直升機(jī)載火控雷達(dá)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王　琳　張大鋒　劉　峰　任　強(qiáng)　段芳芳

(1.陸軍航空兵研究所　北京　101121；2.光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　洛陽(yáng)　471023；3.西安電子工程研究所　西安　710100)

0　引言

隨著近年來(lái)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，模擬仿真逐漸成為國(guó)內(nèi)外軍事研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。作為雷達(dá)模擬技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，雷達(dá)模擬仿真訓(xùn)練以其安全、經(jīng)濟(jì)、靈活、逼真的特點(diǎn)得到快速發(fā)展，已成為軍事訓(xùn)練中必不可少的輔助工具和手段。雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是模擬仿真技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它通過(guò)模擬方法產(chǎn)生雷達(dá)操作和顯示的各種信號(hào)，在實(shí)際雷達(dá)前端不具備的條件下，真實(shí)地描述雷達(dá)的工作狀態(tài)[1]。

國(guó)外在雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究方面起步較早，開(kāi)發(fā)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)具有靈活性、通用性、兼容性和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。具有代表性的是：美國(guó)KOR Electronics公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字化雷達(dá)環(huán)境模擬器(Digital Radar Environment Simulator)，該模擬器綜合采用了VME總線結(jié)構(gòu)、DSP、模塊化設(shè)計(jì)等技術(shù)，可以同時(shí)產(chǎn)生大量高度逼真的目標(biāo)、雜波和干擾回波，提供數(shù)字、中頻、射頻形式的雷達(dá)回波信號(hào)。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始研究雷達(dá)信號(hào)模擬技術(shù)，先后經(jīng)歷了全模擬實(shí)現(xiàn)法、半實(shí)物仿真驗(yàn)證、數(shù)字模擬等階段。[2]研究了雷達(dá)模擬器中可視化仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，建立想定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)仿真和雷達(dá)波位掃描等功能，能夠直觀、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地表現(xiàn)雷達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境；[3]研究了機(jī)載雷達(dá)雜波環(huán)境模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑，給出了機(jī)載雷達(dá)地面雜波數(shù)據(jù)仿真的方法。

以上成果經(jīng)驗(yàn)為開(kāi)展火控雷達(dá)模擬訓(xùn)練研究提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。然而，直升機(jī)載火控雷達(dá)有其自身的使用特點(diǎn)和訓(xùn)練要求：一方面，直升機(jī)飛行高度相對(duì)較低，低空戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，地雜波數(shù)量和干擾較多，雷達(dá)在雜波和干擾環(huán)境下訓(xùn)練要求較高；另一方面，受到雷達(dá)波束覆蓋范圍的限制，直升機(jī)飛行姿態(tài)的變化會(huì)對(duì)雷達(dá)探測(cè)范圍產(chǎn)生影響，因此需要真實(shí)模擬直升機(jī)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的變化。本文在分析直升機(jī)載火控雷達(dá)作戰(zhàn)使用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，介紹了雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的組成，開(kāi)展了目標(biāo)信號(hào)模擬、直升機(jī)慣導(dǎo)信息模擬、干擾和雜波模擬、模擬訓(xùn)練評(píng)估等技術(shù)研究。

1　雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和要求

1.1　雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)以雷達(dá)回波信號(hào)理論和數(shù)字信號(hào)處理理論為基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)置不同的訓(xùn)練模式、訓(xùn)練場(chǎng)景、訓(xùn)練科目等，使雷達(dá)訓(xùn)練人員在地面就能真實(shí)體驗(yàn)雷達(dá)的使用方法，從而全面掌握雷達(dá)的操作技能。因此，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的使用操作必須與實(shí)際雷達(dá)完全一致，設(shè)計(jì)時(shí)還要兼顧通用性、靈活性、真實(shí)性、擴(kuò)展性等原則[4]。

1)通用性：雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的主控單元、終端顯示控制單元、信號(hào)源以及接口標(biāo)準(zhǔn)要滿足通用性要求，并具備一定的拓展能力。

