基于雷達實時化的模擬訓(xùn)練評估平臺研究與實踐

關(guān)鍵詞：模擬訓(xùn)練；雷達裝備；實時化；訓(xùn)練評估；訓(xùn)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(nèi)容

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

為了全面提升測控設(shè)備崗位人員對設(shè)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(fù)、可量化操作效果的實時化訓(xùn)練，其中針對性地解決如下問題：（1）提供一個實時化訓(xùn)練評估的場景，解決設(shè)備跟蹤、設(shè)備缺乏檢測環(huán)境的問題；（2）針對多種設(shè)備，解決設(shè)備陌生地域參試野外無依托標校問題；（3）解決崗位人員訓(xùn)練效果無法量化評價問題；（4）解決崗位人員訓(xùn)練無法閉環(huán)控制的問題；（5）將人員跟蹤訓(xùn)練從理論學(xué)習(xí)為主轉(zhuǎn)移到理論實裝為主的模式上；（6）將人員考核方式從理論學(xué)習(xí)為主轉(zhuǎn)移到理論實操并重上；（7）針對任務(wù)不可復(fù)制的特點，通過程控或人工操作無人機，提高訓(xùn)練的針對性及有效性；（8）針對傳統(tǒng)訓(xùn)練方法、訓(xùn)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(jié)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(xùn)練考核分析評估系統(tǒng)，主要包含無人機、測控設(shè)備載荷、訓(xùn)練評估系統(tǒng)、測控設(shè)備仿真訓(xùn)練系統(tǒng)等要素，組成測控設(shè)備訓(xùn)練系統(tǒng)以及全真模擬測控設(shè)備跟蹤飛行器的訓(xùn)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(shè)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(shè)備跟蹤環(huán)境信號的模擬；設(shè)備跟蹤動態(tài)無人機載荷，實現(xiàn)設(shè)備動態(tài)目標跟蹤訓(xùn)練。

2.2創(chuàng)建科學(xué)有效的訓(xùn)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(shè)備跟蹤捕獲訓(xùn)練和多臺多種類設(shè)備的聯(lián)演聯(lián)訓(xùn)。

2.3建立考核評估分系統(tǒng)

建立科學(xué)的考核評估標準，實現(xiàn)操作人員模擬訓(xùn)練的精確量化評估，針對訓(xùn)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(shè)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(shù)，模擬設(shè)備防衛(wèi)標校，實現(xiàn)機動設(shè)備角度快速無塔標校。

2.5建立協(xié)同訓(xùn)練模式

基于站內(nèi)聯(lián)試流程，將訓(xùn)練內(nèi)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(chǔ)上，增設(shè)無人機操作手崗位，同時設(shè)置考核評估組，對系統(tǒng)考核結(jié)果進行分析判定，形成各個崗位的訓(xùn)練考核報告，使訓(xùn)練準備、訓(xùn)練實施、訓(xùn)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(jīng)濟”的原則。（1）采用先進和可靠的技術(shù)，以確保設(shè)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(shè)備采用國產(chǎn)化產(chǎn)品，軟件采用自主可控系統(tǒng)，減少信息安全風(fēng)險，并與后續(xù)中心信息系統(tǒng)相兼容：軟件設(shè)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(shè)備軟硬件設(shè)計要貫徹“通用化，系列化，模塊化”設(shè)計思想，以達到結(jié)構(gòu)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(wù)設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)各種復(fù)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(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)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(cè)飛、倒飛等各種姿態(tài)飛行；制作容易、成本低廉，模塊化結(jié)構(gòu)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(yīng)用前景，它不僅可以在室外飛行，也適合在狹小的室內(nèi)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(yīng)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(shù)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(wù)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(wù)載荷與無人機地面控制子系統(tǒng)采用無線通信，用于任務(wù)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(shè)備裝載在無人機上，通過載荷控制設(shè)備實時化訓(xùn)練信號模擬。分系統(tǒng)主要功能包括接收、應(yīng)答及轉(zhuǎn)發(fā)連續(xù)波雷達的發(fā)射信號，并配合其完成自跟蹤調(diào)整等性能檢測功能；接收及延時轉(zhuǎn)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(xùn)練考核分系統(tǒng)

3.3.1主要功能

訓(xùn)練評估分系統(tǒng)能實現(xiàn)考核任務(wù)的參數(shù)配置、數(shù)據(jù)收發(fā)、任務(wù)調(diào)度、考核評分。具體功能有基礎(chǔ)配置項，如站點維護、設(shè)備維護、組播服務(wù)配置、無人機參數(shù)配置；考核任務(wù)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(xùn)練仿真考核參數(shù)配置、設(shè)備數(shù)據(jù)的接收、解碼，發(fā)送、無人機數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)碼，發(fā)送、載荷數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)碼，發(fā)送、仿真操作臺數(shù)據(jù)接收，轉(zhuǎn)發(fā)、模擬波形數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)發(fā)；任務(wù)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(jié)果報告。

訓(xùn)練評估模塊主要包括訓(xùn)練評估服務(wù)器、訓(xùn)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(xùn)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(xùn)練科目配置、站點信息維護等操作。Qt客戶端用來控制任務(wù)開始及任務(wù)過程中各種實時參變量的顯示。

