跟蹤測(cè)量雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)化設(shè)計(jì)思考

邱 磊，范奕澤，馬 宏，楊 君

（1.航天工程大學(xué)電子與光學(xué)工程系，北京 101416；2.航天工程大學(xué)基礎(chǔ)部，北京 101416）

跟蹤測(cè)量雷達(dá)是對(duì)目標(biāo)坐標(biāo)及其軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量的雷達(dá)，被廣泛應(yīng)用于武器控制、空間探測(cè)、靶場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域[1]。“跟蹤測(cè)量雷達(dá)裝備操作”是航天工程大學(xué)測(cè)控工程專業(yè)本科生必修課程。實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)是以作戰(zhàn)訓(xùn)練中的難點(diǎn)、熱點(diǎn)問題為重點(diǎn)，建立緊貼實(shí)戰(zhàn)的課程體系、教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)方法手段、教學(xué)環(huán)境等，以提高學(xué)員解決問題、指揮作戰(zhàn)訓(xùn)練能力的一種教學(xué)形式[2-3]。為了滿足跟蹤測(cè)量雷達(dá)的實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)需求，課程組總結(jié)借鑒國(guó)內(nèi)外雷達(dá)裝備的實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)研究成果[4-10]，從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)平臺(tái)、師資隊(duì)伍等方面進(jìn)行改進(jìn)完善，并利用已有的跟蹤測(cè)量雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開展裝備操作教學(xué)。與雷達(dá)實(shí)裝訓(xùn)練相比，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)既可以降低訓(xùn)練費(fèi)用，縮短訓(xùn)練周期，又能實(shí)施針對(duì)性訓(xùn)練[4]?，F(xiàn)有的跟蹤雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠完成基本的跟蹤測(cè)量雷達(dá)訓(xùn)練操作，但隨著跟蹤測(cè)量雷達(dá)所面臨戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和任務(wù)使命的變化，以及測(cè)控工程專業(yè)裝備操作課程實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)的要求，需設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)訓(xùn)練需求的跟蹤測(cè)量雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

1 跟蹤測(cè)量雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)中存在的問題

現(xiàn)有跟蹤測(cè)量雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要被用于模擬現(xiàn)役跟蹤測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備及操作場(chǎng)景，具備雷達(dá)跟蹤測(cè)量任務(wù)全過程裝備操作模擬及情況處置模擬功能；模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由雷達(dá)模擬、崗位模擬、任務(wù)規(guī)劃與評(píng)估模擬和故障診斷等分系統(tǒng)構(gòu)成。將現(xiàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)用于實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)時(shí)面臨的主要問題如下：①能夠模擬的訓(xùn)練科目較少，操作界面與實(shí)裝界面差距較大，學(xué)員在模擬器上訓(xùn)練后，在實(shí)裝操作時(shí)還需要重新學(xué)習(xí)，模擬訓(xùn)練效果差。②模擬跟蹤測(cè)量的目標(biāo)是簡(jiǎn)單的點(diǎn)目標(biāo)，未考慮實(shí)際目標(biāo)的雷達(dá)回波特性和運(yùn)動(dòng)特性，衛(wèi)星、彈頭和火箭等目標(biāo)的回波特性區(qū)別不明顯。③沒有模擬復(fù)雜電磁環(huán)境下的裝備操作，特別是干擾環(huán)境下的目標(biāo)跟蹤測(cè)量。④故障模擬功能簡(jiǎn)單，故障診斷只是簡(jiǎn)單列出故障類型，沒有故障定位和修復(fù)功能。⑤考核評(píng)估規(guī)則簡(jiǎn)單，沒有建立考核評(píng)估指標(biāo)體系，仍以教員主觀評(píng)價(jià)方式為主，易受人為因素的影響，難以客觀、公正地評(píng)價(jià)學(xué)員的操作水平。⑥現(xiàn)役跟蹤測(cè)量雷達(dá)由多家廠所研制生產(chǎn)，裝備型號(hào)多、功能模式多，參數(shù)設(shè)置復(fù)雜。不可能針對(duì)一套實(shí)裝設(shè)立一套模擬系統(tǒng)，因此，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)既要盡可能和實(shí)裝保持一致，又要兼顧不同的裝備型號(hào)。

2 對(duì)跟蹤測(cè)量雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)化設(shè)計(jì)的思考

