偵察、輔助偵察和短波干擾綜合模擬訓練平臺的設(shè)計研究?

陳英豪 高美珍 李金猛 洪家平

（1.湖北師范大學計算機科學與技術(shù)學院 黃石 435002）（2.湖北師范大學物理與電子科學學院 黃石 435002）

（3.中國人民解放軍91919部隊 黃岡 438000）

1 引言

模擬訓練以安全、經(jīng)濟、可控、可重復、無風險、不受氣候條件和場地空間限制、既能進行常規(guī)操作訓練，又能培養(yǎng)應(yīng)對各種事故的能力，以及訓練的高效率、高效益等獨特優(yōu)勢，一直受到各國軍方的高度重視［1］，特別是當前軍費縮減、武器裝備日趨復雜和兵器采辦費用不斷增加的情況下，世界各國軍事部門均將模擬訓練視為軍事訓練必不可少的甚至是唯一安全、經(jīng)濟而有效的工具和手段加以重點發(fā)展［2］。模擬訓練系統(tǒng)是目前各國軍隊大力發(fā)展的技術(shù)之一。美國早在1983 年開發(fā)出了“平臺級的分布交互式仿真協(xié)議”。1995 年后，美軍為了解決整個國防領(lǐng)域里的多種模型、仿真系統(tǒng)和C4I系統(tǒng)的互聯(lián)互操作問題，又開發(fā)出“高層體系結(jié)構(gòu)”（High Level Architecture，HLA）。再進一步則是開發(fā)在HLA 基礎(chǔ)之上的“分布交互式仿真協(xié)議”DIS++［3］。

我國是發(fā)展和應(yīng)用模擬訓練技術(shù)較早的國家之一，先后研制成功了各種配套的飛行模擬器、防空導彈武器指揮控制模擬訓練系統(tǒng)。20世紀90年代在分布式交互仿真（DLS）、虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)和計算機生成兵力（CGF）技術(shù)等方面的研究和應(yīng)用上獲得了跨越式發(fā)展，例如:某軍區(qū)成功研制了某型號飛行模擬訓練器，建成了基于DLS 和HLA 混合體系結(jié)構(gòu)和虛擬戰(zhàn)場環(huán)境與人在回路的綜合防空多武器平臺仿真示范系統(tǒng)［4］。利用計算機進行載機建模、多目標仿真、DirectDraw 技術(shù)仿真生成雷達圖像的機載火控雷達模擬訓練器等［5］。

但是，目前的模擬訓練器，主要偏向主戰(zhàn)裝備（如坦克、飛機、槍械等），對于技術(shù)裝備的訓練，還有很大的缺陷。目前在“模擬訓練”上仍然存在的“散”、“差”、“窄”、“少”等問題，極大影響和制約模擬訓練器/系統(tǒng)的迅速發(fā)展［6～7］，而作為戰(zhàn)時主要通信工具的短波通信其相應(yīng)的模擬訓練器還未出現(xiàn)在部隊的訓練體系中［8］。

通信對抗在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中扮演著非常重要的角色，而通信偵察與干擾作為通信對抗領(lǐng)域中最主動、最積極和最富有進攻性的一個重要方面［9］，影響自然不言而喻。同時，現(xiàn)在又是信息膨脹的時代，所以，在信息化戰(zhàn)場上準確可靠獲取敵方信息的偵察技術(shù)與破壞、攻擊敵方信息的干擾技術(shù)將在戰(zhàn)爭中起到不可估量的積極作用［10］。因此，加強對通信偵察與干擾的訓練，讓大家熟練感知通信偵察與干擾的對抗效果，在戰(zhàn)時能及時反應(yīng)、及時辨別，并為采取有效的通信對抗措施做出正確的輔助決策就顯得尤為重要［11］。

本文針對短波通信對抗業(yè)務(wù)訓練需求，為提高通信訓練水平，減少對現(xiàn)有設(shè)備的磨損，設(shè)計了一種集偵察、輔助偵察與干擾于一體的短波綜合模擬訓練平臺。

2 系統(tǒng)總體方案

偵察、輔助偵察和干擾綜合模擬訓練平臺系統(tǒng)整體設(shè)計功能框圖如圖1 所示。由教控臺、偵察機柜模擬系統(tǒng)、輔助偵察機柜模擬系統(tǒng)和干擾機柜模擬系統(tǒng)四部分組成。其中偵察機柜模擬系統(tǒng)由短波數(shù)字搜索顯示模塊、通信信息處理模塊、信號源生成模塊、面板控制功能模塊組成；輔助偵察機柜模擬系統(tǒng)由綜合顯控功能模塊、短波數(shù)字分析接收機模塊、面板控制功能模塊組成、面板控制單元組成；干擾機柜模擬系統(tǒng)由干擾柜模擬臺面板控制功能模塊和干擾機柜面板控制單元組成。

