一种防空导弹全任务维修训练模拟器设计*

柳 鹏，杨锁昌，郑思龙，魏保华

（军械工程学院，石家庄 050003）

一种防空导弹全任务维修训练模拟器设计*

柳 鹏，杨锁昌，郑思龙，魏保华

（军械工程学院，石家庄 050003）

针对当前部队缺乏装备维修训练手段的问题，基于“虚实结合”思想设计了一种防空导弹武器系统全任务维修训练模拟器。采用半实物仿真技术构建了基于以太网的多PC分布式体系结构；采用虚拟现实技术构建了虚拟维修训练环境；基于“虚拟维修中测量使用真实信号”理念采用“虚拟维修计算机+任意波形发生器”实现了战车测试信号产生；提出了“维修训练融入操作训练”的训练模式，实现了操作训练和维修训练的有效无缝连接。通过在教学实践中使用证明，该系统结构合理，可靠性高，扩展性好，并对其他复杂装备的维修训练模拟器研制有指导意义。

模拟训练，防空导弹，全任务，虚实结合，维修训练

0 引言

模拟训练是世界各军队开展军事训练的重要手段。通过使用模拟训练器可以安全、便捷、高效地组织部队进行军事训练，经济效益明显，军事效益突出。目前模拟训练系统主要关注于装备的操作训练，而对装备的维修训练（包括故障判断、性能测试、换件维修）涉足不多。

某型地空导弹武器系统是我军的主战防空武器，系统高度集成，技术综合，尤其是维修任务极为复杂。由于客观条件的限制，在训练中很难进行维修训练，导致装备操作人员在装备发生故障后无从下手，无法及时修复。鉴于此，以部队装备操作训练和维修训练需求为牵引，研制了一套地空导弹维修训练模拟系统。采用“半实物仿真”搭建系统硬件体系结构，实现装备的操作训练；采用“虚拟现实技术”构建虚拟维修测试环境，实现装备的维修训练；通过设置典型故障案例，将操作训练和维修训练有效结合起来，引导受训人员通过进行故障判断、装备性能测试和换件维修3个阶段完成维修训练，同步培养提高受训人员的操作训练和维修训练水平。

1 系统功能结构与训练模式

1.1 功能结构

系统主要由主控单元、操作训练分系统和虚拟维修分系统组成，系统功能结构拓扑图如图1所示。

1.1.1 主控单元

主控单元是全系统的控制中心，用于实现训练仿真条件设置、控制训练仿真过程、可视化显示、故障设置和训练成绩评估等功能。

1.1.2 操作训练分系统

操作训练分系统包括搜索与指挥（以下简称为“S车”）操作训练分系统和发射与制导（以下简称为“F车”）操作训练分系统，主要用于进行作战操作训练，配合虚拟维修分系统完成维修训练。

1.1.3 虚拟维修分系统

用于完成作战装备的虚拟维修训练。

图1 系统功能结构拓扑图

1.2 训练模式

系统设计了两种训练模式：操作训练和维修训练。

1.2.1 操作训练

操作训练用于对受训人员进行作战操作训练。由主控单元下达训练科目，操作训练分系统接收科目信息，进行科目训练。操作训练科目主要包括系统展开与撤收、系统自检、校北与互校、功能检查和导弹射击等12个训练科目，各科目既可单独训练，也可以进行全任务系统完整训练。

1.2.2 维修训练

维修训练用于对受训人员进行维修训练。选择战车常见典型故障建立维修科目集，由主控单元、操作训练分系统和维修训练分系统共同配合完成。

维修训练采用“虚实结合”的设计思想，主控单元设置维修训练科目，在“实”（操作训练分系统）上显示故障，在“虚”（虚拟维修分系统）上修理故障。维修训练流程如图2所示：

