一种基于国产化的雷达模拟演训系统设计与实现

李华君，陈 婧，林 悦，周 元

(中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雷达模拟训练基于仿真手段结合实装体验，通过对雷达环境、目标态势及雷达状态等进行参数化拟定与设置，参照实装工作流程建立软件模型进行信息处理，还原雷达工作及探测场景，以终端显示为主要呈现手段，对给定雷达进行操作使用的过程。雷达模拟训练系统一般可依据雷达的指定训练需求进行平台搭建，多选用与需模拟雷达同类硬件及系统环境。系统功能建设主要体现在具备外部系统导控与态势信息接入功能；具备单机雷达训练场景态势、作战想定、电磁环境与地理环境等要素拟定功能；具备雷达数据处理与显控操作模拟功能。而通用数字雷达仿真系统及数字雷达模拟系统研究向集装备模型、电磁环境模型建模与算法仿真优化、场景模拟及推演、雷达信号生成模拟、雷达任务复盘与效能计算、雷达理论培训与操作评估等综合演训平台延伸。

相较于实装训练，雷达模拟训练极大减少了训练经费和日常消耗，同时也可保证基本的训练效果，目前已在各国军事初始训练中得到广泛应用。我国也开展了大量雷达模拟训练技术和应用研究[1-2]。

雷达模拟训练系统通常采用“集成化、模块化”的设计思路以及虚实结合、软硬结合的设计方法，具备稳定度高、使用安全性高、设备日常维护工作量少、可独立设置偶发性故障、可单独形成闭环和多次反复训练雷达操作人员等优点，节约了装备的维护经费和维修时间[3]。

1 技术背景

1.1 VPX

VPX是VITA组织于2007年在其VME总线基础上提出的新一代高速串行总线标准。VPX总线的基本规范、机械结构和总线信号均有系列技术定义。VPX架构对有速率要求的雷达、图像处理、远程控制等有明显优势。新一代VPX总线标准采用高速串行总线替代并行总线的技术；采用了Rapid I/O、先进开关网络互联技术和PCI-Express的高性能接口技术，具备强大的I/O能力和高性能网络交换能力，支持更高的背板带宽，其最高理论带宽达到8 Gb/s。目前基于VPX架构的电子设备已经成功应用到车载、弹载、雷达、成像处理等领域，在地面和低空环境多种场合下验证了设备的性能。

国内的电子机箱设计近年来飞速发展，基于VPX的电子机箱结构设计便捷，设计和修正周期短，具备功能集成化、微小型化、高功率、高可靠性等优势，新一代VPX机箱采取模块式的密闭设计和真空钎焊等工艺方法，能进一步提高电子设备机箱的抗震强度、传热效率、电磁屏蔽性能、焊接质量和机箱精度，在机箱发展方面取得了较好的应用效果[4]。

1.2 国产平台

随着国家信息安全需求的不断增强，装备硬件板卡国产化将是大趋势，国产化芯片及板卡目前还在不断成长中。

处理器是数字类电子产品的核心，国产CPU经过多年发展，与发达国家的技术差距明显缩小，目前国产的主流处理器包括中国科学院的“龙芯”系列、国防科技大学的“飞腾”系列等，在军用系统和实时数字信号处理领域、高端嵌入式应用领域表现优异。

操作系统作为用户层应用软件和硬件裸机中间层的接口，同时也是其他外围硬件及工具软件的API。操作系统具有很强的基础功能，为其了软件的开发提供必要的底层服务支持和外部程序的接口等，提高人机交互性能，呈现一个良好的桌面环境[5]。

由于受监控计划影响和安全威胁，自主可控的国产操作系统逐渐投入使用。国产操作系统紧密结合国内用户的实际需求，坚持“充分利旧”、“平滑替代”和“自主可控”的原则，实现对原有窗口操作系统的取代工作，其中包括Windows XP专业版本和Windows XP嵌入式版本[6]。“银河麒麟”操作系统下可实现软件环境搭建、软件架构设计、软件集成应用、操作系统技术应用、软件可靠性和安全性设计、软件界面设计和国产数据库适配等方面的技术工作。

