某型雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉云飛，田華明，王鼎，田沿平

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

某型雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉云飛，田華明，王鼎，田沿平

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

研制功能完善的雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)提高該型雷達(dá)教學(xué)保障能力，使學(xué)員迅速掌握雷達(dá)的操作使用和故障排除方法具有重要意義。該雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用虛實(shí)結(jié)合的方法，雷達(dá)模擬器主體采用實(shí)物模擬，雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)以及與雷達(dá)相交聯(lián)的其他設(shè)備采用虛擬仿真，并外設(shè)多功能教員控制臺(tái)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)部，采用模塊化故障設(shè)置的方法，實(shí)現(xiàn)了單元級(jí)的故障仿真。

雷達(dá)；模擬器；故障設(shè)置

0 引言

某型雷達(dá)由于實(shí)裝造價(jià)昂貴，院校目前沒(méi)有裝配，為了滿(mǎn)足教學(xué)訓(xùn)練需求，使得學(xué)員快速熟悉裝備操作使用和維護(hù)保障方法，掌握故障排除能力，研制對(duì)應(yīng)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)成為經(jīng)濟(jì)實(shí)效的方法。

1 功能需求

該雷達(dá)由顯控臺(tái)、信號(hào)處理機(jī)柜、伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)柜、配電機(jī)柜、轉(zhuǎn)臺(tái)分機(jī)及天線(xiàn)組成。對(duì)外交聯(lián)的信號(hào)有局部基準(zhǔn)信號(hào)、時(shí)統(tǒng)信號(hào)等。研制該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，需要緊貼實(shí)際裝備，立足學(xué)員能力提升的需求，為此需要具備以下功能。

（1）顯示功能。雷達(dá)顯控臺(tái)模擬器可模擬該雷達(dá)的人機(jī)界面顯示、操作，并能獨(dú)立模擬雷達(dá)的捕獲、跟蹤過(guò)程，能在顯示器上模擬顯示出雷達(dá)的各種狀態(tài)變化，便于訓(xùn)練和操作。在各工作畫(huà)面下，提供雷達(dá)在該畫(huà)面狀態(tài)下的典型顯示數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)特征值。

（2）操控功能。針對(duì)雷達(dá)的各種操作，根據(jù)不同操控下的畫(huà)面切換顯示圖、數(shù)據(jù)變特征值、各分機(jī)控制指令典型值，提供與實(shí)裝一致的雷達(dá)操控功能。通過(guò)鍵盤(pán)、觸摸屏，能夠完成對(duì)雷達(dá)的操作、狀態(tài)設(shè)置及對(duì)各分機(jī)的控制。

（3）典型故障設(shè)置及檢測(cè)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)各分機(jī)單元級(jí)故障設(shè)置及檢測(cè)功能。完成對(duì)雷達(dá)及分機(jī)內(nèi)部主要模塊、環(huán)節(jié)進(jìn)行故障的設(shè)置規(guī)劃，并根據(jù)雷達(dá)工作原理在顯控臺(tái)對(duì)設(shè)置情況進(jìn)行檢測(cè)及典型故障現(xiàn)象顯示，能夠利用自檢和狀態(tài)回傳實(shí)現(xiàn)故障判別。

（4）雷達(dá)工作模擬。提供雷達(dá)在響應(yīng)上級(jí)系統(tǒng)指令、搜索、跟蹤、自檢、參數(shù)裝訂、幅相校正等工作狀態(tài)下的顯示數(shù)據(jù)、各分機(jī)的聯(lián)動(dòng)反應(yīng)和典型數(shù)據(jù)（或數(shù)據(jù)變化）。

（5）分機(jī)狀態(tài)模擬。參照雷達(dá)實(shí)際工作狀態(tài)，能夠?qū)Ω鞣謾C(jī)、單元顯著位置的基本狀態(tài)指示（指示燈、數(shù)值等）進(jìn)行模擬顯示，提供特征值。

（6）遠(yuǎn)程控制。通過(guò)教員控制臺(tái)能夠?qū)走_(dá)模擬器進(jìn)行簡(jiǎn)單控制、操作、設(shè)置和數(shù)據(jù)回傳等。

圖1 雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件總體拓?fù)鋱D

2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)以上功能需求，構(gòu)建符合教學(xué)訓(xùn)練要求的雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路如下。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

