某型雷達模擬訓練系統的設計與實現

劉云飛，田華明，王鼎，田沿平

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

某型雷達模擬訓練系統的設計與實現

劉云飛，田華明，王鼎，田沿平

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

研制功能完善的雷達模擬訓練系統，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，對整個系統進行控制。在模擬訓練系統內部，采用模塊化故障設置的方法，實現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成為經濟實效的方法。

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。對外交聯的信號有局部基準信號、時統信號等。研制該模擬訓練系統，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下的典型顯示數據、工作狀態及數據聯動特征值。

（2）操控功能。針對雷達的各種操作，根據不同操控下的畫面切換顯示圖、數據變特征值、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、狀態設置及對各分機的控制。

（3）典型故障設置及檢測。設計實現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、環節進行故障的設置規劃，并根據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象顯示，能夠利用自檢和狀態回傳實現故障判別。

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

（5）分機狀態模擬。參照雷達實際工作狀態，能夠對各分機、單元顯著位置的基本狀態指示（指示燈、數值等）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、設置和數據回傳等。

圖1 雷達模擬訓練系統硬件總體拓撲圖

2 設計思路

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

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，考慮模擬訓練系統是在實驗室環境使用，環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生原因。機柜內部各單元，涉及到射頻信號產生處理的部分，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生，所以在梳理各單元信號交聯關系之后，采用軟件模擬的方式，構建射頻信號產生模塊，使整個模擬訓練系統形成閉環。

3 硬件實現

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

設計實現的雷達模擬訓練系統由顯控臺、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。

設置教員控制臺，在此控制臺上實現雷達外聯引導臺、局部基準、時統等設備的模擬，并可實時監控雷達各分機故障設置的狀態。教員控制臺有雷達模擬系統上電開關和投影上電開關，方便控制整個系統的運行。在控制臺上可發送雷達目標航跡，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，所以采用三維數據展示的方式。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，通過串口發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，各分機的故障狀態變化在發送給教員控制臺同時，也通過串口發送給顯控臺，顯控臺以此判斷故障位置，給出不同的故障現象。顯控臺通過串口，將操作員指令發送給各分機。

各分機內部的組件采用統一的盒體結構+印制板的形式設計，便于模塊化設計和實現。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

系統軟件開發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系統平臺開發，各分機組件模塊軟件基于RT-Thread操作系統平臺開發設計。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軟件的核心，顯控臺軟件構成如圖3所示。由于雷達工作環境的特殊性，該雷達必須考慮船體運動姿態的變化，為此顯控臺模擬器要構建船體運動姿態變化產生模塊、仿真系統時間產生模塊、目標運動軌跡產生模塊等，其雷達目標指示數據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，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，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，是基于在分機組件模塊模擬器上運行RT-Thread操作系統。RT-Thread是國產的開源嵌入式實時操作系統。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采集開關狀態后，狀態有變化，則將開關狀態發送給顯控臺，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，由此節約了大量的研制經費。模擬訓練系統實現了單元級仿真，穩定度高，使用安全，設備日常維護工作量小，可獨立設置偶發性故障，單獨形成閉環，安全可靠的多次反復訓練相關人員，可以大量節約裝備的維護經費。與實裝訓練對比，模擬訓練系統的戰術訓練在保證訓練效果的基礎上極大地降低了日常消耗，可節約大量的軍事訓練經費。該模擬訓練系統的設計思路和實現方法，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