雷達(dá)實(shí)裝與模擬器一體化設(shè)計(jì)

李廣強(qiáng)，何 佳，李連華，藺祥楠

(空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019)

0 引 言

隨著雷達(dá)模擬器[1-2]的不斷發(fā)展完善和軍事需求牽引，模擬訓(xùn)練的逼真程度越來(lái)越高，但同時(shí)也暴露出模擬訓(xùn)練的不足，主要表現(xiàn)在模擬器運(yùn)行的想定[3-4]和真實(shí)的戰(zhàn)斗情況存在一定的差距，這導(dǎo)致了模擬訓(xùn)練效果與實(shí)裝訓(xùn)練效果之間存在差異。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練中模擬訓(xùn)練的發(fā)展做出的理論研究提出了實(shí)際裝備與模擬訓(xùn)練相結(jié)合的思路，開發(fā)“實(shí)況式”訓(xùn)練環(huán)境[5]，依據(jù)作戰(zhàn)、訓(xùn)練、武器與模擬訓(xùn)練裝備的關(guān)系確立了應(yīng)用原則[6]。現(xiàn)行裝備模擬訓(xùn)練的開展基于模擬仿真系統(tǒng)[7]和半實(shí)物仿真系統(tǒng)，按照裝備運(yùn)行機(jī)制[8-9]設(shè)計(jì)仿真軟件或搭建硬件系統(tǒng)[10]模擬產(chǎn)生訓(xùn)練數(shù)據(jù)開展訓(xùn)練。目前對(duì)實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)已經(jīng)有將實(shí)際裝備控制信號(hào)作為模擬系統(tǒng)中輸入信號(hào)的例子[11]，但尚無(wú)將實(shí)際裝備產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地接入到雷達(dá)模擬器中的工程化實(shí)現(xiàn)案例。

針對(duì)這一空白領(lǐng)域，首次提出了雷達(dá)實(shí)裝與模擬器一體化的設(shè)計(jì)方案，將實(shí)裝數(shù)據(jù)與雷達(dá)模擬器進(jìn)行互聯(lián)互通，在模擬訓(xùn)練過(guò)程中引入真實(shí)空情數(shù)據(jù)，使學(xué)員能夠面對(duì)與實(shí)裝一致的訓(xùn)練界面，采取與實(shí)裝操作一致的空情處置方式，和實(shí)裝同步開展作戰(zhàn)、值班訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)訓(xùn)一致，有效提高各專業(yè)學(xué)員適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、處置異常空情的實(shí)戰(zhàn)能力。

1 總體設(shè)計(jì)

立足現(xiàn)有裝備條件，在模擬訓(xùn)練過(guò)程中引入真實(shí)雷達(dá)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)裝備與模擬器之間的數(shù)據(jù)橋接，構(gòu)建一體化教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)。實(shí)裝與模擬器一體化教學(xué)平臺(tái)主要包括雷達(dá)信號(hào)源編碼設(shè)備、雷達(dá)終端視頻編碼設(shè)備、橋接傳輸單元、雷達(dá)信號(hào)源解碼設(shè)備、雷達(dá)終端視頻解碼設(shè)備、訓(xùn)練管理服務(wù)平臺(tái)以及雷達(dá)模擬器和模擬訓(xùn)練終端等，其組成框圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)實(shí)裝與模擬器一體化訓(xùn)練平臺(tái)組成框圖

雷達(dá)信號(hào)源編碼設(shè)備采集雷達(dá)實(shí)裝的原始視頻信息、檢測(cè)視頻信息并編碼成統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式。雷達(dá)終端視頻編碼設(shè)備采集雷達(dá)錄取終端視頻圖形陣列(VGA)信息。雷達(dá)信號(hào)源編碼設(shè)備與雷達(dá)終端視頻編碼設(shè)備輸出的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入傳輸設(shè)備后，以以太網(wǎng)或光纖通信的方式發(fā)送。