跟蹤測(cè)量雷達(dá)實(shí)戰(zhàn)化模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)具備彈道導(dǎo)彈、衛(wèi)星、空間碎片和臨近空間飛行器等目標(biāo)發(fā)射、再入、飛行中段、在軌運(yùn)行等各階段雷達(dá)回波數(shù)據(jù)接入和仿真模擬功能，具備雷達(dá)測(cè)量任務(wù)情況處置、設(shè)備故障想定編輯功能，具備模擬訓(xùn)練效果評(píng)估、成績(jī)?cè)u(píng)判和訓(xùn)練數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能。

針對(duì)現(xiàn)有模擬訓(xùn)練裝備在實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)中存在的問題，從目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性和電磁特性模擬、復(fù)雜電磁環(huán)境模擬、崗位操作模擬、訓(xùn)練場(chǎng)景模擬、設(shè)備故障模擬和建立實(shí)戰(zhàn)化考核評(píng)估體系等方面提出實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)的需求，為實(shí)戰(zhàn)化跟蹤測(cè)量雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供參考。

2.1 目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性和電磁散射特性模擬

跟蹤測(cè)量雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠產(chǎn)生逼真的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性和電磁散射特性。一方面，可將真實(shí)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡和雷達(dá)回波作為輸入，也可參考真實(shí)目標(biāo)，模擬生成目標(biāo)的軌跡，仿真生成雷達(dá)目標(biāo)回波；另一方面，針對(duì)導(dǎo)彈、衛(wèi)星、高超音速飛行器、空間碎片等典型目標(biāo)，可用STK 軟件仿真目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，并記錄目標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，然后建立典型目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性庫(kù)。

用Altair FEKO 等電磁場(chǎng)仿真引擎仿真建立典型目標(biāo)結(jié)構(gòu)及表面材質(zhì)模型，仿真目標(biāo)回波。FEKO 軟件基于矩量法實(shí)現(xiàn)對(duì)麥克斯韋方程組的求解，并將矩量法和高頻近似計(jì)算法相結(jié)合，特別適合求解電大尺寸等復(fù)雜電磁問題。從仿真回波中可提取目標(biāo)的RCS起伏、一維距離像、ⅠSAR 圖像、極化、極點(diǎn)等特性。RCS 反映了目標(biāo)對(duì)入射雷達(dá)波的反射能力，與目標(biāo)的尺寸、材料及相對(duì)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)的姿態(tài)角密切相關(guān)，包含了一定的目標(biāo)特征信息。一維距離像反映了寬帶雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的某一時(shí)刻，目標(biāo)上散射點(diǎn)沿著雷達(dá)視線的分布情況，是目標(biāo)重要的結(jié)構(gòu)特征信息。ⅠSAR 圖像反映了目標(biāo)的二維結(jié)構(gòu)特征信息。極化特征通常由極化散射矩陣獲取，極化散射矩陣表征了目標(biāo)對(duì)極化波的散射特性，與目標(biāo)的形狀、大小、材料、結(jié)構(gòu)、姿態(tài)和雷達(dá)頻率等有關(guān)，包含了豐富的目標(biāo)信息。極點(diǎn)特征僅依賴于目標(biāo)的大小、形狀和材料等信息，是諧振區(qū)雷達(dá)最重要的識(shí)別方法之一?？偨Y(jié)上述電磁散射特征，建立典型目標(biāo)電磁散射特性庫(kù)。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)工作時(shí)，可通過調(diào)用目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性庫(kù)和電磁散射特性庫(kù)，產(chǎn)生逼真的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性和電磁散射特性。

2.2 復(fù)雜電磁環(huán)境模擬

跟蹤測(cè)量雷達(dá)一般為單脈沖體制，具有測(cè)角精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。然而，理論和試驗(yàn)均表明，盡管單脈沖是各種跟蹤方法中抗干擾能力最強(qiáng)的技術(shù)，但是采用適當(dāng)?shù)氖侄稳匀豢梢猿晒⑵涓蓴_。目前用于跟蹤測(cè)量雷達(dá)的干擾策略有交叉眼干擾、自動(dòng)增益控制干擾和延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾等[11]。

