某型雷达模拟训练系统的设计与实现

刘云飞，田华明，王鼎，田沿平

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

某型雷达模拟训练系统的设计与实现

刘云飞，田华明，王鼎，田沿平

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

研制功能完善的雷达模拟训练系统，对提高该型雷达教学保障能力，使学员迅速掌握雷达的操作使用和故障排除方法具有重要意义。该雷达模拟训练系统在设计上采用虚实结合的方法，雷达模拟器主体采用实物模拟，雷达天线转台以及与雷达相交联的其他设备采用虚拟仿真，并外设多功能教员控制台，对整个系统进行控制。在模拟训练系统内部，采用模块化故障设置的方法，实现了单元级的故障仿真。

雷达；模拟器；故障设置

0 引言

某型雷达由于实装造价昂贵，院校目前没有装配，为了满足教学训练需求，使得学员快速熟悉装备操作使用和维护保障方法，掌握故障排除能力，研制对应的模拟训练系统成为经济实效的方法。

1 功能需求

该雷达由显控台、信号处理机柜、伺服驱动机柜、配电机柜、转台分机及天线组成。对外交联的信号有局部基准信号、时统信号等。研制该模拟训练系统，需要紧贴实际装备，立足学员能力提升的需求，为此需要具备以下功能。

（1）显示功能。雷达显控台模拟器可模拟该雷达的人机界面显示、操作，并能独立模拟雷达的捕获、跟踪过程，能在显示器上模拟显示出雷达的各种状态变化，便于训练和操作。在各工作画面下，提供雷达在该画面状态下的典型显示数据、工作状态及数据联动特征值。

（2）操控功能。针对雷达的各种操作，根据不同操控下的画面切换显示图、数据变特征值、各分机控制指令典型值，提供与实装一致的雷达操控功能。通过键盘、触摸屏，能够完成对雷达的操作、状态设置及对各分机的控制。

（3）典型故障设置及检测。设计实现雷达各分机单元级故障设置及检测功能。完成对雷达及分机内部主要模块、环节进行故障的设置规划，并根据雷达工作原理在显控台对设置情况进行检测及典型故障现象显示，能够利用自检和状态回传实现故障判别。

（4）雷达工作模拟。提供雷达在响应上级系统指令、搜索、跟踪、自检、参数装订、幅相校正等工作状态下的显示数据、各分机的联动反应和典型数据（或数据变化）。

（5）分机状态模拟。参照雷达实际工作状态，能够对各分机、单元显著位置的基本状态指示（指示灯、数值等）进行模拟显示，提供特征值。

（6）远程控制。通过教员控制台能够对雷达模拟器进行简单控制、操作、设置和数据回传等。

图1 雷达模拟训练系统硬件总体拓扑图

2 设计思路

根据以上功能需求，构建符合教学训练要求的雷达模拟训练系统，系统整体设计思路如下。

2.1 硬件设计

雷达模拟器机柜外观要求与实际装备1∶1完全一致，考虑模拟训练系统是在实验室环境使用，环境适应性要求降低了很多，因此，可采用普通厚钢板来代替实装的铸铝件，采用民品级元器件代替军品级元器件，以降低制作成本。保留各个机柜所有的对外显示部分（如LED指示灯）以及开关旋钮等部件。在信号处理机柜检测孔，设计产生与实装一致的中频信号，能够外接示波器进行观测，便于学员掌握中频信号检测方法，以此判断信号处理机柜的故障产生原因。机柜内部各单元，涉及到射频信号产生处理的部分，其组件内部模块全部简化掉，只保留必要的对外交联接口。

2.2 软件设计

要求显控台显示内容及界面与实装一致。由于各分机并无实际射频信号产生，所以在梳理各单元信号交联关系之后，采用软件模拟的方式，构建射频信号产生模块，使整个模拟训练系统形成闭环。

3 硬件实现

根据功能需求及设计思路，最终实现的某型雷达模拟训练系统硬件拓扑结构如图1所示。

设计实现的雷达模拟训练系统由显控台、教员控制台、投影机（投影屏）、信号处理机柜、伺服驱动机柜、配电机柜、转台分机及高频箱分机组成。其中显控台、信号处理机柜、伺服驱动机柜、配电机柜和高频箱分机以实体形式做成与实装1∶1的外观。