2)靈活性：訓(xùn)練模式要具有一定的靈活性，訓(xùn)練人員可以選擇規(guī)定科目或自主設(shè)定訓(xùn)練科目，可以任意設(shè)置目標(biāo)數(shù)量、類型、航跡，以及背景、干擾的類型。

3)真實(shí)性：全狀態(tài)模擬雷達(dá)的工作狀態(tài)，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的顯示界面、狀態(tài)指示、視覺(jué)效果、操作方法與實(shí)際雷達(dá)完全相同。

4)擴(kuò)展性：雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，留有標(biāo)準(zhǔn)的外部擴(kuò)展接口，通過(guò)適當(dāng)更改軟件和硬件，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)雷達(dá)的模擬。

1.2　雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

直升機(jī)載火控雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)基于相應(yīng)的硬件、軟件體系構(gòu)建，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了直升機(jī)的平臺(tái)特點(diǎn)、作戰(zhàn)使用環(huán)境，雷達(dá)的功能模式和性能特點(diǎn)。

系統(tǒng)硬件采用半實(shí)物仿真形式，雷達(dá)的人機(jī)交互界面主要是控制盒和綜合顯示器。硬件設(shè)計(jì)以外觀一致、控制關(guān)系一致、接口關(guān)系一致為原則，對(duì)雷達(dá)控制盒和綜合顯示器進(jìn)行功能模擬。綜合顯示器提供雷達(dá)工作模式的設(shè)備操作平臺(tái)及雷達(dá)回波圖像的輸出；單片機(jī)系統(tǒng)采用軟件模擬生成直升機(jī)、目標(biāo)、背景、干擾等信號(hào)，以及雷達(dá)發(fā)射、接收、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)輸出，并通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

軟件設(shè)計(jì)要求具備良好的人機(jī)交互界面以及較高的仿真精度[4]。一是要求系統(tǒng)具有友好、逼真的雷達(dá)顯示界面；二是要求系統(tǒng)具有方便可靠的操作性，可同時(shí)通過(guò)控制盒、綜合顯示器周邊鍵等對(duì)火控雷達(dá)進(jìn)行指令操作和精確控制；三是要求系統(tǒng)能夠靈活設(shè)置和修改性能參數(shù)、工作方式，便于訓(xùn)練人員開(kāi)展不同科目的模擬訓(xùn)練。

2　雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的組成

火控雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)按功能分為三個(gè)部分：信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)顯示控制模塊，如圖1所示。

1)信號(hào)產(chǎn)生模塊

信號(hào)產(chǎn)生模塊通過(guò)單板計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)，用于模擬產(chǎn)生直升機(jī)飛行、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、雜波干擾等信號(hào)。

2)信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊接收信號(hào)產(chǎn)生模塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)雷達(dá)當(dāng)前的工作模式、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、目標(biāo)信息，在仿真計(jì)算機(jī)上采用模型與軟件的方式模擬雷達(dá)的發(fā)射、接收、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)輸出的功能。

信號(hào)處理模塊與實(shí)際雷達(dá)的信號(hào)處理模塊對(duì)應(yīng)，采用仿真模型抽象出火控雷達(dá)對(duì)雜波背景下的目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤的物理過(guò)程，并且在檢測(cè)概率上達(dá)到與實(shí)際雷達(dá)一致或接近的效果，同時(shí)在模擬敵方實(shí)施電子干擾的情況下，正確模擬出雷達(dá)被干擾的現(xiàn)象。

3)信號(hào)顯示控制模塊

信號(hào)顯示控制模塊通過(guò)雷達(dá)控制盒、綜合顯示器實(shí)現(xiàn)及操作控制軟件實(shí)現(xiàn)，用于雷達(dá)數(shù)據(jù)的顯示與人機(jī)交互。其中，控制盒和綜合顯示器周邊鍵為控制輸入按鈕，用于操作人員與雷達(dá)之間進(jìn)行交互，完成各種工作參數(shù)的更改和工作模式的切換。