图2 系统维修训练流程图

1）主控单元进行维修训练科目选择，经以太网发送给操作训练分系统和虚拟维修分系统；

2）操作训练分系统接收到维修科目信息，进行故障现象状态显示；

3）受训人员根据操作训练分系统显示的故障现象，进行故障判断、性能测试，在虚拟维修分系统上进行维修操作（更换组合、电路板等）；

4）维修完成后，虚拟维修分系统发送维修结束消息到主控单元和操作训练分系统；

5）操作训练分系统故障现象消失，操作训练分系统恢复正常，维修科目训练完成。

2 系统设计与实现

2.1 硬件设计与实现

系统采用半实物仿真方式、基于以太网多PC式分布式体系结构，使用“主控单元（主控计算机）＋路由器+S车（F车）控制计算机”的信息流控制模式。主控计算机通过路由器将各种控制信息送至各实装控制计算机，各实装控制计算机根据训练进程实现信息交互。系统硬件结构如下页图3所示。

2.1.1 操作训练分系统

操作训练分系统采用“控制计算机+数据采集卡（I/O卡、A/D卡）+信号转换电路+实装模拟操作面板”的设计思路，受训人员通过与实装模拟操作面板的交互进行训练操作，数据采集卡实时采集实装模拟操作面板的状态，将状态变化信息送至控制计算机，控制计算机根据采集到的状态变化进行响应，完成控制指示灯亮灭、雷达屏幕显示变化等工作。

1）S车操作训练分系统

S车硬件模块包括数据处理模拟机柜、搜索雷达模拟机柜和数据传输模拟机柜3个部分，机柜之间通过多芯电缆实现信号传递。数据处理模拟机柜包括模拟面板、采集与驱动电路、S车控制计算机和稳压电源；雷达机柜由模拟面板、采集与驱动电路构成。数据传输模拟机柜仅安装有模拟面板，通过电缆与搜索雷达模拟机柜中的采集与驱动电路连接。其硬件模块结构图如图4所示：

图3 系统硬件结构图

图4 S车操作训练分系统硬件模块构成图

2）F车操作训练分系统

F车操作训练分系统的硬件设计思路与S车一致。

2.1.2 虚拟维修分系统

在战车维修过程中，受训人员需要将通用测量仪器（万用表、示波器）连接到战车组合的测试接口，进行战车性能测试。为增加维修训练的真实感，虚拟维修分系统采用“在虚拟维修中使用真实信号测量”的设计思路，使用“虚拟维修计算机+任意波形发生器”的信号产生方式，进行战车组合上测试信号的模拟。任意波形发生器选用了阿尔泰公司的PCI8100任意波形发生器，最高点频达80 MHz，基于PCI总线进行波形产生控制。虚拟操作分系统硬件结构如图5所示。

图5 虚拟操作分系统硬件结构图

2.2 软件设计与实现

2.2.1 主控单元

主控单元主要由训练过程控制模块、目标仿真模块、导弹弹道仿真模块、视景仿真模块、网络通信模块和成绩评估模块等组成。采用VC++6.0和Vega实现。程序流程图和程序界面如下页图6、图7所示。

1）目标仿真模块

将目标航迹划分为直线飞行、俯冲机动和蛇形机动3种基本样式，使用参数仿真法实现；采用3次样条插值方法对基本飞行样式进行组合，拟合目标运动实际飞行的复杂航迹。

2）导弹弹道仿真模块

先采用亚实时六自由度弹道仿真拟合出导弹的飞行速度曲线；再依据三点法导引规律以0.015 7 s作为步长周期进行导弹弹道实时仿真。

图6 主控单元程序流程图

图7 主控单元程序界面

3）视景仿真模块

使用MultiGen Creator构造战车、导弹、飞机等三维模型，使用基于MFC的Vega完成导弹及目标动态显示等视景仿真，并同步播放飞机发动机声、导弹爆炸声等声音特效，真实反映作战场景。

4）成绩评估模块

以定性评估与定量评估相结合，采用“分解-综合”的评估策略，基于“三标度AHP法+模糊综合评判”的实现方法来进行成绩评估。

2.2.2 操作训练分系统

操作训练分系统主要由硬件采集与控制模块、雷达终端显示模块、网络通信模块和操作数据记录模块等组成。S车、F车操作训练分系统的程序流程如图8所示，雷达显示界面如下页图9所示。