1.3 软件架构

对于软件架构，有着不同表述的定义。比如，架构是一系列重要决策的集合，这些决策和以下内容有关：软件组织、构成系统的结构元素及其接口的选择，这些元素在相互协作中明确表现的行为等；IEEE将架构定义为：架构是以组件、组件之间的关系、组件与环境之间的关系为内容的某一系统的基本组织结构，以及指导上述内容设计和演化的原理[7]。

软件系统一般由横跨不同层次和技术的多个应用软件组成，在定义每个应用软件的架构，将其解构为各种类、组件、函数、设计模式与代码组织后，系统架构主要将系统中以应用软件为基础的结构单元进行有效的组织与集成，同时关注互操作性及其与环境中其他系统的合作。目前相对成熟的软件架构主要有云架构、分层架构、事件驱动架构、微内核架构、微服务架构等，各种架构各有优缺点和不同的适应场景。

2 系统设计

本文雷达演训系统的主要特征是基于国产化平台与运行环境，具备异型雷达模拟演训的适配性；具备对需模拟雷达的操作与使用训练功能，系统界面和人机交互与实装基本保持一致；具备雷达工作演示功能；具备模拟生成、处理与显示雷达回波视频、目标、状态和故检信息等功能；可对训练场景与目标进行编辑，依据假定设置地理环境分布、雷达平台运动轨迹、目标航迹等参数，具备训练场景生成、推演及下发功能；可为训练人员进行装备原理、使用和维护等基础知识学习，提供包含技术文档、视频、图片等形式的电子资料阅览功能；符合自主可控，通用化、小型化与便捷性要求，便于安装与部署。

通过选用基于VPX架构的国产化硬件平台并安装国产操作系统，满足自主可控、小型化与便捷性要求；通过系统架构与功能设计满足其功能需求；提供一种适用的模拟演训机制，制定本系统标准的视频、数据与报文格式规范，通过软件代理适配完成异型雷达的系统本地化与实例化模拟，提升系统的通用性。采用软件绘制雷达探测态势，实现一种通过读取与解算雷达真实回波文件作为视频背景，并叠加仿真目标回波与二次目标进行合成显示的方法。其中，演训系统的视频回放文件通过格式化编码与转储，将各型雷达在实探过程中的操控信息、信号参数、时间信息与回波数据等信息整合，完成雷达模拟训练中对视频绘制、雷达操控、目标管理与数据处理的同步匹配与还原演示。

2.1 系统硬件组成

系统选用VPX架构的电子机箱，安装包括交换模块、电源模块与若干通用处理模块在内的多型硬件板卡，其中通用处理模块采用国产“飞腾”CPU芯片+国产“景嘉”微集成显卡，运行“银河麒麟”国产操作系统。通用处理模块性能配置与接口一致，其数量可增减，性能可升级，具有良好的互换性与扩展性。可根据模拟雷达的差异动态选配板卡并进行功能软件的本地化部署，或将功能软件运行于指定的功能模块。模块间的信息通过交换模块进行网络通信，在数据模拟功能模块与显示操控功能模块之间，视频数据也可通过Rapid I/O接口传输。VPX机箱组成如图1所示。

图1 系统VPX机箱组成图

2.2 系统软件设计

系统软件采用开放式分层架构设计，其中电子交互培训软件采用B/S结构，通过数据库与数据服务支撑。系统中实现软件构件化开发、部署、应用和交换。在体系结构中依托支撑层和功能层形成应用支持，根据模拟雷达任务需求和特点，进行有实例化的软件部署，构建出一套具有通用性的系统。软件体系结构由硬件与环境支撑层、资源支撑层、功能层、应用层和任务层组成。