3　雷達(dá)模擬訓(xùn)練仿真的關(guān)鍵技術(shù)

雷達(dá)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：目標(biāo)信號(hào)模擬、直升機(jī)慣導(dǎo)信息模擬、背景和干擾模擬、顯示控制模擬等。

3.1　目標(biāo)信號(hào)模擬

目標(biāo)信號(hào)模擬包括目標(biāo)屬性信息模擬和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息模擬。

1)目標(biāo)屬性信息模擬

目標(biāo)屬性信息模擬主要基于目標(biāo)RCS特征，根據(jù)不同類型目標(biāo)的RCS特征和回波特性[5]，模擬生成地面裝甲車輛、運(yùn)輸車輛，空中無(wú)人機(jī)、固定翼飛機(jī)、直升機(jī)等空中和地面目標(biāo)。由于真實(shí)目標(biāo)的雷達(dá)反射數(shù)據(jù)難以獲取，而且目標(biāo)在不同方向上的RCS也不盡相同，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用測(cè)量值或經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行模擬。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息模擬主要基于典型地面和空中目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型，模擬生成目標(biāo)的位置、速度、航向、角速度和運(yùn)動(dòng)軌跡。直升機(jī)載火控雷達(dá)的典型目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型有：勻速運(yùn)動(dòng)模型、勻加速運(yùn)動(dòng)模型、交互式多模型、Singer模型、當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型等[6]。由于火控雷達(dá)具備多目標(biāo)探測(cè)能力，因此在模擬單目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的基礎(chǔ)上，還要模擬多個(gè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡交叉、重疊的情形。

3.2　直升機(jī)慣導(dǎo)信息模擬

直升機(jī)是火控雷達(dá)的平臺(tái)，受到雷達(dá)波束覆蓋范圍和雷達(dá)探測(cè)角度等限制，直升機(jī)飛行姿態(tài)的變化會(huì)對(duì)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生影響，雷達(dá)顯示畫(huà)面也會(huì)隨之改變，因此需要對(duì)直升機(jī)的飛行姿態(tài)和航線等慣導(dǎo)信息進(jìn)行模擬。這些信息包括：直升機(jī)的方位角、俯仰角、橫滾角、速度、加速度、角度、經(jīng)緯度等。

直升機(jī)慣導(dǎo)信息模擬以實(shí)際火控雷達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)中的慣導(dǎo)信息為基礎(chǔ)，通過(guò)處理形成直升機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡，組合產(chǎn)生直升機(jī)在懸停、平飛、機(jī)動(dòng)等狀態(tài)下的慣導(dǎo)信息；在此基礎(chǔ)上，疊加相應(yīng)的模擬合作目標(biāo)，逼真地展現(xiàn)直升機(jī)飛行時(shí)的畫(huà)面，達(dá)到理想的模擬訓(xùn)練效果。

3.3　地物雜波和干擾信號(hào)模擬

1)地物雜波模擬

地物雜波模擬是雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)中圖像仿真和目標(biāo)檢測(cè)跟蹤仿真的的關(guān)鍵內(nèi)容之一，通過(guò)模擬不同背景下的地物雜波，來(lái)訓(xùn)練操作人員在復(fù)雜背景中發(fā)現(xiàn)、搜索目標(biāo)的能力。有經(jīng)驗(yàn)的雷達(dá)操作人員善于區(qū)分目標(biāo)回波和地物干擾雜波，并從雜波背景中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。由于直升機(jī)飛行高度低，地雜波是影響雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)的主要背景干擾源，因此要盡量真實(shí)地模擬雜波信號(hào)。