雷達(dá)模擬器機(jī)柜外觀要求與實(shí)際裝備1∶1完全一致，考慮模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境使用，環(huán)境適應(yīng)性要求降低了很多，因此，可采用普通厚鋼板來(lái)代替實(shí)裝的鑄鋁件，采用民品級(jí)元器件代替軍品級(jí)元器件，以降低制作成本。保留各個(gè)機(jī)柜所有的對(duì)外顯示部分（如LED指示燈）以及開(kāi)關(guān)旋鈕等部件。在信號(hào)處理機(jī)柜檢測(cè)孔，設(shè)計(jì)產(chǎn)生與實(shí)裝一致的中頻信號(hào)，能夠外接示波器進(jìn)行觀測(cè)，便于學(xué)員掌握中頻信號(hào)檢測(cè)方法，以此判斷信號(hào)處理機(jī)柜的故障產(chǎn)生原因。機(jī)柜內(nèi)部各單元，涉及到射頻信號(hào)產(chǎn)生處理的部分，其組件內(nèi)部模塊全部簡(jiǎn)化掉，只保留必要的對(duì)外交聯(lián)接口。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

要求顯控臺(tái)顯示內(nèi)容及界面與實(shí)裝一致。由于各分機(jī)并無(wú)實(shí)際射頻信號(hào)產(chǎn)生，所以在梳理各單元信號(hào)交聯(lián)關(guān)系之后，采用軟件模擬的方式，構(gòu)建射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊，使整個(gè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)形成閉環(huán)。

3 硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)功能需求及設(shè)計(jì)思路，最終實(shí)現(xiàn)的某型雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由顯控臺(tái)、教員控制臺(tái)、投影機(jī)（投影屏）、信號(hào)處理機(jī)柜、伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)柜、配電機(jī)柜、轉(zhuǎn)臺(tái)分機(jī)及高頻箱分機(jī)組成。其中顯控臺(tái)、信號(hào)處理機(jī)柜、伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)柜、配電機(jī)柜和高頻箱分機(jī)以實(shí)體形式做成與實(shí)裝1∶1的外觀。

轉(zhuǎn)臺(tái)分機(jī)控制模塊很小，與高頻箱分機(jī)合在一起，放在一個(gè)箱體中，其功能由軟件模擬實(shí)現(xiàn)。

設(shè)置教員控制臺(tái)，在此控制臺(tái)上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)外聯(lián)引導(dǎo)臺(tái)、局部基準(zhǔn)、時(shí)統(tǒng)等設(shè)備的模擬，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控雷達(dá)各分機(jī)故障設(shè)置的狀態(tài)。教員控制臺(tái)有雷達(dá)模擬系統(tǒng)上電開(kāi)關(guān)和投影上電開(kāi)關(guān)，方便控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。在控制臺(tái)上可發(fā)送雷達(dá)目標(biāo)航跡，模擬雷達(dá)搜索跟蹤目標(biāo)的整個(gè)過(guò)程。

天線(xiàn)部分，由于實(shí)裝機(jī)械部件較多，如果采用實(shí)物模擬，造價(jià)高且實(shí)際效益不大，所以采用三維數(shù)據(jù)展示的方式。天線(xiàn)的三維展示軟件也在教員控制臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果通過(guò)畫(huà)面拓展，輸出到投影機(jī)，投影在120寸投影屏上，實(shí)際效果直觀生動(dòng)。

教員控制臺(tái)與顯控臺(tái)直接通過(guò)網(wǎng)口相連，教員控制臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝8串口卡，通過(guò)串口與其他各分機(jī)直接。各分機(jī)故障設(shè)置狀態(tài)，通過(guò)串口發(fā)送給教員控制臺(tái)計(jì)算機(jī)。

顯控臺(tái)與各分機(jī)直接通過(guò)串口通信，在顯控臺(tái)也安裝1塊8串口卡，各分機(jī)的故障狀態(tài)變化在發(fā)送給教員控制臺(tái)同時(shí)，也通過(guò)串口發(fā)送給顯控臺(tái)，顯控臺(tái)以此判斷故障位置，給出不同的故障現(xiàn)象。顯控臺(tái)通過(guò)串口，將操作員指令發(fā)送給各分機(jī)。

各分機(jī)內(nèi)部的組件采用統(tǒng)一的盒體結(jié)構(gòu)+印制板的形式設(shè)計(jì)，便于模塊化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。印制板上安裝有撥碼（用來(lái)模擬故障）和接插件。為了方便設(shè)計(jì)，每個(gè)組件將統(tǒng)一大小，這樣印制板也可做成等大，所有的組件印制板將是同一種，只是定義不同。各分機(jī)內(nèi)部組件模擬器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分機(jī)組件模擬器結(jié)構(gòu)

