基于雷達實時化的模擬訓練評估平臺研究與實踐

關鍵詞：模擬訓練；雷達裝備；實時化；訓練評估；訓練場景

中圖法分類號：TN957 文獻標識碼：A

1研究背景及主要內容

本文研究的是用戶的靶場測控設備，包括連續(xù)波測速雷達、單雷達、遙測設備等。在執(zhí)行任務的過程中，目標信息復雜，尤其在發(fā)射初期，目標姿態(tài)、機動性變化多，對設備人員的操作能力有較高要求。

為了全面提升測控設備崗位人員對設備的操作、跟蹤捕獲能力，對崗位操作人員多次進行了低成本、可反復、可量化操作效果的實時化訓練，其中針對性地解決如下問題：（1）提供一個實時化訓練評估的場景，解決設備跟蹤、設備缺乏檢測環(huán)境的問題；（2）針對多種設備，解決設備陌生地域參試野外無依托標校問題；（3）解決崗位人員訓練效果無法量化評價問題；（4）解決崗位人員訓練無法閉環(huán)控制的問題；（5）將人員跟蹤訓練從理論學習為主轉移到理論實裝為主的模式上；（6）將人員考核方式從理論學習為主轉移到理論實操并重上；（7）針對任務不可復制的特點，通過程控或人工操作無人機，提高訓練的針對性及有效性；（8）針對傳統(tǒng)訓練方法、訓練效果難以定量評價的劣勢，通過實時和事后處理軟件對各跟蹤結果進行處理，給出量化評價，明確薄弱環(huán)節(jié)和改進措施。

2研究目標

研制一套基于雷達動態(tài)目標跟蹤控制和操作訓練考核分析評估系統(tǒng)，主要包含無人機、測控設備載荷、訓練評估系統(tǒng)、測控設備仿真訓練系統(tǒng)等要素，組成測控設備訓練系統(tǒng)以及全真模擬測控設備跟蹤飛行器的訓練環(huán)境和場景。

2.1創(chuàng)建貼近的雷達跟蹤環(huán)境場景

利用無人機平臺搭載測控和遙測設備有效載荷，模擬火箭目標飛行：通過控制無人機飛行路徑和載荷控制參數(shù)，實現(xiàn)測控設備跟蹤環(huán)境信號的模擬；設備跟蹤動態(tài)無人機載荷，實現(xiàn)設備動態(tài)目標跟蹤訓練。

2.2創(chuàng)建科學有效的訓練評估體系

利用無人機實現(xiàn)飛行目標及飛行特征的模擬，實現(xiàn)單臺設備跟蹤捕獲訓練和多臺多種類設備的聯(lián)演聯(lián)訓。

2.3建立考核評估分系統(tǒng)

建立科學的考核評估標準，實現(xiàn)操作人員模擬訓練的精確量化評估，針對訓練的薄弱環(huán)節(jié)提出改進意見。

2.4建立具備野外無依托設備角度標校參試

能力

利用無人機的準懸停和機載GNSS終端RTK精確定位技術，模擬設備防衛(wèi)標校，實現(xiàn)機動設備角度快速無塔標校。

2.5建立協(xié)同訓練模式

基于站內聯(lián)試流程，將訓練內容融入模擬數(shù)據(jù)檢查聯(lián)試流程；在保持現(xiàn)有崗位基礎上，增設無人機操作手崗位，同時設置考核評估組，對系統(tǒng)考核結果進行分析判定，形成各個崗位的訓練考核報告，使訓練準備、訓練實施、訓練考核形成閉環(huán)。

3研究方法

系統(tǒng)遵循“適用、可靠、先進、經濟”的原則。（1）采用先進和可靠的技術，以確保設備的穩(wěn)定性與可靠性；（2）確保與現(xiàn)有參試系統(tǒng)有良好的兼容性和系統(tǒng)工作可靠性；（3）計算機設備采用國產化產品，軟件采用自主可控系統(tǒng)，減少信息安全風險，并與后續(xù)中心信息系統(tǒng)相兼容：軟件設計開發(fā)嚴格遵守CMMI軟件研制能力成熟度模型，滿足安全保密要求；（4）設備軟硬件設計要貫徹“通用化，系列化，模塊化”設計思想，以達到結構緊湊，使用維護方便的要求。

3.1無人機分系統(tǒng)

