. I programmet kan användaren själv röra sig fritt i scenariot och undersöka de olika beståndsdelarnas uppbyggnad.

Användning ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Programmet är enkelt att använda samt innehåller ett fåtal funktioner. Nedan följer en steg för steg genomgång av hur ett scenario skapas i radarsvepprogrammet.

Uppstart av programmet: 1. Skapa ett scenario i HTESS. Spara som first_scenario.sed i

K:Supportsystems\ewsim\scenario\

2. Öppna programmet EWSIM. Två fönster öppnas, ett huvudfönster samt ett överblicksfönster. Huvudfönstret består av tre fönster i sig, ett scenariofönster, ett fönster med ett träd som beskriver grafens struktur samt ett fönster som visar pulsdiagram.

Skapande av HTESS-scenario: Det är några företeelser som bör beaktas tänka på då scenariot skapas i HTESS.

För det första behöver stationerna hamna i rätt område, dvs. inom det område som motsvarar kartbiten i EWSIM använder.

Det är bara tre typer av antenner som är implementerade i radarsvepprogrammet. Dessa tre är Rectangular illumination, Cos2(x) illumination samt Cos(x) illumination. Den parameter som bestämmer antennlobens bredd är Beam width. Parametrarna Power och Gain, bestämmer tillsammans radarns räckvidd.

43

Fyra typer av sökmönster är implementerade och går att välja i HTESS. Dessa sökmönster är, CircularScan, ConicalScan, PalmerCircularScan samt Bi-directional Azimuth Raster Scan.

Användning av scenariofönstret: I det så kallade scenariofönstet ses scenariot ur en tredje persons synvinkel med planet mitt i synfältet. Planet navigeras med datorns tangentbord.

← → Betyder höger respektive vänster.

↑↓ betyder upp respektive ned.

För att öka planets hastighet används punktknappen (.). För att minska planets hastighet används kommatecknet (,).

Användning av trädstrukturen: I fönstret med trädstrukturen ges en bild av scenariots uppbyggnad. I trädstrukturen sker även byte av mod. Detta sker genom klick på den mod som önskas aktiveras.

Pulsdiagramsfönstret I det nedre högra fönstret visas pulsdiagram. Antalet pulsdiagram beror på antalet radarstationer i scenariot. Var radarstation representeras av en graf i pulsdiagramsfönstret.

Färgen på graferna i pulsdiagrammet är kopplad till den färg radarstationens antennlob har i scenariofönstret.

Överblicksfönstret I överblicksfönstret visas samma scenario som i scenariofönstret fast sett ovanifrån.

För att zooma in i överblicksfönstret hålls musens mittknapp in samtidigt som musen dras mot användaren.

För att zooma ut hålls musens mittknapp in på samma sätt som vid in zoomning, men musen skjuts från användaren.

För att flytta överblicken åt sidorna eller uppåt respektive nedåt hålls höger musknapp in samtidigt som musen rörs åt höger för en rörelse åt höger, åt vänster för en rörelse åt vänster, bort från användaren för en rörelse ”uppåt” samt mot användaren för en rörelse ”nedåt” i bilden.

44

Bilaga B, Ordlista ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Denna bilaga innehåller en ordlista för speciella ord och begrepp som används i rapporten. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

antenndiagram Diagram som visar en antenns förstärkning i olika riktningar.

antennlob En volym som representerar de signaler som en radarstation sänder ut i olika riktningar.

API Application Programming Interface

azimut Den riktning som motsvarar en rörelse i x- och y- led (åt sidorna).

boresight Den riktning i vilken radarn pekar.

effekttäthet Effekt per ytenhet (W/m2).

elevation Den riktning som motsvarar rörelse i z-led (upp och ned).

emitter En signalkälla för radarstationer.

fällare Motmedel i telekrig, t.ex. remsor eller facklor.

följeradar En radar som används för att följa ett redan upptäckt hot.

gain Antennlobens förstärkning.

isotropt Homogent, lika i alla riktningar.

interpolation En metod som genererar nya datapunkter från en diskret mängd av befintliga datapunkter.

LOS Line Of Sight, den räckvidd en radarstation har utan att den hindras av omkringliggande objekt såsom byggnader och berg.

lobvidd Antennlobens bredd mätt i grader.

mod En emitter har olika moder som används vid olika tillfällen. En mod beskriver emitterns sökmönster och definierar radarparametrar.

PRI Pulse Repetition Interval, tiden mellan två utsända pulser.

radarekvationen Ekvation som representerar hur en radar tar emot signaler.

radarsvep Den rörelse en antennlob gör i sökmönstret.

RT90 Rikets Triangelnät, det referenssystem som allmänna svenska kartor baseras på.

scengraf Uppbyggnaden av de objekt som ingår i ett program skrivet med Java3D.

signalmiljö De signaler som skickas ut i etern, inklusive de signaler som radarstationer sänder ut, i frekvensbandet 1-30 GHz.

45

sökmönster De sökmönster som antennlober använder sig av.

skannvolym Den volym antennloben skapar när den rör sig i ett sökmönster.

spaningsradar En radar som används för att söka efter och upptäcka hot.

telekrig Militära åtgärder för att upptäcka, utnyttja, påverka, försvåra eller förhindra motståndarens användning av telemedel som utnyttjar elektromagnetisk vågutbredning samt egna åtgärder för att minska verkan av motståndarens telekrigföring.

vapensystem Ett scenario innehåller ett antal vapensystem som i sin tur har ett antal emittrar.

WGS-84 World Geodetic System 1984. Det referenssystem som GPS–systemet baseras på.

46

TRITA-CSC-E 2007:068 ISRN-KTH/CSC/E--07/068--SE

ISSN-1653-5715

www.kth.se