4 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)采用了多種平臺(tái)和技術(shù)。其中教員控制臺(tái)、顯控臺(tái)軟件基于Windows系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，各分機(jī)組件模塊軟件基于RT-Thread操作系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹顯控臺(tái)軟件、雷達(dá)天線(xiàn)仿真軟件和故障設(shè)置軟件。

4.1 顯控臺(tái)軟件

顯控臺(tái)軟件是整個(gè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件的核心，顯控臺(tái)軟件構(gòu)成如圖3所示。由于雷達(dá)工作環(huán)境的特殊性，該雷達(dá)必須考慮船體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的變化，為此顯控臺(tái)模擬器要構(gòu)建船體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化產(chǎn)生模塊、仿真系統(tǒng)時(shí)間產(chǎn)生模塊、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生模塊等，其雷達(dá)目標(biāo)指示數(shù)據(jù)由教員控制臺(tái)軟件提供。

圖3 顯控臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)圖

4.2 雷達(dá)天線(xiàn)仿真

雷達(dá)天線(xiàn)是按照一定的角度范圍進(jìn)行方位和俯仰旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，天線(xiàn)軟件設(shè)計(jì)運(yùn)行周期為25 ms。方位和俯仰每個(gè)周期最大轉(zhuǎn)速為0.75°，在誤差量（命令值和當(dāng)前值差值）≥2°時(shí)，維持最大速度，在誤差量＜2°時(shí)，進(jìn)行減速。軟件基于OpenGL平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用C++語(yǔ)言進(jìn)行編程，將天線(xiàn)轉(zhuǎn)到角度與伺服驅(qū)動(dòng)模塊角度交聯(lián)，最終顯示效果通過(guò)投影機(jī)投影在大屏幕上，天線(xiàn)搜索跟蹤目標(biāo)的過(guò)程，畫(huà)面顯示轉(zhuǎn)動(dòng)角度與實(shí)際一致。

4.3 故障設(shè)置軟件

故障設(shè)置軟件的開(kāi)發(fā)，是基于在分機(jī)組件模塊模擬器上運(yùn)行RT-Thread操作系統(tǒng)。RT-Thread是國(guó)產(chǎn)的開(kāi)源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。分機(jī)組件故障設(shè)置及顯示控制軟件流程如圖4所示。

圖4 故障設(shè)置及顯示控制軟件流程圖

各分機(jī)組件模塊的故障設(shè)置，由控制板對(duì)外提供差分低電平和高電平。該電平經(jīng)傳輸后由顯控分機(jī)檢測(cè)，電平高為故障，低為正常。主CPU采集開(kāi)關(guān)狀態(tài)后，狀態(tài)有變化，則將開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)送給顯控臺(tái)，同時(shí)控制相應(yīng)的指示燈對(duì)應(yīng)變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用了“集成化、模塊化”設(shè)計(jì)方法，采用虛實(shí)結(jié)合、軟硬結(jié)合的方式，由此節(jié)約了大量的研制經(jīng)費(fèi)。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單元級(jí)仿真，穩(wěn)定度高，使用安全，設(shè)備日常維護(hù)工作量小，可獨(dú)立設(shè)置偶發(fā)性故障，單獨(dú)形成閉環(huán)，安全可靠的多次反復(fù)訓(xùn)練相關(guān)人員，可以大量節(jié)約裝備的維護(hù)經(jīng)費(fèi)。與實(shí)裝訓(xùn)練對(duì)比，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練在保證訓(xùn)練效果的基礎(chǔ)上極大地降低了日常消耗，可節(jié)約大量的軍事訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)。該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)類(lèi)似裝備模擬器的研制具有一定的參考價(jià)值。

［1］全厚德，王春平，孫書(shū)鷹，等.雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].火力指揮與控制，2002，27（2）:79-80.

［2］郭佳意，馬敏，任清安．岸基雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，34（14）：90-91.

［3］劉向君，劉忠義，周建平.潛艇雷達(dá)模擬器建設(shè)新思路[J]．潛艇學(xué)術(shù)研究，2009，27（4）:43-44.

［4］劉曦霞，陳坷.雷達(dá)裝備維修類(lèi)訓(xùn)練模擬器研制新方法[J].電腦知識(shí)，2015，11（13）:263.

〔編輯 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.52