訓(xùn)練管理服務(wù)平臺(tái)實(shí)時(shí)接收雷達(dá)信號(hào)源編碼設(shè)備和雷達(dá)終端視頻編碼設(shè)備傳輸?shù)男畔⒉⒔獯a壓縮后存儲(chǔ)，供雷達(dá)模擬器實(shí)時(shí)調(diào)用或事后調(diào)用。雷達(dá)模擬器訪問(wèn)訓(xùn)練管理服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練管理服務(wù)平臺(tái)中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息和訓(xùn)練終端的管理。同時(shí)雷達(dá)模擬器調(diào)取視頻信息編寫想定文件存入訓(xùn)練管理服務(wù)平臺(tái)，在訓(xùn)練終端登陸訓(xùn)練管理服務(wù)平臺(tái)調(diào)取視頻數(shù)據(jù)和想定文件為訓(xùn)練人員提供訓(xùn)練素材。

2 硬件設(shè)計(jì)

雷達(dá)實(shí)裝與一體化平臺(tái)硬件部分包括雷達(dá)綜合信息采集編碼單元和雷達(dá)綜合信息解碼分發(fā)單元。

2.1 雷達(dá)綜合信息采集編碼單元

雷達(dá)綜合信息采集編碼單元安裝在雷達(dá)方艙內(nèi)，主要由數(shù)據(jù)采集主板、視頻信號(hào)/點(diǎn)航跡信號(hào)/空情數(shù)據(jù)信號(hào)接口板、電話/網(wǎng)口接口板、工作參數(shù)控制模塊、工作參數(shù)指示屏、工作狀態(tài)指示模塊和電源模塊等組成。其功能框圖如圖2所示。

圖2 雷達(dá)綜合信息采集單元功能框圖

數(shù)據(jù)采集主板主要由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)模塊、CPU模塊、電源模塊、接口模塊組成。FPGA模塊負(fù)責(zé)接收情報(bào)信號(hào)、視頻信號(hào)、點(diǎn)跡信號(hào)、航跡信號(hào)和電話信號(hào)，對(duì)所有采集接收到的信號(hào)進(jìn)行光纖協(xié)議編碼；CPU模塊負(fù)責(zé)配置FPGA，負(fù)責(zé)外部交互界面和FPGA通信；電源模塊負(fù)責(zé)將DC12 V轉(zhuǎn)換為FPGA和CPU需要的電壓供系統(tǒng)使用；接口模塊主要是光口和網(wǎng)口，負(fù)責(zé)完成和遠(yuǎn)端綜合信號(hào)解碼單元之間的通信，數(shù)據(jù)帶寬能達(dá)到萬(wàn)兆/s。

2.2 雷達(dá)綜合信息解碼分發(fā)單元

雷達(dá)綜合信息解碼分發(fā)單元的輸入信號(hào)為雷達(dá)信息采集編碼單元提供的光纖信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，輸出信號(hào)為光纖或以太網(wǎng)信號(hào)，分發(fā)給雷達(dá)模擬器。雷達(dá)綜合信息解碼分發(fā)單元主要由高速數(shù)據(jù)接口模塊、FPGA模塊、解碼交換模塊、核心處理板等組成，其組成原理框圖如圖3所示。該設(shè)備有兩種工作方式：一種是將雷達(dá)錄取終端顯示圖像信號(hào)采集后進(jìn)行編碼壓縮，同時(shí)在本地進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；另一種是將圖像信號(hào)采集后進(jìn)行壓縮編碼，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，最后在遠(yuǎn)端進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí)進(jìn)行解碼顯示。

圖3 雷達(dá)綜合信息解碼分發(fā)單元原理框圖

雷達(dá)綜合信息編碼單元傳來(lái)的情報(bào)、原始視頻、點(diǎn)跡、航跡等信息經(jīng)高速數(shù)據(jù)接口模塊傳給FPGA模塊，經(jīng)FPGA模塊解碼后送往解碼交換模塊，核心處理板將所需要的數(shù)據(jù)信息按不同類型進(jìn)行分類選擇，分別輸出到相應(yīng)的系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、識(shí)別、舍棄。

