劉云飛，田華明，王鼎，田沿平

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

某型雷達模擬訓練系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉云飛，田華明，王鼎，田沿平

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

研制功能完善的雷達模擬訓練系統(tǒng)，對提高該型雷達教學保障能力，使學員迅速掌握雷達的操作使用和故障排除方法具有重要意義。該雷達模擬訓練系統(tǒng)在設計上采用虛實結合的方法，雷達模擬器主體采用實物模擬，雷達天線轉臺以及與雷達相交聯(lián)的其他設備采用虛擬仿真，并外設多功能教員控制臺，對整個系統(tǒng)進行控制。在模擬訓練系統(tǒng)內部，采用模塊化故障設置的方法，實現(xiàn)了單元級的故障仿真。

雷達；模擬器；故障設置

0 引言

某型雷達由于實裝造價昂貴，院校目前沒有裝配，為了滿足教學訓練需求，使得學員快速熟悉裝備操作使用和維護保障方法，掌握故障排除能力，研制對應的模擬訓練系統(tǒng)成為經(jīng)濟實效的方法。

1 功能需求

該雷達由顯控臺、信號處理機柜、伺服驅動機柜、配電機柜、轉臺分機及天線組成。對外交聯(lián)的信號有局部基準信號、時統(tǒng)信號等。研制該模擬訓練系統(tǒng)，需要緊貼實際裝備，立足學員能力提升的需求，為此需要具備以下功能。

（1）顯示功能。雷達顯控臺模擬器可模擬該雷達的人機界面顯示、操作，并能獨立模擬雷達的捕獲、跟蹤過程，能在顯示器上模擬顯示出雷達的各種狀態(tài)變化，便于訓練和操作。在各工作畫面下，提供雷達在該畫面狀態(tài)下的典型顯示數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)聯(lián)動特征值。

（2）操控功能。針對雷達的各種操作，根據(jù)不同操控下的畫面切換顯示圖、數(shù)據(jù)變特征值、各分機控制指令典型值，提供與實裝一致的雷達操控功能。通過鍵盤、觸摸屏，能夠完成對雷達的操作、狀態(tài)設置及對各分機的控制。

（3）典型故障設置及檢測。設計實現(xiàn)雷達各分機單元級故障設置及檢測功能。完成對雷達及分機內部主要模塊、環(huán)節(jié)進行故障的設置規(guī)劃，并根據(jù)雷達工作原理在顯控臺對設置情況進行檢測及典型故障現(xiàn)象顯示，能夠利用自檢和狀態(tài)回傳實現(xiàn)故障判別。

（4）雷達工作模擬。提供雷達在響應上級系統(tǒng)指令、搜索、跟蹤、自檢、參數(shù)裝訂、幅相校正等工作狀態(tài)下的顯示數(shù)據(jù)、各分機的聯(lián)動反應和典型數(shù)據(jù)（或數(shù)據(jù)變化）。

（5）分機狀態(tài)模擬。參照雷達實際工作狀態(tài)，能夠對各分機、單元顯著位置的基本狀態(tài)指示（指示燈、數(shù)值等）進行模擬顯示，提供特征值。

（6）遠程控制。通過教員控制臺能夠對雷達模擬器進行簡單控制、操作、設置和數(shù)據(jù)回傳等。

圖1 雷達模擬訓練系統(tǒng)硬件總體拓撲圖

2 設計思路

根據(jù)以上功能需求，構建符合教學訓練要求的雷達模擬訓練系統(tǒng)，系統(tǒng)整體設計思路如下。

2.1 硬件設計

雷達模擬器機柜外觀要求與實際裝備1∶1完全一致，考慮模擬訓練系統(tǒng)是在實驗室環(huán)境使用，環(huán)境適應性要求降低了很多，因此，可采用普通厚鋼板來代替實裝的鑄鋁件，采用民品級元器件代替軍品級元器件，以降低制作成本。保留各個機柜所有的對外顯示部分（如LED指示燈）以及開關旋鈕等部件。在信號處理機柜檢測孔，設計產(chǎn)生與實裝一致的中頻信號，能夠外接示波器進行觀測，便于學員掌握中頻信號檢測方法，以此判斷信號處理機柜的故障產(chǎn)生原因。機柜內部各單元，涉及到射頻信號產(chǎn)生處理的部分，其組件內部模塊全部簡化掉，只保留必要的對外交聯(lián)接口。

2.2 軟件設計

要求顯控臺顯示內容及界面與實裝一致。由于各分機并無實際射頻信號產(chǎn)生，所以在梳理各單元信號交聯(lián)關系之后，采用軟件模擬的方式，構建射頻信號產(chǎn)生模塊，使整個模擬訓練系統(tǒng)形成閉環(huán)。

3 硬件實現(xiàn)

根據(jù)功能需求及設計思路，最終實現(xiàn)的某型雷達模擬訓練系統(tǒng)硬件拓撲結構如圖1所示。

設計實現(xiàn)的雷達模擬訓練系統(tǒng)由顯控臺、教員控制臺、投影機（投影屏）、信號處理機柜、伺服驅動機柜、配電機柜、轉臺分機及高頻箱分機組成。其中顯控臺、信號處理機柜、伺服驅動機柜、配電機柜和高頻箱分機以實體形式做成與實裝1∶1的外觀。

