基于LORA通信的模擬實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)

陳水燕

摘要：模擬實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)是以武器裝備性能模擬和戰(zhàn)場環(huán)境模擬為重點(diǎn)，突出對指揮控制、部隊(duì)行動和裝備作戰(zhàn)效果等交戰(zhàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，支撐部隊(duì)開展戰(zhàn)術(shù)對抗演習(xí)活動，檢驗(yàn)單兵作戰(zhàn)能力、戰(zhàn)術(shù)對抗能力和體系作戰(zhàn)能力的訓(xùn)練系統(tǒng)。為解決目前通信系統(tǒng)基站覆蓋范圍小，通信易受干擾，系統(tǒng)部署成本高等問題，本文設(shè)計(jì)了基于LORA通信的模擬實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過LORA通信終端將模擬終端的狀態(tài)及模擬交戰(zhàn)事件發(fā)送到LORA網(wǎng)關(guān)，LORA網(wǎng)關(guān)將狀態(tài)和事件數(shù)據(jù)傳送到導(dǎo)控軟件，導(dǎo)控軟件也可以通過LORA網(wǎng)關(guān)下發(fā)指令，對模擬終端進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)調(diào)控制。經(jīng)測試，單LORA網(wǎng)關(guān)基站可以覆蓋通視3km范圍，實(shí)現(xiàn)100個(gè)實(shí)兵交戰(zhàn)系統(tǒng)終端95%以上的在線率，較好的滿足了使用單位的需求。

關(guān)鍵詞：基于LORA通信;模擬實(shí)兵;對抗訓(xùn)練系統(tǒng)

引言

模擬實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)是以武器裝備性能模擬和戰(zhàn)場環(huán)境模擬為重點(diǎn)，突出對指揮控制、部隊(duì)行動和裝備作戰(zhàn)效果等交戰(zhàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，支撐部隊(duì)以“實(shí)兵、實(shí)裝、虛彈”方式開展戰(zhàn)術(shù)對抗演習(xí)活動，檢驗(yàn)單兵作戰(zhàn)能力、戰(zhàn)術(shù)對抗能力和體系作戰(zhàn)能力的訓(xùn)練系統(tǒng)。傳統(tǒng)的通信方式為3G，4G，數(shù)傳電臺等，有通信覆蓋范圍小，通信易受干擾，系統(tǒng)部署成本高等問題。

本文針提出了一套基于Lora通信的模擬實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)。系統(tǒng)利用Lora通信模塊通信距離遠(yuǎn)、繞射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜訓(xùn)練環(huán)境下長距離、大面積通信覆蓋，在模擬實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)上應(yīng)用具有一定的創(chuàng)新意義。

1 Lora無線技術(shù)

無線傳輸模式，相較于有線傳輸模式有綜合成本低，可維護(hù)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。常見的無線傳輸方案有GPRS，WiFi，Zigbee，藍(lán)牙以及新興的Lora。

使用運(yùn)營商提供的GPRS，3G或4G等無線通信網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)是需要向通信運(yùn)營商繳納資費(fèi)，運(yùn)營商基站覆蓋范圍也限制使用場景。WiFi，Zigbee和藍(lán)牙協(xié)議無需運(yùn)營商基站支持，其缺點(diǎn)就是這3種通信方式的通信范圍都非常有限，僅幾百米到幾十米，只適合于小范圍內(nèi)組網(wǎng)通信，不適合長距離組網(wǎng)通信。

Lora通信技術(shù)LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性?；诎l(fā)展完備的數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)和向前糾錯(cuò)編碼技術(shù)等傳統(tǒng)無線通信技術(shù)，使用免授權(quán)的ISM頻段。

2總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括單兵模擬終端，通信網(wǎng)關(guān)和導(dǎo)控軟件組成。按層關(guān)系級劃分，如下圖所示