3 軟件設(shè)計(jì)

雷達(dá)實(shí)裝與一體化平臺(tái)的應(yīng)用軟件主要由服務(wù)器軟件、訓(xùn)練管理終端軟件、操作管理軟件等組成，各軟件包含相應(yīng)功能模塊。

3.1 服務(wù)器軟件

服務(wù)器軟件由數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和控制管理軟件組成。數(shù)據(jù)庫(kù)軟件組成模塊為SQL-SERVER[12-13]，控制管理軟件由訓(xùn)練信息轉(zhuǎn)發(fā)，雷達(dá)原始視頻轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)、處理等，文件上傳下載，回波提取，想定加載，目標(biāo)回波匹配等軟件模塊組成。控制管理軟件組成框圖如圖4所示。

圖4 控制管理軟件組成框圖

服務(wù)器是系統(tǒng)管理的核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中所有設(shè)備的上、下線及工作狀態(tài)的管理，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中用戶登錄認(rèn)證、訪問(wèn)權(quán)限分配進(jìn)行管理；也是系統(tǒng)的信號(hào)交換中樞，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中設(shè)備間的信令、數(shù)據(jù)的交互和轉(zhuǎn)發(fā)；還是系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，各設(shè)備的初始運(yùn)行環(huán)境參數(shù)，全都備份保存在中心服務(wù)器上，方便在進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)更換設(shè)備時(shí)最快地恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 訓(xùn)練管理終端軟件

教練員通過(guò)訓(xùn)練管理終端管理中心數(shù)據(jù)服務(wù)器和訓(xùn)練終端。訓(xùn)練管理終端包括人員管理、訓(xùn)練管理、訓(xùn)練監(jiān)控、視頻源管理、想定制作、想定管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、系統(tǒng)管理、回波提取等10個(gè)軟件模塊。訓(xùn)練管理終端軟件組成框圖如圖5所示。

圖5 訓(xùn)練管理終端軟件組成框圖

其中，人員管理模塊、設(shè)備管理模塊、系統(tǒng)管理模塊監(jiān)控系統(tǒng)中硬件的上、下線和工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)的連接、系統(tǒng)測(cè)試以及管理用戶登錄和訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)權(quán)限設(shè)置。回波提取模塊允許教練員對(duì)雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)回波進(jìn)行手動(dòng)提取，為下一步想定航跡的目標(biāo)回波匹配作準(zhǔn)備。通過(guò)想定制作、想定管理模塊編寫生成想定文件，供訓(xùn)練人員使用。想定編寫時(shí)根據(jù)需要選擇目標(biāo)類型設(shè)計(jì)航跡，系統(tǒng)調(diào)取目標(biāo)庫(kù)中相應(yīng)目標(biāo)模型生成想定回波，生成想定航跡與真實(shí)目標(biāo)的疊加文件。存儲(chǔ)管理模塊、視頻源管理模塊提供系統(tǒng)資源管理入口，根據(jù)需要增減或修改數(shù)據(jù)訓(xùn)練管理服務(wù)中存儲(chǔ)的視頻資源。訓(xùn)練管理軟件中的訓(xùn)練管理模塊、訓(xùn)練監(jiān)控模塊能夠?qū)崟r(shí)掌握訓(xùn)練人員訓(xùn)練操作情況。

3.3 操作管理軟件

為更好地進(jìn)行操作訓(xùn)練，實(shí)裝與模擬器一體化教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)增加了操作管理軟件。該軟件包含人機(jī)交互模塊、訓(xùn)練平臺(tái)模塊、運(yùn)算處理模塊、訓(xùn)練評(píng)估模塊、通信模塊。其組成框圖如圖6所示。