3.1.1旋翼式無人機功能性要求

多旋翼無人飛行器是一種以多個旋翼為動力裝置，能夠垂直起降的飛行器。多旋翼無人飛行器通常裝有三個及以上旋翼，利用空氣動力克服自身重量的影響，可自主或遙控飛行，能攜帶各種任務設備，并可多次回收使用。

多旋翼是通過改變不同旋翼之間的相對轉速，以及單軸推進力的大小，從而控制飛行器的運動軌跡。對場地的要求簡單。

多旋翼無人飛行器具有固定翼無人飛行器難以比擬的優(yōu)點——能夠適應各種復雜環(huán)境：具備垂直起降能力，并能自主起飛和著陸，對起降場地條件的要求極低；高度智能化，使飛機操縱變得極為簡單，甚至不需要經過專業(yè)培訓就可以操控消費類多旋翼無人飛行器；飛行動作靈活，能以懸停、前飛、側飛、倒飛等各種姿態(tài)飛行；制作容易、成本低廉，模塊化結構使非專業(yè)人員也能動手制作飛機；攜帶方便，機動性、隱蔽性強。這些優(yōu)點決定了多旋翼無人飛行器比固定翼無人飛行器具有更廣闊的應用前景，它不僅可以在室外飛行，也適合在狹小的室內空間中使用，特別是在人員難以接近或到達的工作環(huán)境中，也可以進行廣泛應用，而固定翼無人飛行器卻無法滿足這樣的需求。

3.1.2技術參數(shù)

（1）具有一鍵起飛、一鍵降落、一鍵返航、空中定點、超視距航線飛行等功能；（2）控制方式多樣，包括手動控制和自主飛行，支持航線自主飛行、一鍵返航等飛行方式，降低對飛機操作控制人員的要求；（3）具有任務航線規(guī)劃、返航航線規(guī)劃、差分定位等功能；（4）具備機載數(shù)據(jù)記錄功能；（5）具備自檢保護、電量告警、失聯(lián)保護等安全功能；（6）無人機和地面控制端通過無線數(shù)據(jù)鏈路通信，任務載荷與無人機地面控制子系統(tǒng)采用無線通信，用于任務數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和命令的交互；（7）每架無人機配備飛控便攜式終端，具備野外機動參試能力。

3.2載荷分系統(tǒng)

載荷分系統(tǒng)主要實現(xiàn)與地面單雷達、遙測雷達和連續(xù)波雷達進行信號交互。雷達和遙測設備裝載在無人機上，通過載荷控制設備實時化訓練信號模擬。分系統(tǒng)主要功能包括接收、應答及轉發(fā)連續(xù)波雷達的發(fā)射信號，并配合其完成自跟蹤調整等性能檢測功能；接收及延時轉發(fā)雷達的發(fā)射信號，并配合其完成幅相一致性等性能檢測功能。

3.3訓練考核分系統(tǒng)

3.3.1主要功能

訓練評估分系統(tǒng)能實現(xiàn)考核任務的參數(shù)配置、數(shù)據(jù)收發(fā)、任務調度、考核評分。具體功能有基礎配置項，如站點維護、設備維護、組播服務配置、無人機參數(shù)配置；考核任務配置項，如模擬器考核參數(shù)配置、無人機考評參數(shù)配置、訓練仿真考核參數(shù)配置、設備數(shù)據(jù)的接收、解碼，發(fā)送、無人機數(shù)據(jù)的接收、轉碼，發(fā)送、載荷數(shù)據(jù)的接收、轉碼，發(fā)送、仿真操作臺數(shù)據(jù)接收，轉發(fā)、模擬波形數(shù)據(jù)接收和轉發(fā)；任務考核統(tǒng)計功能，根據(jù)考核記錄的數(shù)據(jù)進行評分，并生成統(tǒng)計結果報告。

訓練評估模塊主要包括訓練評估服務器、訓練評估客戶端（BS客戶端、Qt客戶端）、無人機模塊、載荷模塊等部分，具體組成如圖1所示。

訓練評估客戶端分為BS客戶端和Qt客戶端兩部分。其中，BS客戶端為異步工作模式，主要完成訓練科目配置、站點信息維護等操作。Qt客戶端用來控制任務開始及任務過程中各種實時參變量的顯示。