轉臺分機控制模塊很小，與高頻箱分機合在一起，放在一個箱體中，其功能由軟件模擬實現(xiàn)。

設置教員控制臺，在此控制臺上實現(xiàn)雷達外聯(lián)引導臺、局部基準、時統(tǒng)等設備的模擬，并可實時監(jiān)控雷達各分機故障設置的狀態(tài)。教員控制臺有雷達模擬系統(tǒng)上電開關和投影上電開關，方便控制整個系統(tǒng)的運行。在控制臺上可發(fā)送雷達目標航跡，模擬雷達搜索跟蹤目標的整個過程。

天線部分，由于實裝機械部件較多，如果采用實物模擬，造價高且實際效益不大，所以采用三維數(shù)據(jù)展示的方式。天線的三維展示軟件也在教員控制臺計算機運行，運行結果通過畫面拓展，輸出到投影機，投影在120寸投影屏上，實際效果直觀生動。

教員控制臺與顯控臺直接通過網(wǎng)口相連，教員控制臺計算機安裝8串口卡，通過串口與其他各分機直接。各分機故障設置狀態(tài)，通過串口發(fā)送給教員控制臺計算機。

顯控臺與各分機直接通過串口通信，在顯控臺也安裝1塊8串口卡，各分機的故障狀態(tài)變化在發(fā)送給教員控制臺同時，也通過串口發(fā)送給顯控臺，顯控臺以此判斷故障位置，給出不同的故障現(xiàn)象。顯控臺通過串口，將操作員指令發(fā)送給各分機。

各分機內部的組件采用統(tǒng)一的盒體結構+印制板的形式設計，便于模塊化設計和實現(xiàn)。印制板上安裝有撥碼（用來模擬故障）和接插件。為了方便設計，每個組件將統(tǒng)一大小，這樣印制板也可做成等大，所有的組件印制板將是同一種，只是定義不同。各分機內部組件模擬器結構如圖2所示。

圖2 分機組件模擬器結構

4 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件開發(fā)采用了多種平臺和技術。其中教員控制臺、顯控臺軟件基于Windows系統(tǒng)平臺開發(fā)，各分機組件模塊軟件基于RT-Thread操作系統(tǒng)平臺開發(fā)設計。重點介紹顯控臺軟件、雷達天線仿真軟件和故障設置軟件。

4.1 顯控臺軟件

顯控臺軟件是整個模擬訓練系統(tǒng)軟件的核心，顯控臺軟件構成如圖3所示。由于雷達工作環(huán)境的特殊性，該雷達必須考慮船體運動姿態(tài)的變化，為此顯控臺模擬器要構建船體運動姿態(tài)變化產(chǎn)生模塊、仿真系統(tǒng)時間產(chǎn)生模塊、目標運動軌跡產(chǎn)生模塊等，其雷達目標指示數(shù)據(jù)由教員控制臺軟件提供。

圖3 顯控臺軟件結構圖

4.2 雷達天線仿真

雷達天線是按照一定的角度范圍進行方位和俯仰旋轉運動，天線軟件設計運行周期為25 ms。方位和俯仰每個周期最大轉速為0.75°，在誤差量（命令值和當前值差值）≥2°時，維持最大速度，在誤差量＜2°時，進行減速。軟件基于OpenGL平臺進行開發(fā)，采用C++語言進行編程，將天線轉到角度與伺服驅動模塊角度交聯(lián)，最終顯示效果通過投影機投影在大屏幕上，天線搜索跟蹤目標的過程，畫面顯示轉動角度與實際一致。

4.3 故障設置軟件

故障設置軟件的開發(fā)，是基于在分機組件模塊模擬器上運行RT-Thread操作系統(tǒng)。RT-Thread是國產(chǎn)的開源嵌入式實時操作系統(tǒng)。分機組件故障設置及顯示控制軟件流程如圖4所示。

圖4 故障設置及顯示控制軟件流程圖

各分機組件模塊的故障設置，由控制板對外提供差分低電平和高電平。該電平經(jīng)傳輸后由顯控分機檢測，電平高為故障，低為正常。主CPU采集開關狀態(tài)后，狀態(tài)有變化，則將開關狀態(tài)發(fā)送給顯控臺，同時控制相應的指示燈對應變化。

5 結束語

雷達模擬訓練系統(tǒng)采用了“集成化、模塊化”設計方法，采用虛實結合、軟硬結合的方式，由此節(jié)約了大量的研制經(jīng)費。模擬訓練系統(tǒng)實現(xiàn)了單元級仿真，穩(wěn)定度高，使用安全，設備日常維護工作量小，可獨立設置偶發(fā)性故障，單獨形成閉環(huán)，安全可靠的多次反復訓練相關人員，可以大量節(jié)約裝備的維護經(jīng)費。與實裝訓練對比，模擬訓練系統(tǒng)的戰(zhàn)術訓練在保證訓練效果的基礎上極大地降低了日常消耗，可節(jié)約大量的軍事訓練經(jīng)費。該模擬訓練系統(tǒng)的設計思路和實現(xiàn)方法，對類似裝備模擬器的研制具有一定的參考價值。

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〔編輯 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.52