转台分机控制模块很小，与高频箱分机合在一起，放在一个箱体中，其功能由软件模拟实现。

设置教员控制台，在此控制台上实现雷达外联引导台、局部基准、时统等设备的模拟，并可实时监控雷达各分机故障设置的状态。教员控制台有雷达模拟系统上电开关和投影上电开关，方便控制整个系统的运行。在控制台上可发送雷达目标航迹，模拟雷达搜索跟踪目标的整个过程。

天线部分，由于实装机械部件较多，如果采用实物模拟，造价高且实际效益不大，所以采用三维数据展示的方式。天线的三维展示软件也在教员控制台计算机运行，运行结果通过画面拓展，输出到投影机，投影在120寸投影屏上，实际效果直观生动。

教员控制台与显控台直接通过网口相连，教员控制台计算机安装8串口卡，通过串口与其他各分机直接。各分机故障设置状态，通过串口发送给教员控制台计算机。

显控台与各分机直接通过串口通信，在显控台也安装1块8串口卡，各分机的故障状态变化在发送给教员控制台同时，也通过串口发送给显控台，显控台以此判断故障位置，给出不同的故障现象。显控台通过串口，将操作员指令发送给各分机。

各分机内部的组件采用统一的盒体结构+印制板的形式设计，便于模块化设计和实现。印制板上安装有拨码（用来模拟故障）和接插件。为了方便设计，每个组件将统一大小，这样印制板也可做成等大，所有的组件印制板将是同一种，只是定义不同。各分机内部组件模拟器结构如图2所示。

图2 分机组件模拟器结构

4 软件实现

系统软件开发采用了多种平台和技术。其中教员控制台、显控台软件基于Windows系统平台开发，各分机组件模块软件基于RT-Thread操作系统平台开发设计。重点介绍显控台软件、雷达天线仿真软件和故障设置软件。

4.1 显控台软件

显控台软件是整个模拟训练系统软件的核心，显控台软件构成如图3所示。由于雷达工作环境的特殊性，该雷达必须考虑船体运动姿态的变化，为此显控台模拟器要构建船体运动姿态变化产生模块、仿真系统时间产生模块、目标运动轨迹产生模块等，其雷达目标指示数据由教员控制台软件提供。

图3 显控台软件结构图

4.2 雷达天线仿真

雷达天线是按照一定的角度范围进行方位和俯仰旋转运动，天线软件设计运行周期为25 ms。方位和俯仰每个周期最大转速为0.75°，在误差量（命令值和当前值差值）≥2°时，维持最大速度，在误差量＜2°时，进行减速。软件基于OpenGL平台进行开发，采用C++语言进行编程，将天线转到角度与伺服驱动模块角度交联，最终显示效果通过投影机投影在大屏幕上，天线搜索跟踪目标的过程，画面显示转动角度与实际一致。

4.3 故障设置软件

故障设置软件的开发，是基于在分机组件模块模拟器上运行RT-Thread操作系统。RT-Thread是国产的开源嵌入式实时操作系统。分机组件故障设置及显示控制软件流程如图4所示。

图4 故障设置及显示控制软件流程图

各分机组件模块的故障设置，由控制板对外提供差分低电平和高电平。该电平经传输后由显控分机检测，电平高为故障，低为正常。主CPU采集开关状态后，状态有变化，则将开关状态发送给显控台，同时控制相应的指示灯对应变化。

5 结束语

雷达模拟训练系统采用了“集成化、模块化”设计方法，采用虚实结合、软硬结合的方式，由此节约了大量的研制经费。模拟训练系统实现了单元级仿真，稳定度高，使用安全，设备日常维护工作量小，可独立设置偶发性故障，单独形成闭环，安全可靠的多次反复训练相关人员，可以大量节约装备的维护经费。与实装训练对比，模拟训练系统的战术训练在保证训练效果的基础上极大地降低了日常消耗，可节约大量的军事训练经费。该模拟训练系统的设计思路和实现方法，对类似装备模拟器的研制具有一定的参考价值。

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〔编辑 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.52