3 軟件開發(fā)平臺和開發(fā)工具

本方案所采用的開發(fā)平臺為Windows 操作系統(tǒng)，幵發(fā)工具為Visual C++及Matlab，Matlab 具有強大的科學計算與可視化功能及簡單易用的開放式、可擴展環(huán)境以及多達30 多個面向不同領(lǐng)域而擴展的工具箱支持，這使得Matlab 在許多學科領(lǐng)域中成為計算機輔助設(shè)計與分析、算法研究和應(yīng)用開發(fā)的基本工具和首選平臺。Mathworks 公司為Matlab提供了多種應(yīng)用程序接口，允許Matlab和其它應(yīng)用程序進行數(shù)據(jù)交換，并且提供了數(shù)學和圖形函數(shù)庫，為在其他程序設(shè)計語言中調(diào)用Matlab的高效算法提供了可能。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

Visual C++語言是新一代的基于面向?qū)ο螅∣OP）概念的高級程序設(shè)計語言，它的面向?qū)ο蟾拍罡臃铣绦騿T開發(fā)軟件的思維習慣。類封裝、多態(tài)及繼承派生的技術(shù)非常適合軟件的移植和維護，因此使用Visual C++作為開發(fā)工具有助于提高軟件工程的質(zhì)量。

在本方案中Matlab 與Visual C++結(jié)合起來，實現(xiàn)混合編程，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，將對在規(guī)定的時限完成模擬系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試起到極大的推動作用［12］。

4 系統(tǒng)各組成模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 短波數(shù)字搜索顯示模塊

本模塊實現(xiàn)對短波搜索接收機的模擬仿真，其硬件組成如圖2 所示，包括顯示及控制部分，實現(xiàn)模擬搜索接收機顯示面板功能。

該模塊軟件部分功能為:模擬搜索接收機實裝操作功能；模擬系統(tǒng)內(nèi)部通信，完成綜合顯控設(shè)備對分機的遠程控制和通信。其軟件模塊由裝備訓練模擬與訓練考核通信兩大子模塊組成，前者包含信號搜索、ALE信號搜索、界面菜單模擬、信號瀑布圖顯示與信號參數(shù)設(shè)置等功能，后者主要由模擬信號接收、系統(tǒng)內(nèi)部控制、用戶操作記錄與用戶操作上報等功能。

4.2 通信信息處理功能模塊

該部分模塊用于實現(xiàn)在不同環(huán)境下的通信信號模擬，以及模擬對通信信號的檢測、識別、特征分析以及參數(shù)提取，其軟件模塊主要由短波通信信道模擬與通信信號處理兩部分組成，前者主要模擬了多普勒頻移與擴展、多徑時延以及高斯白噪聲等信道特性，后者包括了通信信號的檢測、設(shè)別、特征分析以及參數(shù)提取。

圖2 短波數(shù)字搜索顯示模塊硬件組成圖

該模塊軟件根據(jù)不同的需求設(shè)計相應(yīng)的界面及子程序模塊實現(xiàn)整個模塊的功能。它采用多線程方式來并行執(zhí)行。系統(tǒng)軟件啟動后，首先對軟件進行初始化設(shè)置，如網(wǎng)絡(luò)通信中相關(guān)協(xié)議、本地地址、本地端口、遠端地址、遠端端口等初始化；然后與教練臺等工控機進行網(wǎng)絡(luò)連接，如果連接成功，則可進行數(shù)據(jù)交互和通信。

4.3 信號源生成模塊

該模塊有背景信號生成子模塊、目標信號生成子模塊組成，用于模擬真實中的背景信號和目標信號，其軟件主要由背景信號生成子模塊與目標信號生成子模塊組成，背景信號生成子模塊模擬背景噪聲環(huán)境、提供動態(tài)背景信號，目標信號生成子模塊包括信號生成方案編輯、信號實時處理與信號狀態(tài)記錄。

在本方案中Matlab 與Visual C++通過混合編程可較容易實現(xiàn)背景信號生成子模塊、目標信號生成子模塊的功能。

根據(jù)國軍標GJB2077-94 規(guī)定，調(diào)制解調(diào)方式采用低速的8FSK調(diào)制方式。多元FSK方式具有簡單的調(diào)制方式和較強的抗干擾和衰落性能，是目前各種ALE系統(tǒng)完成通信聯(lián)絡(luò)的首選方式。