在雷達(dá)波束照射過(guò)程中，地表面屬于面分布目標(biāo)，可視為由大量散射元組成，這些散射元的位置及彼此間距是隨機(jī)的。由于散射元相互獨(dú)立，各散射元的散射信號(hào)也相互獨(dú)立，其在雷達(dá)上的回波信號(hào)就構(gòu)成回波群。根據(jù)雜波研究理論和雜波概率分布特性，如果被照射的區(qū)域中沒(méi)有強(qiáng)散射體，那么地物回波的統(tǒng)計(jì)規(guī)律可以用瑞利分布、相關(guān)對(duì)數(shù)整體分布、韋布爾分布等描述[7]。此外，地物雜波數(shù)據(jù)仿真還與直升機(jī)的飛行高度、飛行速度、飛行航向以及脈沖寬度等有關(guān)，在仿真模擬過(guò)程中要考慮火控雷達(dá)的波形。

影響均宮內(nèi)發(fā)育情況、窒息情況等窒息患兒體格、智能及運(yùn)動(dòng)發(fā)育，導(dǎo)致窒息患兒發(fā)育落后，所以科學(xué)合理的早期干預(yù)及運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，使其各方面發(fā)育接近甚至達(dá)到正常嬰幼兒的水平受到人們的關(guān)注和支持。希望在不久的將來(lái)，通過(guò)我們醫(yī)務(wù)工作者的努力，認(rèn)真跟蹤，指導(dǎo)訓(xùn)練這樣的窒息患兒，使這些兒童得以健康的成長(zhǎng)。

2)干擾信號(hào)模擬

有源干擾主要是用于破壞雷達(dá)對(duì)真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)的檢測(cè)，通常表現(xiàn)為掩蓋真實(shí)目標(biāo)信號(hào)或產(chǎn)生虛假目標(biāo)信號(hào)[8]。有源干擾模擬是雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一，通過(guò)模擬雷達(dá)有源干擾信號(hào)，可以訓(xùn)練操作人員應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力，適應(yīng)近似實(shí)戰(zhàn)的作戰(zhàn)條件。

雷達(dá)有源干擾分為遮蓋性干擾和欺騙式干擾。遮蓋性干擾是利用噪聲或類似噪聲的干擾信號(hào)掩蓋或淹沒(méi)目標(biāo)信號(hào)，阻止雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)信息；按照調(diào)制方式的不同分為射頻噪聲、調(diào)幅噪聲、調(diào)頻噪聲、調(diào)相噪聲。欺騙式干擾是采用虛假目標(biāo)和信息作用于雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)，使雷達(dá)不能正確檢測(cè)真正的目標(biāo)或不能正確測(cè)量目標(biāo)的參數(shù)信息，主要包括距離欺騙干擾、速度欺騙干擾、角度欺騙式干擾、間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾等。雷達(dá)有源干擾模擬以DDS波形產(chǎn)生電路為核心，利用標(biāo)準(zhǔn)PCI總線的高速傳輸特性，結(jié)合數(shù)字邏輯控制電路對(duì)DDS芯片進(jìn)行高速、精確控制，產(chǎn)生高逼真度的雷達(dá)有源干擾信號(hào)。

3.4　雷達(dá)顯示控制模擬

在雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，顯示控制終端用于雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)的處理和顯示、雷達(dá)操作界面的設(shè)置、操作指令的發(fā)送、模擬系統(tǒng)的控制。

雷達(dá)顯示控制軟件通過(guò)VxWork多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，軟件運(yùn)行在顯示控制單板機(jī)上，顯示控制與數(shù)據(jù)處理之間采用以太網(wǎng)絡(luò)接口，傳輸控制指令和雷達(dá)數(shù)據(jù)。顯示控制軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①實(shí)時(shí)接收雷達(dá)處理數(shù)據(jù)；②完成雷達(dá)控制功能和部分運(yùn)算任務(wù)；③實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄與顯示。

4　雷達(dá)模擬訓(xùn)練評(píng)估設(shè)計(jì)

訓(xùn)練效果評(píng)估是火控雷達(dá)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的主要功能之一，對(duì)于提高訓(xùn)練人員的操作水平具有重要的促進(jìn)作用。雷達(dá)模擬訓(xùn)練評(píng)估包括訓(xùn)練檔案管理模塊、任務(wù)設(shè)計(jì)模塊、訓(xùn)練數(shù)據(jù)記錄與評(píng)估模塊、反饋糾正模塊等。