訓練評估服務器主要完成數(shù)據(jù)接收、解析、存儲、算法等相關工作，包括PDXP數(shù)據(jù)包解析、坐標轉換、訓練腳本生成、訓練分數(shù)評估等。同時，訓練評估服務器負責數(shù)據(jù)庫搭建，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時存儲。

無人機模塊主要實現(xiàn)掛載載荷飛行，在訓練過程中實現(xiàn)方位角（Azimuth Angle）和俯仰角（Elevation Angle）模擬。

載荷部分包括單應答機、連續(xù)波應答機、遙測應答機、龍伯球和角反射體。其中，單應答機、連續(xù)波應答機、遙測應答機集成在一起，實現(xiàn)統(tǒng)一掛載飛行。

3.3.2訓練考核分系統(tǒng)組成

訓練考核分系統(tǒng)硬件組成主要如下。

（1）數(shù)據(jù)服務器中心：負責對地面測控設備的各種訓練考核的過程數(shù)據(jù)和結果數(shù)據(jù)進行保存，其中主要以數(shù)據(jù)庫或者數(shù)據(jù)文件方式進行保存，為訓練考核人員的評估提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）訓練考核業(yè)務評估數(shù)據(jù)終端。

（3）任務規(guī)劃員：依據(jù)綜合訓練考核要求，規(guī)劃考核內容，下發(fā)考核科目和考核標準，完成對訓練考核的任務規(guī)劃。

（4）調度指揮員：依據(jù)任務規(guī)劃員給定的規(guī)劃內容，對總體人員的協(xié)調調度進行考核訓練，包括各個分系統(tǒng)工作人員的安排、操作要求和操作流程，完成整個考核訓練系統(tǒng)的準備、實施和事后環(huán)節(jié)。

（5）考核操作員：依據(jù)考核調度員給定的考核科目和考核標準，進行現(xiàn)場實時訓練操作考核，并實時記錄訓練考核數(shù)據(jù)。

（6）保持各參訓設備使用要求不變。

（7）在無人機地面站新增無人機操控席位，主要職責為檢查、監(jiān)視無人機狀態(tài)，操控無人機飛行，在緊急情況下進行人工干預，確保無人機飛行安全。

（8）訓練中心新增訓練監(jiān)控席位，主要職責為監(jiān)視無人機飛行狀態(tài)，判斷特情并協(xié)助無人機操控員進行處理、監(jiān)視任務載荷狀態(tài)，根據(jù)訓練任務要求，確定載荷使用規(guī)則、鏈路狀態(tài)和設備管理等。

（9）在各訓練設備上的操作席位新增訓練職責，接收裝載訓練模擬數(shù)據(jù)，訓練準備應答，訓練時實時操作設備，完成異?？颇肯吕走_跟蹤操作，將相關數(shù)據(jù)實時傳送至訓練中心，訓練完畢后查看訓練結果和建議。

（10）利用訓練中心自動化指揮控制功能，或原有的訓練指揮調度席位，主要職責為訓練調度指揮，訓練異常處置指揮、訓練情況收集及訓練視頻監(jiān)視。

3.3.3分模塊功能

（1）訓練規(guī)劃模塊

主要完成以下幾個訓練考核內容：無人機航跡規(guī)劃；訓練數(shù)據(jù)、訓練科目規(guī)劃，一次訓練包含正常飛行數(shù)據(jù)和不少于5個訓練異?？颇浚柧氁?guī)劃依據(jù)訓練零時進行規(guī)劃：科目評估標準規(guī)劃，評估標準包含正?？颇吭u估標準和異?？颇吭u估標準：參訓設備選擇、訓練科目選擇，異常科目選擇等。

（2）訓練調度指揮模塊

建設自動化訓練指揮系統(tǒng)，發(fā)布訓練開始和訓練結束指令，訓練開始時系統(tǒng)發(fā)出訓練零時：訓練設備接收到訓練指令后進行響應；具備訓練復演功能；無人機飛行異常情況下應急指揮。

（3）信息處理模塊

坐標轉換；數(shù)據(jù)量綱復原，記錄和網(wǎng)絡轉發(fā)；訓練數(shù)據(jù)插值與擬合；數(shù)據(jù)量偏差、隨機差計算；各雷達異?？颇磕Ｐ驮O置：向訓練設備實時轉發(fā)無人機位置信息并作為設備引接信息源。