交叉眼干擾是一種特殊形式的相干干擾，通過2個(gè)相干干擾源同時(shí)作用產(chǎn)生合成回波，人為制造相位波前畸變，對(duì)雷達(dá)測(cè)角系統(tǒng)進(jìn)行欺騙干擾。在角跟蹤系統(tǒng)中，AGC 將通過調(diào)節(jié)增益，保持其輸出功率穩(wěn)定。當(dāng)強(qiáng)干擾加入時(shí)，要求AGC 快速降低增益；強(qiáng)干擾關(guān)閉時(shí)，要求AGC 迅速增加增益。AGC 受控放大器增益的變化可能使目標(biāo)航天器跟蹤信號(hào)被抑制導(dǎo)致無(wú)法有效地跟蹤[11]。延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾是干擾機(jī)接收雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，并經(jīng)過一定時(shí)間延遲轉(zhuǎn)發(fā)給雷達(dá)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)干擾。

針對(duì)上述3 類干擾方式，需參考雷達(dá)實(shí)裝的抗干擾策略，并研究新的抗干擾手段，在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)上進(jìn)行復(fù)雜電磁環(huán)境下目標(biāo)跟蹤測(cè)量戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法的研究。

2.3 崗位操作模擬

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的各模擬終端應(yīng)參考實(shí)裝設(shè)備設(shè)計(jì)，操作臺(tái)面按鍵設(shè)計(jì)和軟件界面設(shè)計(jì)與實(shí)裝風(fēng)格保持一致，學(xué)員可獲得與現(xiàn)役設(shè)備一致的交互式操作體驗(yàn)。崗位操作可分為距離崗位操作、綜合崗位操作和數(shù)據(jù)交互崗位操作等。

距離操作崗位顯示和路信號(hào)、波門信號(hào)、點(diǎn)跡航跡信息、定位信息和時(shí)間信息等，主要用于訓(xùn)練距離操作手。距離操作手主要完成距離波門搜索、距離截獲、反射應(yīng)答切換、解距離模糊、解速度模糊、寬/窄波門切換、手動(dòng)移相等操作。

綜合操作崗位顯示目標(biāo)距離幅度信息、雷達(dá)設(shè)備狀態(tài)信息等，主要用于訓(xùn)練綜合操作手。綜合操作手主要完成裝訂參數(shù)、波形切換、頻點(diǎn)切換、盲區(qū)切換、引導(dǎo)源選擇、發(fā)射機(jī)加電控制等操作。

數(shù)據(jù)交互操作崗位主要用于訓(xùn)練數(shù)據(jù)交互操作手，數(shù)據(jù)交互操作手主要完成數(shù)據(jù)處理、對(duì)外數(shù)據(jù)交互和監(jiān)測(cè)維護(hù)測(cè)試等操作。

2.4 訓(xùn)練場(chǎng)景模擬

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可模擬真實(shí)的操作場(chǎng)景和任務(wù)場(chǎng)景。任務(wù)場(chǎng)景包括首區(qū)任務(wù)、運(yùn)行段任務(wù)、再入段任務(wù)和分離目標(biāo)等。典型操作模擬包括操作手單項(xiàng)操作、雷達(dá)整機(jī)單站使用、雷達(dá)整機(jī)多站任務(wù)和應(yīng)急操作。

執(zhí)行首區(qū)任務(wù)一般需要采用多站工作方式，可能涉及到發(fā)射機(jī)輸出功率衰減控制，多站工作方式的交互實(shí)現(xiàn)涉及它站信號(hào)幅度、距離，發(fā)射機(jī)輸出功率衰減控制涉及到雷達(dá)參數(shù)表的實(shí)時(shí)修訂，根據(jù)實(shí)時(shí)修訂的參數(shù)信息可完成回波信號(hào)幅度的計(jì)算和相應(yīng)顯示。運(yùn)行段任務(wù)主要涉及弧段規(guī)劃、多站工作等，屬于常規(guī)任務(wù)，以任務(wù)場(chǎng)景為基礎(chǔ)，各模擬終端協(xié)同實(shí)現(xiàn)運(yùn)行段任務(wù)跟蹤。再入段任務(wù)除了常規(guī)跟蹤測(cè)量多目標(biāo)跟蹤外，主要涉及再入黑障區(qū)的反射、應(yīng)答回波幅度異常。分離目標(biāo)場(chǎng)景中分離目標(biāo)為本站相參信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)分離目標(biāo)的幅度、距離等的模擬，需要特定時(shí)間段的分離目標(biāo)航跡與對(duì)應(yīng)RCS 信息。