模擬終端定時(shí)上報(bào)身份信息，位置，攜帶武器，剩余彈量等狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，在模擬交戰(zhàn)時(shí)，實(shí)時(shí)上傳中彈，傷亡等事件信息數(shù)據(jù)。模擬終端屬于模擬實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)的終端感知層，主要實(shí)現(xiàn)武器裝備火力打擊性能的模擬，體現(xiàn)紅藍(lán)雙方火力打擊行動、交戰(zhàn)關(guān)系和對各類目標(biāo)的綜合毀傷效果，為部隊(duì)實(shí)兵演習(xí)提供自主對抗手段。導(dǎo)控軟件主要功能是實(shí)現(xiàn)模擬交戰(zhàn)方案編制，交戰(zhàn)控制，導(dǎo)調(diào)裁決，交戰(zhàn)態(tài)勢顯示，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)存儲。通信網(wǎng)關(guān)視模擬實(shí)兵交戰(zhàn)場地的地形，布置在合適的位置，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)覆蓋，用于模擬終端與導(dǎo)控軟件之間信息數(shù)據(jù)的“上傳下達(dá)”。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1終端設(shè)計(jì)

模擬終端由穿戴背甲，頭盔和激光模擬武器組成。頭盔包含命中激光接收器，定位模塊，藍(lán)牙模塊，發(fā)煙裝置等功能模塊。穿戴背甲包含命中接收探頭，通信模塊，藍(lán)牙模塊等功能模塊。激光模擬武器包含編碼激光器，藍(lán)牙模塊，扳機(jī)觸發(fā)器等功能模塊。

由于終端上的主控芯片需要處理各個(gè)分模塊的數(shù)據(jù)，所以選擇高性能的STM32F103系列ARM單片機(jī)。ARM處理器為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的引腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。

本設(shè)計(jì)中選用的定位模塊是一款類G-MOUSE衛(wèi)星接收器，是一個(gè)完整的雙星定位接收機(jī);內(nèi)置衛(wèi)星接收天線，具有全方位高精度定位功能。

通過軟件算法技術(shù)創(chuàng)新，使體系定位精度可以達(dá)到靜態(tài)小于5米，動態(tài)小于3米。

Lora通信模塊選用Semtech公司SX1268射頻芯片，具有多種工作模式，工作在（410～490MHz）頻段，Lora擴(kuò)頻技術(shù)。該擴(kuò)頻技術(shù)與傳統(tǒng)SX1278方案相比，傳輸距離更遠(yuǎn)，速度更快，功耗更低，體積更小。

激光采用980nm工作波長。980nm波長陽光輻射強(qiáng)度小，傳感器背景噪聲小，有利于可靠通信;980nm波長處于較理想的大氣窗口，大氣衰減小，有利于可靠通信;硅光電傳感器對980nm波長激光信號光電轉(zhuǎn)換效率更高。

模擬終端的頭盔，背甲和激光模擬武器之間數(shù)據(jù)交互是通過藍(lán)牙模塊來實(shí)現(xiàn)的。采用高度集成的藍(lán)牙低功耗模塊，模塊間主從關(guān)系配對使用，最高支持一主七從，可以擴(kuò)展配對使用多個(gè)模擬器材。

3.2通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

通信網(wǎng)關(guān)由供電電路和處理控制單元組成。處理控制單元包括Lora核心板和串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊。

處理控制單元中，Lora網(wǎng)關(guān)選用SX1302核心板，標(biāo)準(zhǔn)MiniPCI-e接口，SPI接口，模組內(nèi)置PA和LNA，半雙工設(shè)計(jì)，搭載前端SX1250，可以支持?jǐn)U頻因子SF5～SF12。相比上一代SX1301，可支持更高速率的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)功耗大幅降低，性能顯著提高。

串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊集成10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，串口通信最高波特率高達(dá)1.152Mbps，具有TCPClient/Server，UDP工作模式，可通過軟件配置、AT命令配置和網(wǎng)頁配置。

3.3導(dǎo)控軟件設(shè)計(jì)