雷达模拟演训系统软件体系架构如图2所示。

图2 系统软件架构图

系统软件为达成某雷达模拟演训功能，结合该雷达实装特性，通过拟定编辑雷达地理环境和场景参数，仿真或模拟生成其探测区域内的回波及目标，构建并推演出指定的目标态势，供雷达用户操作与训练时使用。通过对雷达状态、故障等信息进行编排模拟装备运行状况，以提高用户装备维护水平。用户亦可通过登录在线培训系统学习雷达基本理论知识。

在常规演训机制下，依据功能软件的部署为承载的通用处理模块命名。场景仿真模块运行场景仿真软件，对训练场景进行编辑，可按需求设置地理环境参数、雷达装载平台运动轨迹、配试目标运动轨迹，并展开推演。数据模拟模块运行数据模拟软件，完成雷达回波背景及目标回波的解析和加载，合成雷达回波数据；完成雷达故障及异常的模拟，生成和配置雷达状态变化和故障启停的预设方案，用于训练和提高用户的雷达维护及应急处置能力。数据存储模块安装数据库与服务软件，存储雷达模拟的配置文件、数据表单、电子素材与模板文件，并提供服务支撑B/S架构的电子交互培训软件。数据处理模块运行数据处理软件，接收雷达视频与目标回波数据，根据用户操作进行目标检测、建航与跟踪，形成目标航迹，并响应目标的管理操作，反馈至模拟显控软件；显示操控模块运行模拟显控软件，完成雷达工作画面显示和操控处理等，实现对视频、目标等雷达信息的绘制，提供目标录取、雷达操控等训练功能。功能软件部署如图3所示。

图3 系统软件功能部署图

2.3 系统执行原理

雷达模拟演训系统通过配置与实现需模拟雷达的显控与信息处理等功能软件集合，进行信息模拟、生成、交互、处理及显示，形成雷达的实操训练和业务培训功能。用户可以登录浏览器，完成雷达场景编辑与装备知识学习培训。通过接口代理适配将雷达间的视频、目标、状态及故障等信息的处理通用化。参照实装显控软件进行本地化设计，还原被模拟雷达的人机交互体验。提供雷达操控界面，对雷达进行任务操控和目标管理指令下发，完成日常雷达训练以及对模拟雷达功能的使用与演示。雷达模拟演训系统的执行原理如图4所示。