在操作手訓(xùn)單項(xiàng)操作模式下，每個(gè)操作手訓(xùn)練是獨(dú)立進(jìn)行的。所有模擬終端運(yùn)行相同的訓(xùn)練軟件，學(xué)員根據(jù)界面顯示的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況，通過控制操縱桿和按鍵等模擬完成距離或角度的相關(guān)操作。雷達(dá)整機(jī)單站操作用于訓(xùn)練學(xué)員對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境的判斷和戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的敏感性，并對(duì)雷達(dá)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)膽?zhàn)術(shù)應(yīng)用。在單站訓(xùn)練場(chǎng)景模式下，相鄰3 個(gè)模擬終端分別運(yùn)行相應(yīng)軟件，組成虛擬雷達(dá)整機(jī)，距離和角度操作手配合完成目標(biāo)的捕獲跟蹤，各訓(xùn)練軟件通過調(diào)用不同的功能模塊完成測(cè)量數(shù)據(jù)和雷達(dá)狀態(tài)信息的顯示。在多站訓(xùn)練場(chǎng)景模式下，多個(gè)雷達(dá)整機(jī)可組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)協(xié)同引導(dǎo)跟蹤功能。每個(gè)雷達(dá)整機(jī)的跟蹤弧段事先經(jīng)任務(wù)規(guī)劃中心設(shè)置好，綜合模擬器根據(jù)弧段計(jì)算每一模擬終端的目標(biāo)數(shù)據(jù)并下發(fā)給各模擬終端，多個(gè)雷達(dá)整機(jī)進(jìn)行交班式接力跟蹤。在此場(chǎng)景下，每個(gè)雷達(dá)整機(jī)距離量程內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)（即它站目標(biāo)），距離操作手可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行MGC 調(diào)整、移相等操作。在應(yīng)急訓(xùn)練場(chǎng)景模式下，教員可在考核評(píng)估系統(tǒng)中設(shè)置不同的故障來(lái)對(duì)學(xué)員的應(yīng)急操作進(jìn)行訓(xùn)練。如教員可設(shè)置發(fā)射機(jī)高壓電源故障，此時(shí)目標(biāo)回波消失，模擬終端上目標(biāo)消失，此時(shí)學(xué)員應(yīng)進(jìn)行退出跟蹤、重新搜索目標(biāo)等操作。

2.5 設(shè)備故障模擬

故障診斷與排除模擬訓(xùn)練是以管理科學(xué)、軍事訓(xùn)練學(xué)、計(jì)算機(jī)編程和行為科學(xué)為基礎(chǔ)，以模擬分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)為手段，面對(duì)雷達(dá)模擬訓(xùn)練實(shí)施及裝備操作問題，利用計(jì)算機(jī)程序和數(shù)據(jù)庫(kù)支持，使故障診斷與排除具有智能化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建故障診斷與排除模擬訓(xùn)練環(huán)境。通過虛擬裝備結(jié)合典型實(shí)裝組件，構(gòu)建雷達(dá)故障環(huán)境，典型的故障類型包括發(fā)射分系統(tǒng)故障、接收分系統(tǒng)故障、信號(hào)處理分系統(tǒng)故障、伺服分系統(tǒng)故障和顯控分系統(tǒng)故障等。發(fā)射分系統(tǒng)故障又可分為發(fā)射組件故障、發(fā)射電源故障和發(fā)射監(jiān)控故障等類型，接收分系統(tǒng)故障又可分為頻率源故障、接收通道故障和接收電源故障等類型，信號(hào)處理分系統(tǒng)故障又可分為時(shí)序接口故障、DSP 插件故障、計(jì)算機(jī)故障和信號(hào)處理電源故障等類型，伺服分系統(tǒng)故障又可分為電機(jī)故障、變頻器故障、轉(zhuǎn)臺(tái)故障、控制器故障和伺服電源故障等類型，顯控分系統(tǒng)故障又可分為計(jì)算機(jī)故障、交換機(jī)故障和顯控電源故障等類型。