4.4 各機柜面板控制功能模塊

偵察機柜面板控制功能模塊實現(xiàn)對面板控制部分模擬，由控制子模塊及鍵盤、輸入子模塊、輸出子模塊組成，其組成如圖2 短波數(shù)字搜索顯示模塊硬件組成圖所示。

干擾機模擬臺面面板控制功能模塊主要實現(xiàn)對控制電路的模擬仿真，主要由輸入子模塊、輸出模塊及控制子模塊構(gòu)成；輔助偵察機柜模擬臺面面板控制功能模塊主要實現(xiàn)模擬臺面板控制功能的模擬仿真，主要由輸入子模塊、輸出模塊及控制子模塊構(gòu)成。其硬件組成均如圖2所示。

4.5 綜合顯控功能模塊

該模塊主要實現(xiàn)對綜合顯控臺的模擬仿真，主要由狀態(tài)指示模塊、顯示模塊及控制子模塊構(gòu)成，其硬件組成如圖2 所示。該模塊軟件由裝備功能模擬子模塊與數(shù)據(jù)庫管理子模塊組成，裝備功能模擬子模塊主要模擬實裝軟件與系統(tǒng)內(nèi)部通信。

綜合顯控功能模塊操作界面采用搜索接收機前面板真實照片，模擬出真實搜索接收機界面，通過鼠標對搜索接收機進行操作。在鼠標上對搜索接收機進行操作時，獲取鼠標的位置信息，判斷鼠標位置對應(yīng)模擬搜索接收機的位置，針對不同的位置，對模擬搜索接收機的按鍵或旋鈕開關(guān)顯示效果以及顯示屏顯示內(nèi)容進行處理。不同的旋鈕開關(guān)狀態(tài)可以通過現(xiàn)場拍攝實裝設(shè)備照片實現(xiàn)，采用Visual C++圖形處理技術(shù)設(shè)置按鍵按下的效果，設(shè)計用戶規(guī)定的搜索接收機顯示屏的效果和內(nèi)容。數(shù)據(jù)庫采用SQL 5.1 MySQL。

4.6 短波數(shù)字分析接收機模塊

該模塊主要實現(xiàn)對短波數(shù)字分析接收機的模擬仿真，硬件主要由顯示子模塊及控制子模塊構(gòu)成，其軟件由裝備功能模擬子模塊與訓練考核通信子模塊組成，裝備功能模擬子模塊模擬分析接收機實裝功能與系統(tǒng)內(nèi)部通信。

短波數(shù)字分析接收機模塊軟件是基于平臺Windows操作系統(tǒng)、應(yīng)用工具Visual C++開發(fā)的，根據(jù)用戶需求，將本模塊軟件劃分為若干功能子模塊，根據(jù)不同的模塊設(shè)計相應(yīng)的功能界面并配合數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實現(xiàn)整個模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，具體方法同綜合顯控功能模塊軟件設(shè)計。

4.7 輔助偵察機柜、干擾機柜面板控制單元

輔助偵察機柜面板控制單元主要實現(xiàn)輔助偵察機柜面板控制功能的模擬仿真，主要由輸入子模塊、輸出模塊及控制子模塊構(gòu)成，其硬件組成如圖2所示。

干擾機柜面板控制單元主要實現(xiàn)干擾機柜面板控制功能的模擬仿真，主要由薄膜鍵盤、數(shù)碼管顯示模塊及控制模塊構(gòu)成。

4.8 技術(shù)保障功能模塊

技術(shù)保障功能模塊主要完成設(shè)備資料、故障案例、維修訓練系統(tǒng)的管理、對設(shè)備名稱、型號相關(guān)資料、維修資料、設(shè)備維護保養(yǎng)相關(guān)進行完善、存儲；根據(jù)專家在與用戶交流設(shè)備故障，對設(shè)備進行診斷的過程中，對案例庫不斷更新完善。

開發(fā)技術(shù)保障功能模塊使用Visual C++編程語言，采用了常用的ODBC 技術(shù)［13］，數(shù)據(jù)庫設(shè)計采用My SQL。開發(fā)技術(shù)保障功能模塊由三個部分構(gòu)成，分別是設(shè)備資料管理子模塊、故障案例庫子模塊、系統(tǒng)管理子模塊。

5 結(jié)語

面對未來的戰(zhàn)場，一方面，戰(zhàn)爭的信息化程度更高、通信對抗程度更加激烈，另一方面，在平時的備戰(zhàn)打仗更應(yīng)該真抓實干、緊貼實戰(zhàn)。只有平時在訓法上下足功夫，戰(zhàn)時才更能遂行打贏任務(wù)?；谕ㄐ艑沟亩滩ňC合模擬訓練平臺的研制與列裝將為我軍戰(zhàn)斗力的切實提高發(fā)揮到應(yīng)有的貢獻。