图4 系统执行原理图

(1)用户开机，雷达模拟训练系统运行；

(2)用户在场景仿真编辑界面，根据配置或需求设置地理环境参数、雷达平台运动轨迹、目标实体信息等特征参数，将数据推送至数据模拟软件；

(3)数据模拟软件完成雷达回波视频文件的解析和加载，叠加目标仿真回波数据，根据场景编辑软件的推演同步更新回波及目标点、航迹参数，送模拟显控软件绘制及显示；

(4)用户感知雷达视频画面，进行目标录取、雷达操控等人机操作，将操控命令下发至数据处理软件；

(5)数据处理软件接收用户操作指令，进行目标检测、建航及跟踪，将目标信息反馈至模拟显控软件，并响应目标的管理操作；

(6)数据模拟软件响应用户雷达操控前端指令，进行雷达伺服、发射、信号等状态变更，将模拟信息同步反馈至模拟显控软件与数据处理软件；

(7)数据模拟软件根据人工编排或读取配置文件生成雷达工作和故障信息预设方案，执行雷达状态及故障的模拟，训练和提高用户的雷达维护及应急处置能力；

(8)用户开启浏览器，通过授权登录电子交互培训系统，阅览与学习装备的技术文档、视频、图片及有关原理等基础知识。

3 系统实现

雷达模拟演训系统基于开放式的扩展设计，根据模拟雷达特征对各通用处理模块中的软件进行参数化配置与集成，完成功能软件或数据库的本地化加载。通过规范化系统的执行流程，标准化系统的雷达视频、数据与报文接入格式，解耦模拟雷达间的差异性。针对不同实装雷达探测中采集的回波数据差异性，通过软件代理完成格式转码，并将该雷达的实时操控信息、信号参数、时间信息与回波数据整理打包，形成与系统适配的通用雷达视频文件。数据模拟软件加载和解析格式化的回波视频文件，叠加场景编辑的目标回波数据，将信息分发至数据处理软件和模拟显控软件；数据处理软件完成录取目标的检测、建航与跟踪等；模拟显控软件对雷达视频绘制、扫描模式、仿真目标等进行同步匹配，结合场景仿真软件的推演更新仿真目标位置动态和雷达扫描探测视频画面，而后结合目标录取操作，获取数据处理软件反馈的目标航迹，合成完整的目标态势，实现对雷达探测的还原演示，完成对异型的实装模拟。雷达视频与目标的绘制基于国产显卡+OpenGL机制，采用Qt开发软件实现画面的高效渲染与实时绘制。

3.1 场景仿真实现

用户通过场景仿真与编辑界面设置地理参数、目标实体信息等特性参数。场景仿真界面设计如图5所示，通过编辑设置航路上的点及点间的运动轨迹(圆周、直线)和速度、加速度等运动参数实现场景编辑与目标航路规划。

图5 航路规划界面

3.2 数据模拟实现

根据目标航路规划中目标的轨迹以及运动参数实时解算目标位置参数(距离、方位)信息。根据雷达的方位分辨率将360°量化成N个方位，根据距离分辨率和雷达的威力范围将雷达探测距离量化成M个距离单元，如图6所示。

图6 目标解算及量化模拟图

如图7所示，根据目标位置参数(距离和方位)将目标位置量化到图6对应的方位和距离点(m，n)上，并在目标量化点位置上模拟设置目标回波强度，并在该点四周分别沿距离和方位方向按照一定的梯度衰减设置目标回波强度，以达到目标回波模拟目的。

图7 回波解算量化模拟图

如图8所示，系统提供雷达状态和故障模拟编辑界面，可配置和生成雷达状态和故障信息预设方案，通过雷达故障及异常推演来训练和提高用户的雷达维护与应急处置能力。

图8 雷达状态及故障模拟图

3.3 显示控制效果

数据模拟软件通过读取雷达真实回波视频文件中的数据，并根据真实回波的方位查找上述方位上所有仿真目标的模拟回波，将其叠加至真实回波数据中，交由模拟显控软件合成绘制显示。数据处理软件接收操作员的录取命令，进行模拟目标处理，输出目标信息，完成目标跟踪，并将目标航迹反馈给显控软件绘制。亦可模拟目标丢失情况，训练操作员对目标的管理和处置能力。对雷达探测的还原演示效果图如图9所示。

图9 雷达还原演示效果图

用户登录浏览器，通过授权登录电子交互培训系统的界面如图10所示。

图10 雷达电子交互培训界面

4 结束语

本文设计与实现的基于国产化的雷达模拟演训系统，将硬件模块集成于一体式VPX架构电子机箱中，实现了系统的小型化，提高了设备的便携性。搭载配置国产“飞腾”CPU芯片+国产“景嘉”微集成显卡、安装国产“麒麟”操作系统的通用处理模块，并部署模拟功能软件。各软件基于Qt开发，具备跨平台跨系统的良好移植性与高复用性，便于系统升级与迁移；功能软件集雷达应用场景拟定、数据生成、处理、显示及操控训练、反馈功能为一体，具备可视化演示能力。基于开放式的设计，兼顾平台、产品及接口的通用性，可根据参数化配置功能组配，完成雷达基本功能演示、雷达数据源与服务、雷达场景编辑及雷达模拟训练功能。亦可作为产品配试平台，在研发与训练中满足雷达前端脱机下的使用需求。系统克服了因雷达训练与实装耦合难以便携部署的不便，且兼顾值班警戒和日常演训，有效解决了在工程实现中难于对异型雷达进行通用模拟的处理难点，因此具有较好的通用性和实用性。