訓(xùn)練評估服務(wù)器主要完成數(shù)據(jù)接收、解析、存儲、算法等相關(guān)工作，包括PDXP數(shù)據(jù)包解析、坐標轉(zhuǎn)換、訓(xùn)練腳本生成、訓(xùn)練分數(shù)評估等。同時，訓(xùn)練評估服務(wù)器負責(zé)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(xùn)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(yīng)答機、連續(xù)波應(yīng)答機、遙測應(yīng)答機、龍伯球和角反射體。其中，單應(yīng)答機、連續(xù)波應(yīng)答機、遙測應(yīng)答機集成在一起，實現(xiàn)統(tǒng)一掛載飛行。

3.3.2訓(xùn)練考核分系統(tǒng)組成

訓(xùn)練考核分系統(tǒng)硬件組成主要如下。

（1）數(shù)據(jù)服務(wù)器中心：負責(zé)對地面測控設(shè)備的各種訓(xùn)練考核的過程數(shù)據(jù)和結(jié)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(xùn)練考核人員的評估提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）訓(xùn)練考核業(yè)務(wù)評估數(shù)據(jù)終端。

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

（4）調(diào)度指揮員：依據(jù)任務(wù)規(guī)劃員給定的規(guī)劃內(nèi)容，對總體人員的協(xié)調(diào)調(diào)度進行考核訓(xùn)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(xùn)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(diào)度員給定的考核科目和考核標準，進行現(xiàn)場實時訓(xùn)練操作考核，并實時記錄訓(xùn)練考核數(shù)據(jù)。

（6）保持各參訓(xùn)設(shè)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(zé)為檢查、監(jiān)視無人機狀態(tài)，操控?zé)o人機飛行，在緊急情況下進行人工干預(yù)，確保無人機飛行安全。

（8）訓(xùn)練中心新增訓(xùn)練監(jiān)控席位，主要職責(zé)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(wù)載荷狀態(tài)，根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)要求，確定載荷使用規(guī)則、鏈路狀態(tài)和設(shè)備管理等。

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

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

3.3.3分模塊功能

（1）訓(xùn)練規(guī)劃模塊

主要完成以下幾個訓(xùn)練考核內(nèi)容：無人機航跡規(guī)劃；訓(xùn)練數(shù)據(jù)、訓(xùn)練科目規(guī)劃，一次訓(xùn)練包含正常飛行數(shù)據(jù)和不少于5個訓(xùn)練異?？颇?，訓(xùn)練規(guī)劃依據(jù)訓(xùn)練零時進行規(guī)劃：科目評估標準規(guī)劃，評估標準包含正常科目評估標準和異?？颇吭u估標準：參訓(xùn)設(shè)備選擇、訓(xùn)練科目選擇，異?？颇窟x擇等。

（2）訓(xùn)練調(diào)度指揮模塊

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

（3）信息處理模塊

坐標轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)量綱復(fù)原，記錄和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)；訓(xùn)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(shè)置：向訓(xùn)練設(shè)備實時轉(zhuǎn)發(fā)無人機位置信息并作為設(shè)備引接信息源。

（4）考核過程顯示模塊

顯示絕對時間、訓(xùn)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(xùn)練規(guī)劃設(shè)計信息；顯示參訓(xùn)數(shù)據(jù)鏈路通斷、設(shè)備測量和狀態(tài)信息；顯示訓(xùn)練結(jié)果信息，能夠查看歷史訓(xùn)練信息。

3.4評估分系統(tǒng)

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

（1）考核科目的設(shè)定，考核業(yè)務(wù)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(shè)計評價模型并對設(shè)備跟蹤情況進行評價；（3）實時接收、處理各設(shè)備跟蹤數(shù)據(jù)，計算中心數(shù)據(jù)引導(dǎo)信息并發(fā)送給各設(shè)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(shè)計評價模型并對設(shè)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(xùn)練任務(wù)。

（4）采用多通道設(shè)計，實現(xiàn)信息傳輸?shù)耐ǖ缽?fù)用。

（5）載荷采用軟件無線電架構(gòu)，實現(xiàn)多個模塊的復(fù)用和小型化設(shè)計。

（6）采用寬帶射頻設(shè)計，實現(xiàn)芯片復(fù)用。

（7）為方便后期更換維修，系統(tǒng)每個模塊采用獨立結(jié)構(gòu)件設(shè)計。

（8）采用多通道設(shè)計。創(chuàng)新點2：訓(xùn)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(chǎn)化平臺上進行開發(fā)和應(yīng)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(chǎn)化平臺進行轉(zhuǎn)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(dǎo)入導(dǎo)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(gòu)

（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(zhuǎn)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(yù)期成果的影響

本平臺主要有以下效益。

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

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

實時化訓(xùn)練評估系統(tǒng)具備以下功能。

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

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

（3）研制訓(xùn)練評估系統(tǒng)，實現(xiàn)訓(xùn)練規(guī)劃、訓(xùn)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(shè)備角度標校和自動各種調(diào)整等功能。

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

作者簡介：

毛應(yīng)龍（1983—），碩士，研究方向：軍工模擬仿真和大