一种防空模拟训练系统设计

李高升,刘培国,覃宇建,何建国

(国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073)

0 引言

近年来电子信息系统和高性能装备的发展趋势表明,未来信息化对抗中的进攻方必将凭借空中优势,广泛使用各类手段,对指挥中心、机场、港口和统帅机关等实行远程精确打击和集中突击,对重要目标的安全构成严重威胁。因此,防空能力的提升具有重要的现实意义[1,2]。

当前,防空部队的训练实际存在目标保障难、空地对抗难、多兵种联合训练难和实弹射击消耗大等问题,难以组织经常性的实装演练。研发防空兵模拟训练系统,通过空情模拟、实际操作和仿真发射等,可使参训人员熟悉作战流程,感受信息化条件下的复杂环境。同时,以模拟训练系统为基础,可对训练过程进行评估,这对于总结经验教训、提高参训人员的指挥和操作水平具有重要价值,也是防空部队参加联合行动、强化训练效果的基础,有助于提高防空部队遂行任务的能力,实现复杂电磁环境下的演练从地 地二维空间向地 空三维空间的转变[2,3]。

1 系统构成与功能

防空部队模拟训练系统包括甲方、乙方和导调等3个分系统。模拟训练系统示意图如图1所示。

甲方:实现对模拟信号的搜索、跟踪和发射,同时进行相应的显示。利用模拟信号进行目标指示,实现自动锁定和跟踪。导弹模拟器能模拟拦截过程,产生单发或双发导弹回波信号,感知导弹检测、装填的操作过程;反馈训练态势、目标信息、阵地配置、拦截过程和效果等供导调和显示。全部操作过程和射击效果可进行评估。

乙方:模拟多种干扰信号,产生模拟空情信息。为甲方(包括实装系统中的引导站、干扰站和雷达等)提供虚拟的电磁、空情环境和可供对抗训练的虚拟对手,使甲方能够在虚拟的环境中进行对抗训练。由于这里涉及的模拟训练基于地对空对抗系统,因此乙方主要提供虚拟的空袭武器及系统。

导调:控制双方的对抗行动。显示演练态势、目标信息、装备和人员配置、攻守过程和效果等。依据发射位置、发射时间、目标属性、拦截效果和后勤保障到位情况等对训练过程进行评估。

图1 防空兵模拟训练系统

2 分系统设计

2.1 甲方分系统

完成对模拟信号的搜索、跟踪、发射和显示,利用模拟信号进行目标指示,发射车自动锁定和跟踪,模拟拦截过程,产生烟火声光效果,产生回波信号并显示。分系统需感知操作员的操作过程并进行记录和评判。为此,分系统模块包括地空导弹模拟器、训练指挥模块和操作评估模块等。

导弹模拟器用于训练操作人员掌握武器系统性能及使用方法,并对系统提供故障诊断和状态测试。可检测导弹和发射装置状态,接收火控系统命令,向导弹和指令模拟器发出各种指令,控制装订仪对导弹进行参数装订,完成射前准备和发射控制;能够进行功能自检,对控制台的性能进行标定。

导弹模拟器包括状态检查、指令产生、信号存储与显示、计时、发射准备、发射控制、数据采集和工作模式控制等模块[3],相互关系如图2所示。

导弹模拟器是时序控制设备,采用状态约束机制和定时控制模式,包括双通道冗余射前检查、发射控制和安全控制等模块。信号存储和显示电路用于存储输入的关键指令,输出控制信号,在导弹发射瞬间对信息进行锁存,具有记忆回放功能。计时模块用于产生时序控制所需的信号,并控制导弹上弹盘、下弹盘、上发射架、发射、过热和显示等过程。

图2 导弹模拟器基本结构

导弹模拟器的工作思路是:根据导弹工作原理和流程,由模拟器产生目标信号,模拟作战指挥系统向指挥仪发送目标指示报文,指挥仪得到目标报文后,模拟武器装备对目标的搜索、跟踪和反干扰。同时,模拟器对产生的仿真目标理论位置和采集得到的信号进行处理,以确定目标真伪。火控计算机依据模拟器提供的目标数据计算射击诸元,带动导弹瞄准目标,在满足射击条件的恰当时机对目标进行虚拟射击,完成一次训练过程。数据采集电路以高速数据采集卡为基础实现,用于采集模拟器的输入输出信号,作为专家系统工作的依据。