图8 操作训练分系统程序流程图

1）硬件采集与控制模块

通过采集实装操作面板中各种开关按键的变化状态，进行逻辑判断，根据判断结果来控制指示灯点亮/熄灭、仪表显示，或是触发其他分系统进行响应。采用扫描查询的方式，以100 ms作为扫描周期，使用ACL-7122数字I/O卡进行硬件状态的采集和输出。

2）雷达终端显示模块

主要用于完成雷达显示器的图形显示仿真。根据接收到的空情信息和硬件状态变化，按照雷达显示器显示的规则逻辑，进行图形显示。F车雷达显示界面如图9所示。

图9 F车雷达显示界面

2.2.3 虚拟维修分系统

虚拟装备分系统包括虚拟装备外观模型、虚拟装备机理模型、信号模拟产生模块和网络通信模块组成，使用Virtools 4.0进行开发。F车虚拟装备分系统程序界面如图10所示。

图10 F车虚拟装备分系统程序界面

1）虚拟装备外观模型

使用3DMax对S车、F车实装操作面板和电子组合进行三维建模。

2）虚拟装备机理模型

基于故障案例式的维修训练科目，分别建立对应训练科目的机理模型，使装备的工作状态依据操作事件或内部连续行为做出响应。

3）信号模拟产生模块

分析S车、F车实装上的200余种装备测试信号特点，编写相应的波形产生函数送至PCI8100任意波形发生器，产生装备测试信号。该信号可以使用真实示波器进行测量。

3 结论

1）采用“半实物仿真”+“虚拟现实技术”的技术设计理念，操作训练分系统依照实装构建模拟面板，虚拟维修分系统搭建了虚拟维修环境，为受训人员提供了逼真的训练环境。

2）采用“虚实结合”的思想，设计了“维修训练融入操作训练”的训练模式，在操作训练中动态设置故障，将维修训练融入到真实的训练环境中，实战化训练效果明显。

3）采用了“基于总线技术”的硬件控制和信号产生方法，技术成熟，可靠性高。

通过在教学实践中使用证明，该系统使用方便，可靠性高，且具有良好的扩展性，随着维修训练的需要，不断增加维修训练项目和内容，可以满足该型号导弹装备教学和部队操作维修训练的需要，并对其他复杂装备的维修训练模拟器研制有指导意义

［1］朱元昌，邸彦强，全厚德，等.通用雷达装备模拟训练系统及其关键技术研究 ［J］.系统仿真学报，2005，17（11）：2633-2674.

［2］程勇刚，朱元昌，邸彦强，等.基于Virtools与HLA的模拟训练系统研究［J］.计算机仿真，2008，25（6）：265-269.

［3］刘兴堂，万少松，张双选.论军用模拟训练器/系统的发展趋势［J］.系统仿真学报，2002，14（5）：647-649.

Design of Full-task Maintenance Simulation Training System for an Air Defense Missile

LIU Peng，YANG Suo-chang，ZHENG Si-long，WEI Bao-hua
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Aiming at the question of lacking the maintenance training equipment，a full-task maintenance simulation training system for an air defense missile is designed based on the“integrated of virtual and actual”.Adopting the hardware-in-the-loop simulation，the multi-PC distributed system architecture is constructed based on the Ethernet；Adopting the virtual reality technology，the virtual maintenance training environment is constructed；Adopting “virtual maintenance computer+arbitrary waveform generator”，the test signal is simulated；The training method of “syncretizing operation training and maintenance training”is put forward.The system has logical architecture，high reliability and good expansibility by using the teaching practice which also can provide effective direction of maintenance simulation training system of other complex equipment.

simulation training，air defense missile，full-task，integrated of virtual and actual，maintenance training

TP391；TJ761

：A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.027

2016-05-20

：2016-06-26

全军模拟训练中心建设基金资助项目（2014YY101）

柳 鹏（1980- ），男，辽宁辽阳人，硕士，讲师。研究方向：系统建模与仿真。

1002-0640（2017）06-0119-05