實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)導(dǎo)控軟件用于實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練全過程管理，能夠進(jìn)行訓(xùn)前數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、訓(xùn)中導(dǎo)調(diào)監(jiān)控和訓(xùn)后分析評估。訓(xùn)前數(shù)據(jù)準(zhǔn)備能夠維護(hù)部隊(duì)編制、武器裝備以及激光交戰(zhàn)設(shè)備，并提供訓(xùn)練方案的管理維護(hù)功能，為實(shí)兵對抗的開展提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);訓(xùn)中導(dǎo)調(diào)監(jiān)控支持組訓(xùn)人員啟動、停止實(shí)兵訓(xùn)練，支持組訓(xùn)人員實(shí)時(shí)監(jiān)視戰(zhàn)場態(tài)勢和戰(zhàn)果戰(zhàn)損，支持組訓(xùn)人員根據(jù)訓(xùn)練需要動態(tài)控制激光交戰(zhàn)終端，并訓(xùn)練結(jié)束后保存訓(xùn)練數(shù)據(jù);訓(xùn)后分析評估支持組訓(xùn)人員結(jié)合評估指標(biāo)進(jìn)行訓(xùn)練過程的復(fù)盤講評，提供受訓(xùn)部隊(duì)同單位歷年訓(xùn)練數(shù)據(jù)的縱向評價(jià)和多單位同年數(shù)據(jù)的橫向比較，為部隊(duì)的訓(xùn)練講評提供全維度的數(shù)據(jù)支撐。

訓(xùn)練環(huán)境啟動，啟動數(shù)據(jù)采集子軟件，采集各類訓(xùn)練設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)，確保軟硬件系統(tǒng)處于訓(xùn)練準(zhǔn)備狀態(tài)。實(shí)兵訓(xùn)練開始，在導(dǎo)調(diào)控制子軟件中，控制訓(xùn)練開始，啟動調(diào)度引擎，激活各類交戰(zhàn)模擬終端。在態(tài)勢顯示子軟件中，實(shí)時(shí)監(jiān)控戰(zhàn)場態(tài)勢、設(shè)備狀態(tài)并統(tǒng)計(jì)紅藍(lán)雙方的戰(zhàn)果戰(zhàn)損，支持組訓(xùn)人員準(zhǔn)確掌握訓(xùn)練情況，并能根據(jù)訓(xùn)練需要進(jìn)行導(dǎo)調(diào)控制。實(shí)兵訓(xùn)練結(jié)束，停止調(diào)度引擎，鎖定各類交戰(zhàn)設(shè)備，保存交戰(zhàn)數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)測試

2020年8月，在云南省曲靖市某地，部署實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)，用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。場地長寬各約3公里，面積約為10平方公里，場地內(nèi)有山丘，灌木，樹林等。Lora模塊空中速率設(shè)置為2.5kbps，發(fā)送功率為30dbm，天線為2db柔性棒狀天線。Lora網(wǎng)關(guān)發(fā)送功率27dbm，天線為1.5米6db玻璃鋼天線。通信網(wǎng)關(guān)Lora天線安裝在5米高三腳支架上，選擇訓(xùn)練場中央的高地位置安裝以實(shí)現(xiàn)對移動的模擬終端進(jìn)行良好的覆蓋。

實(shí)測模擬終端距離Lora網(wǎng)關(guān)2Km距離，終端可以收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)也收到終端每秒一包的狀態(tài)上傳數(shù)據(jù)。測試結(jié)果是Lora網(wǎng)關(guān)可以覆蓋不小于3km直徑的區(qū)域。

組織紅藍(lán)雙方各投入50個(gè)模擬終端，終端數(shù)據(jù)上傳周期為1秒，檢測100個(gè)終端狀態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)置離線判定條件為連續(xù)10秒收不到終端上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)。終端在距離通信網(wǎng)關(guān)2km范圍內(nèi)移動，動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控結(jié)果是在線率大于95%。

5結(jié)果與討論

本文對基于Lora通信設(shè)計(jì)的模擬實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)在野外場地進(jìn)行信，覆蓋范圍測試。測試表明，通信網(wǎng)關(guān)可以覆蓋復(fù)雜地形環(huán)境下不小于3Km范圍，終端在線率達(dá)到95%以上，可以很好的滿足小規(guī)模分隊(duì)訓(xùn)練演習(xí)的需求，成本低，布置機(jī)動靈活。使用中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)仍然存在不足，如地下室或者坑道，山洞，建筑物后方等如果距離通信網(wǎng)關(guān)較遠(yuǎn)，就會無法覆蓋或者覆蓋不佳。隨著終端數(shù)量的增加，會出行上行數(shù)據(jù)擁堵而發(fā)生狀態(tài)數(shù)據(jù)上行丟包的問題，導(dǎo)致在線率下降。BA5BB3C3-5F6D-449F-9E07-509332AB2AFC