圖6 操作管理軟件組成框圖

其中，人機(jī)交互模塊功能是實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練軟件與訓(xùn)練人員的信息交互。軟件根據(jù)實(shí)際裝備操作、顯示方式設(shè)置輸入、輸出形式，滿足訓(xùn)練人員實(shí)裝操作訓(xùn)練。

運(yùn)算處理模塊功能是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)雷達(dá)實(shí)裝采取的信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理功能。

訓(xùn)練平臺(tái)模塊是將雷達(dá)陣地的部署、目標(biāo)環(huán)境、干擾情況等因素融入訓(xùn)練平臺(tái)，將實(shí)際空情、目標(biāo)環(huán)境、空中態(tài)勢(shì)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)將實(shí)裝雷達(dá)的操作方式、戰(zhàn)術(shù)手段等因素融入訓(xùn)練平臺(tái)。根據(jù)實(shí)裝界面提供雷達(dá)視頻顯示(PPI/B/A/三維)模式、目標(biāo)開窗、跟蹤開窗等。

訓(xùn)練評(píng)估模塊通過(guò)對(duì)實(shí)際空情的錄取，以考核人員采用不同錄取方式(手動(dòng)、半主動(dòng))錄取的點(diǎn)航跡信息與真實(shí)信息進(jìn)行比對(duì)并進(jìn)行評(píng)判。

通信模塊功能在于支持訓(xùn)練軟件與中心數(shù)據(jù)服務(wù)器的登陸訪問(wèn)和視頻資源點(diǎn)播。同時(shí)上傳訓(xùn)練終端實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)供訓(xùn)練管理終端調(diào)取。

4 應(yīng)用分析

在模擬訓(xùn)練中，目標(biāo)環(huán)境和電磁環(huán)境是通過(guò)模擬方式產(chǎn)生的，和實(shí)裝有一定的差別。當(dāng)采用雷達(dá)實(shí)裝與模擬器一體化平臺(tái)訓(xùn)練時(shí)，雷達(dá)實(shí)裝原始信號(hào)和錄取后的情報(bào)作為目標(biāo)和環(huán)境數(shù)據(jù)由雷達(dá)信號(hào)橋接模塊進(jìn)入雷達(dá)模擬器，模擬器錄取顯示器上的目標(biāo)來(lái)自實(shí)裝目標(biāo)回波信號(hào)，雜波數(shù)據(jù)來(lái)自實(shí)裝的雜波信號(hào)，電子干擾數(shù)據(jù)來(lái)自實(shí)裝的干擾信號(hào)，從而使在雷達(dá)模擬器上進(jìn)行訓(xùn)練的學(xué)員面臨的是和實(shí)裝完全一致的訓(xùn)練環(huán)境。由于此時(shí)模擬器顯示的就是和雷達(dá)實(shí)裝一致的畫面，因此學(xué)員可以身臨其境地參與到實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練中，使得實(shí)裝和模擬的界限變得模糊，模擬訓(xùn)練變得更加真實(shí)。雷達(dá)模擬器訓(xùn)練監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7 訓(xùn)練監(jiān)控界面

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決雷達(dá)模擬訓(xùn)練“真實(shí)性”問(wèn)題以及實(shí)現(xiàn)部隊(duì)的戰(zhàn)訓(xùn)同步問(wèn)題，提出了“雷達(dá)實(shí)裝與模擬器一體化”的設(shè)計(jì)方案，為訓(xùn)練人員提供實(shí)裝、實(shí)情、實(shí)兵、實(shí)景的訓(xùn)練環(huán)境。一體化平臺(tái)通過(guò)硬件設(shè)備采集和編碼雷達(dá)回波數(shù)據(jù)和錄取終端視頻數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳入數(shù)據(jù)服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是從實(shí)裝接引真實(shí)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，滿足實(shí)時(shí)調(diào)用和事后提取。給出了系統(tǒng)組成及硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方法之后，下一步的研究將針對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、圖像處理進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)可靠性和擬真度。