在训练过程中,驱动系统运行的模拟信息环境是仿真生成的,系统各设备的运行过程以及各工位的指挥、操作与实际应用方式一致。各工位操作手可按照训练条例各负其责,设置各种工作环境,针对系统的各种工作方式进行反复指挥和操作训练。

指挥控制软件收集各节点信息,判决并发出指令。配置接口接收并解译导调系统指令,并将己方数据安全传送到导调系统。

对操作员的考核评估不能用某种标准答案进行简单评定,需对其操作时间和技巧等方面的因素进行综合评估,而这些因素具有一定的模糊性,很难给出精确的评价标准。需应用基于模糊逻辑的专家系统,使计算机以接近于人的思维模式进行综合评估打分。训练时,操作项目由主机预存的操作专家知识库提供,模拟器记录操作人员的操作时间和操作步骤。把操作时间长短、操作技巧应用的好坏和操作准确程度等因素用模糊量来设定,根据专家评判意见建立模糊推理规则,并结合实际操作的抽样试验对系统参数进行调整,得到模糊评估模型[4]。

2.2 乙方分系统

乙方分系统生成不同应用背景和训练条件下所要求的瞬时、宽带、多种信号样式、高密度、多方位、动态可控的电磁背景信号环境和雷达、通信、导航等信号,并以辐射和注入方式实现信号输出,产生复杂空情信号,包括标准信号模拟、背景信号模拟、系统控制、天馈分系统及目标特性和地形数据库等。

标准信号模拟:生成多路短波、VHF、UHF及微波信号,可输出AM、FM 、SSB 、USB 、LSB 、ISB、DSB、CW、PCM 、FSK、PSK 、QPSK 、MSK、CPFSK 和限 带白噪声等调制样式,具有组网能力。采用软件无线电技术、大规模现场可编程器件、模块化硬件平台及优良的电磁兼容和结构设计,保证信号样式和工作体制等满足高精度、高稳定性和高纯度的指标。

背景信号模拟:可输出 AM 、FM 、SSB 、CW、ASK、FSK和PSK等调制样式。采用任意波形发生技术,实现高密度、复杂背景信号场景的实时产生、快速可变和可控,满足实时性要求。在密集多信号条件下,满足分辨率高、频谱纯和杂散小等要求。

配备覆盖从短波到微波频段的多种天线及升降平台。由于频带宽,需采用多种天线形式以实现有效辐射。对于短波超短波,采用八木、螺旋和振子天线等形式;微波频段,采用对数周期和等角螺旋等形式。每种天线需设计平衡—不平衡变换装置和阻抗匹配网络,实现最佳传输与馈电效果。

空袭目标仿真及目标特性数据库:提供空袭装备模型库,对轰炸机、歼击机、武装直升机、隐身轰炸机和导弹等进行建模仿真。在对这些目标进行仿真时,由于不同装备的机动参数各异,需要分别建立运动学模型,并呈现三维视觉效果。

分系统包含多路短波、VHF、UHF、微波功放和滤波器组,各种过热、过压、失配保护以及电源、功率控制电路等。包括一个高性能屏蔽方仓及一台改装的汽车。方仓内配置定时系统、高稳定度净化电源、UPS、油机和空调等辅助设备,便于实现机动。

2.3 导调分系统

导调分系统的任务是制定训练方案,控制训练过程,并对训练结果进行评估。训练方案包括装备配置、作战意图和产生动作的时刻以及侦察站、干扰站和雷达的部署等。训练过程中,导调站要模拟训练目标的各种动作,并发出指令由侦察站模拟信号供操作员处理,再接收干扰站所做的操作,计算干扰效果,产生新的态势。如此反复,直到训练结束。在评估阶段,根据记载的数据得出训练成绩。分为以下几个模块:训练想定生成、过程管理、态势显示及考核评估。训练过程管理控制模块流程如图3所示。

图3 训练过程管理控制模块流程

编写训练想定的目的是确定虚拟战场的训练框架和初始化信息,这些信息的确定要依据训练的具体要求,参训各方的训练要求如下:

战场设置:为模拟训练提供虚拟的地理环境。可采用真实地形数据构造虚拟地理环境,训练依托这个环境进行,而抗干扰训练也是防空训练的重要内容,所需电磁环境由乙方提供。这就形成了以真实地形为依据、包含复杂虚拟电磁环境的虚拟应用场所。

甲方设置:参训雷达对抗装备可以选择甲方引导站、干扰站和雷达的协同训练,也支持引导站、若干干扰站及雷达独立训练。

乙方设置:空袭方是甲方的对抗方,用于为甲方提供各种不同特点的空袭目标和信号。其设置还包括:装备雷达类型、航迹模拟、初始位置和速度、身份识别标志及电磁环境设置。

训练开始前,确定参训方,根据训练目的和要求,从数据库中选择训练想定预案,确定训练科目,初始化各方数据并开始训练[5]。

训练开始后,导调的主要任务是同步各方时间,根据预案实时确定应设置的训练环境和乙方状态,接收参训席状态信息;当参训席在有效侦察距离内,时间仰角等条件满足的情况下认为甲方已发现乙方,将模拟信息传送给甲方,使参训席认为置身于现实环境中;监控、记录和显示甲方操作;对各方的加入、中止和删除等操作进行控制。

训练过程态势显示把训练进行的相对时间和参训各方信息,以可视化的形式表现,并标识甲方位置、雷达扫描线和干扰机状态等,显示乙方位置和航迹等。

系统软件以Windows XP或Vista为平台,采用Visual C#和LabVIEW等语言混合编程实现,调用Windows API功能函数,通过Winsock控件,利用TCP/IP协议实现模块互联。训练过程中若出现操作不当,系统将进行提示。而对于错误操作,将加以记录并用于成绩评判。系统的公用模块开发成作战准备、目标生成和雷达模拟等3个模块。采用被动式数据库服务方式:把各单元所需的数据打包提交,采用一个中间件,把数据进行暂存。占用资源少,实时性强[6]。

操作员仿真是人在回路中的仿真。在人机交互界面中,仿真产生一个虚拟的操作环境,操作员看到、听到和感觉到仿真过程的一部分,通过在所仿真的态势中对仿真的模型进行操作和控制,并由此将近似实际场景的态势变化反映在模拟的操作界面上。

考核评估的工作包括:根据接收到的受训人员和导调人员输入的各种干预命令,对整个模拟训练过程进行全面分析,评判模拟训练过程中各参训席处置各种情况的方法、效果,总结模拟训练过程中产生的新的运用方法、指挥思想和应用规则等。

3 结束语

装备信息化水平的不断提高,对训练模拟设备与系统的开发也提出了更高的要求,不但要逼真地模拟近似实际的应用环境,而且在武器装备上加装设备,需避免对原有系统的性能产生任何负面影响。上述研究了防空模拟训练系统的基本问题,要想获得最佳的试验效费比,还需考虑的问题包括进一步提高指挥流程各阶段信息的实时采集能力,改进各系统之间的通信连接,保障信号、数据信息传递满足格式兼容,信道稳定,便于装备的机动和展开等[2,5]。

[1]KARCZMARZ D,MANEROWSKI J,SZCZEPANSKI C.Neural Model of Antiaircraft MissileFlight Control[C].AIAA Modeling andSimulation Technologies Conference and Exhibit,2006:140-156.

[2]邹 津,王诗成,梁婷婷,等.特种作战指挥自动化系统若干问题研究[J].无线电工程,2009,39(9):48-51.

[3]姜文志,闫春光,刘爱东,等.导弹发控仪模拟器的设计[J].兵工自动化,2007,26(3):81-83.

[4]姜为学,邓 钦,李宗良,等.某型火控仿真系统模拟训练质量模糊评判[J].弹箭与制导学报,2007,27(2):300-303.

[5]姚龙海,沈 昆,李随意.基于地对空雷达对抗装备的模拟训练系统设计[J].舰船电子工程,2005,25(3):89-92.

[6]连光耀,黄考利,程兆刚.防空导弹发射控制系统模拟训练器设计[J].兵工自动化,2004,23(1):15-17.