（4）考核過程顯示模塊

顯示絕對時間、訓練開始時間及相對時間；顯示無人機飛行信息、實時圖像及鏈路信息等；顯示測控載荷狀態(tài)信息；顯示訓練規(guī)劃設計信息；顯示參訓數(shù)據(jù)鏈路通斷、設備測量和狀態(tài)信息；顯示訓練結果信息，能夠查看歷史訓練信息。

3.4評估分系統(tǒng)

考核人員完成訓練考核后，利用訓練的考核數(shù)據(jù)，對某個考核人員或者一批次的考核訓練進行考核綜合評估。

（1）考核科目的設定，考核業(yè)務安排，考核數(shù)據(jù)存儲；（2）利用各測控站測量軌跡與理論軌跡比對，計算跟蹤誤差、超差段落等指標，設計評價模型并對設備跟蹤情況進行評價；（3）實時接收、處理各設備跟蹤數(shù)據(jù)，計算中心數(shù)據(jù)引導信息并發(fā)送給各設備；（4）通過各測站軌跡數(shù)據(jù)與理論軌跡數(shù)據(jù)的對比，計算跟蹤誤差，超差段落等指標，設計評價模型并對設備跟蹤情況進行評價；（5）評估方法和評估標準編輯、擴展；（6）評估報告生成；（7）評估報告瀏覽及推送，

4創(chuàng)新點

創(chuàng)新點1：用無人機模擬火箭目標飛行方法

（1）載荷采用量綱換算方法實時進行換算。

（2）通過無人機加密信道進行數(shù)據(jù)傳輸。

（3）無人機和載荷與系統(tǒng)同步開始訓練任務。

（4）采用多通道設計，實現(xiàn)信息傳輸?shù)耐ǖ缽陀谩?/p>

（5）載荷采用軟件無線電架構，實現(xiàn)多個模塊的復用和小型化設計。

（6）采用寬帶射頻設計，實現(xiàn)芯片復用。

（7）為方便后期更換維修，系統(tǒng)每個模塊采用獨立結構件設計。

（8）采用多通道設計。創(chuàng)新點2：訓練評估快速自動化處理方法

（1）綜合使用QT，Java，Python，C，Android語言，在國產化平臺上進行開發(fā)和應用。

（2）高性能數(shù)據(jù)接收處理，實現(xiàn)信息跨平臺接收，在國產化平臺進行轉發(fā)。

（3）所有參數(shù)和算法均可以自定義配置、動態(tài)加載和導入導出。

（4）采用Redis數(shù)據(jù)庫和MySQL等跨平臺開源數(shù)據(jù)庫。

創(chuàng)新點3：軟件評估系統(tǒng)架構

（1）使用Redis數(shù)據(jù)庫確保實時性傳輸。

（2）采用跨平臺數(shù)據(jù)實時轉發(fā)多線程中間件。

（3） QT，Python，Java，C，C++，Android多開發(fā)語言融合。

5預期成果的影響

本平臺主要有以下效益。

（1）實時化訓練評估系統(tǒng)可以大大提高軍隊水平、部門訓練和評估能力，改變以前單一無人機信標作用的產品，產生顯著社會效益。量數(shù)據(jù)，為各類雷達設備訓練考核方案制定和評估方法的研究提供基礎，可以產生顯著的科學價值。

（3）實時化訓練評估系統(tǒng)將有望轉化為一種成熟的軍隊雷達模擬訓練仿真的產品，可產生一定的經濟效益。

實時化訓練評估系統(tǒng)具備以下功能。

（1）建設無人機訓練平臺，利用無人機搭載測控設備小型化載荷，模擬火箭目標飛行，實現(xiàn)測控設備實時化訓練數(shù)據(jù)模擬。

（2）研制多種雷達和遙測設備，并裝載在無人機上，通過載荷控制實現(xiàn)測控設備訓練信號模擬。

（3）研制訓練評估系統(tǒng)，實現(xiàn)訓練規(guī)劃、訓練指揮、信息處理、考核評估和綜合顯示功能。

（4）具備在野外無依托環(huán)境下完成設備角度標校和自動各種調整等功能。

（5）系統(tǒng)設計秉持“通用化、系列化、模塊化”的思想，以達到結構緊湊以及使用、維護方便的要求和原則。

作者簡介：

毛應龍（1983—），碩士，研究方向：軍工模擬仿真和大