通過文字、照片和視頻等形式，使學(xué)員能夠熟悉雷達(dá)組成、信號(hào)流向、操作使用和排故方法。通過部隊(duì)調(diào)研，建立典型故障現(xiàn)象庫(kù)與專家解決庫(kù)。典型故障現(xiàn)象庫(kù)存儲(chǔ)按一定結(jié)構(gòu)存放的雷達(dá)設(shè)備故障案例，每一條案例都有具體的說明和結(jié)論。專家解決庫(kù)中存儲(chǔ)著每種故障案例的解決方案，包括處理失敗的故障案例，并指明失敗的原因，可用來(lái)提示受訓(xùn)學(xué)員的錯(cuò)誤操作步驟。通過使用幫助文檔，能夠使學(xué)員快速掌握操作方法；利用虛擬及真實(shí)測(cè)量工具，使學(xué)員快速掌握故障定位和具體排故方法，并通過虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)顯示排故效果。

2.6 建立實(shí)戰(zhàn)化考核評(píng)估體系

考核評(píng)估的目的是通過量化分析和精確評(píng)定，客觀評(píng)價(jià)學(xué)員的操作，總結(jié)分析訓(xùn)練中暴露出來(lái)的矛盾和問題，充分調(diào)動(dòng)學(xué)員的積極性，不斷提升實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練水平。明確實(shí)戰(zhàn)化考核評(píng)估內(nèi)容，細(xì)化實(shí)戰(zhàn)化考核評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，然后綜合利用層次分析法、模糊綜合評(píng)判法、智能方法等進(jìn)行考核評(píng)估，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)、管理操作手和歷史考核成績(jī)。

效果評(píng)估軟件應(yīng)包括評(píng)估數(shù)據(jù)采集、訓(xùn)練效果評(píng)估計(jì)算和評(píng)估結(jié)果顯示等功能。其中評(píng)估數(shù)據(jù)采集主要負(fù)責(zé)采集模擬訓(xùn)練系統(tǒng)生成的和學(xué)員操作的各種數(shù)據(jù)，包括模擬目標(biāo)數(shù)據(jù)采集、雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)采集、設(shè)備操作數(shù)據(jù)采集、應(yīng)急排障數(shù)據(jù)采集、任務(wù)演練數(shù)據(jù)采集、中間數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)果數(shù)據(jù)采集等，以便后續(xù)進(jìn)行各指標(biāo)的評(píng)估。訓(xùn)練效果評(píng)估計(jì)算功能應(yīng)該包括設(shè)備操作評(píng)估、應(yīng)急排障評(píng)估、任務(wù)演練評(píng)估、指標(biāo)綜合計(jì)算、評(píng)估策略選擇和評(píng)估置信度分析等。評(píng)估結(jié)果顯示功能應(yīng)包括評(píng)估報(bào)告模板配置、評(píng)估報(bào)告生成、評(píng)估顯示配置和評(píng)估結(jié)果顯示等。

根據(jù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的操作訓(xùn)練，考慮將訓(xùn)練評(píng)估科目分為3 大類，即設(shè)備操作、應(yīng)急排障、任務(wù)演練，基本涵蓋了部隊(duì)日常裝備使用的各個(gè)方面，又細(xì)分為不同復(fù)雜電磁環(huán)境下、不同實(shí)戰(zhàn)條件下的科目。對(duì)操作順序有明確要求的操作需重點(diǎn)評(píng)估實(shí)際操作順序，如伺服解鎖與控制操作、距離角度跟蹤等。對(duì)實(shí)時(shí)性有明確要求的操作則需重點(diǎn)評(píng)估操作手操作反應(yīng)時(shí)間，如發(fā)現(xiàn)目標(biāo)至距離閉合時(shí)間、距離閉合至角度閉合時(shí)間等。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有跟蹤測(cè)量雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)中存在的問題，從目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性和電磁特性模擬、復(fù)雜電磁環(huán)境模擬、崗位操作模擬、訓(xùn)練場(chǎng)景模擬、設(shè)備故障模擬和建立考核評(píng)估體系等方面提出實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)的建議，為跟蹤測(cè)量雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了參考。建立實(shí)戰(zhàn)化的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)測(cè)控工程專業(yè)學(xué)員提高實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練水平、打牢崗位任職基礎(chǔ)、提高第一任職能力具有重要意義。