(1)訓(xùn)練檔案管理模塊

訓(xùn)練檔案管理模塊主要用于訓(xùn)練人員的基本信息和訓(xùn)練記錄管理，包括訓(xùn)練信息登錄、訓(xùn)練信息加載、訓(xùn)練檔案添加、訓(xùn)練檔案刪除等。訓(xùn)練檔案管理模塊是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，其主要功能模塊及相互關(guān)系如圖2所示。

(2)任務(wù)設(shè)計(jì)選擇模塊

任務(wù)設(shè)計(jì)模塊用于制定雷達(dá)操作訓(xùn)練的內(nèi)容和訓(xùn)練科目。根據(jù)雷達(dá)的作戰(zhàn)使用特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了不同難度級(jí)別的訓(xùn)練：①基礎(chǔ)操作訓(xùn)練，訓(xùn)練內(nèi)容包括：角度設(shè)置、距離設(shè)置、門限設(shè)置、單目標(biāo)跟蹤操作等；②復(fù)雜操作訓(xùn)練，訓(xùn)練內(nèi)容包括：雜波環(huán)境操作、干擾環(huán)境操作、多目標(biāo)跟蹤操作等；③自定義科目訓(xùn)練，根據(jù)訓(xùn)練人員的需求自定義設(shè)置訓(xùn)練科目，適合于專項(xiàng)強(qiáng)化訓(xùn)練。自定義設(shè)置的內(nèi)容包括：直升機(jī)飛行航線、飛行姿態(tài)，雷達(dá)使用環(huán)境和任務(wù)背景，目標(biāo)類型、數(shù)量、運(yùn)動(dòng)模型，干擾類型、強(qiáng)度等。

(3)訓(xùn)練數(shù)據(jù)記錄與評(píng)估模塊

訓(xùn)練數(shù)據(jù)記錄與評(píng)估是全方位提升雷達(dá)操作人員訓(xùn)練水平的重要環(huán)節(jié)。該模塊首先記錄訓(xùn)練人員操作雷達(dá)的全過(guò)程，并記錄相關(guān)訓(xùn)練數(shù)據(jù)。訓(xùn)練結(jié)束后，將操作情況進(jìn)行回放分析，利用專家或相關(guān)算法評(píng)估操作過(guò)程的準(zhǔn)確性、合理性。

(4)反饋糾正模塊

反饋糾正模塊是根據(jù)數(shù)據(jù)記錄與評(píng)估模塊的結(jié)果，將正確的操作信息反饋給訓(xùn)練人員，輔助訓(xùn)練人員更好地完成雷達(dá)操作任務(wù)，加深對(duì)雷達(dá)正確操作的印象，提升雷達(dá)模擬訓(xùn)練效果。主要有以下兩種輔助功能：①當(dāng)訓(xùn)練人員出現(xiàn)操作錯(cuò)誤時(shí)，在顯示畫(huà)面中不影響操作的位置，提示錯(cuò)誤操作的原因、錯(cuò)誤的等級(jí)(輕微、一般、嚴(yán)重)以及正確的操作步驟。②在復(fù)雜訓(xùn)練任務(wù)中，根據(jù)訓(xùn)練人員的訓(xùn)練情況智能分析，確定是否對(duì)其進(jìn)行提示。

5　結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是提高裝備訓(xùn)練效率和訓(xùn)練水平、節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)、延長(zhǎng)使用壽命的有效手段。本文分析了直升機(jī)載火控雷達(dá)的訓(xùn)練特點(diǎn)和訓(xùn)練需求，提出了模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，探討了目標(biāo)信號(hào)模擬、直升機(jī)信息模擬、干擾和雜波模擬等關(guān)鍵技術(shù)。為了達(dá)到更好的模擬訓(xùn)練效果，可在后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步豐富的直升機(jī)飛行數(shù)據(jù)庫(kù)、地形數(shù)據(jù)庫(kù)和干擾數(shù)據(jù)庫(kù)。

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