一種基于國產化的雷達模擬演訓系統設計與實現

李華君，陳 婧，林 悅，周 元

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雷達模擬訓練基于仿真手段結合實裝體驗，通過對雷達環境、目標態勢及雷達狀態等進行參數化擬定與設置，參照實裝工作流程建立軟件模型進行信息處理，還原雷達工作及探測場景，以終端顯示為主要呈現手段，對給定雷達進行操作使用的過程。雷達模擬訓練系統一般可依據雷達的指定訓練需求進行平臺搭建，多選用與需模擬雷達同類硬件及系統環境。系統功能建設主要體現在具備外部系統導控與態勢信息接入功能；具備單機雷達訓練場景態勢、作戰想定、電磁環境與地理環境等要素擬定功能；具備雷達數據處理與顯控操作模擬功能。而通用數字雷達仿真系統及數字雷達模擬系統研究向集裝備模型、電磁環境模型建模與算法仿真優化、場景模擬及推演、雷達信號生成模擬、雷達任務復盤與效能計算、雷達理論培訓與操作評估等綜合演訓平臺延伸。

相較于實裝訓練，雷達模擬訓練極大減少了訓練經費和日常消耗，同時也可保證基本的訓練效果，目前已在各國軍事初始訓練中得到廣泛應用。我國也開展了大量雷達模擬訓練技術和應用研究[1-2]。

雷達模擬訓練系統通常采用“集成化、模塊化”的設計思路以及虛實結合、軟硬結合的設計方法，具備穩定度高、使用安全性高、設備日常維護工作量少、可獨立設置偶發性故障、可單獨形成閉環和多次反復訓練雷達操作人員等優點，節約了裝備的維護經費和維修時間[3]。

1 技術背景

1.1 VPX

VPX是VITA組織于2007年在其VME總線基礎上提出的新一代高速串行總線標準。VPX總線的基本規范、機械結構和總線信號均有系列技術定義。VPX架構對有速率要求的雷達、圖像處理、遠程控制等有明顯優勢。新一代VPX總線標準采用高速串行總線替代并行總線的技術；采用了Rapid I/O、先進開關網絡互聯技術和PCI-Express的高性能接口技術，具備強大的I/O能力和高性能網絡交換能力，支持更高的背板帶寬，其最高理論帶寬達到8 Gb/s。目前基于VPX架構的電子設備已經成功應用到車載、彈載、雷達、成像處理等領域，在地面和低空環境多種場合下驗證了設備的性能。

國內的電子機箱設計近年來飛速發展，基于VPX的電子機箱結構設計便捷，設計和修正周期短，具備功能集成化、微小型化、高功率、高可靠性等優勢，新一代VPX機箱采取模塊式的密閉設計和真空釬焊等工藝方法，能進一步提高電子設備機箱的抗震強度、傳熱效率、電磁屏蔽性能、焊接質量和機箱精度，在機箱發展方面取得了較好的應用效果[4]。

1.2 國產平臺

隨著國家信息安全需求的不斷增強，裝備硬件板卡國產化將是大趨勢，國產化芯片及板卡目前還在不斷成長中。

處理器是數字類電子產品的核心，國產CPU經過多年發展，與發達國家的技術差距明顯縮小，目前國產的主流處理器包括中國科學院的“龍芯”系列、國防科技大學的“飛騰”系列等，在軍用系統和實時數字信號處理領域、高端嵌入式應用領域表現優異。

操作系統作為用戶層應用軟件和硬件裸機中間層的接口，同時也是其他外圍硬件及工具軟件的API。操作系統具有很強的基礎功能，為其了軟件的開發提供必要的底層服務支持和外部程序的接口等，提高人機交互性能，呈現一個良好的桌面環境[5]。

由于受監控計劃影響和安全威脅，自主可控的國產操作系統逐漸投入使用。國產操作系統緊密結合國內用戶的實際需求，堅持“充分利舊”、“平滑替代”和“自主可控”的原則，實現對原有窗口操作系統的取代工作，其中包括Windows XP專業版本和Windows XP嵌入式版本[6]。“銀河麒麟”操作系統下可實現軟件環境搭建、軟件架構設計、軟件集成應用、操作系統技術應用、軟件可靠性和安全性設計、軟件界面設計和國產數據庫適配等方面的技術工作。

1.3 軟件架構

對于軟件架構，有著不同表述的定義。比如，架構是一系列重要決策的集合，這些決策和以下內容有關：軟件組織、構成系統的結構元素及其接口的選擇，這些元素在相互協作中明確表現的行為等；IEEE將架構定義為：架構是以組件、組件之間的關系、組件與環境之間的關系為內容的某一系統的基本組織結構，以及指導上述內容設計和演化的原理[7]。

軟件系統一般由橫跨不同層次和技術的多個應用軟件組成，在定義每個應用軟件的架構，將其解構為各種類、組件、函數、設計模式與代碼組織后，系統架構主要將系統中以應用軟件為基礎的結構單元進行有效的組織與集成，同時關注互操作性及其與環境中其他系統的合作。目前相對成熟的軟件架構主要有云架構、分層架構、事件驅動架構、微內核架構、微服務架構等，各種架構各有優缺點和不同的適應場景。

2 系統設計

本文雷達演訓系統的主要特征是基于國產化平臺與運行環境，具備異型雷達模擬演訓的適配性；具備對需模擬雷達的操作與使用訓練功能，系統界面和人機交互與實裝基本保持一致；具備雷達工作演示功能；具備模擬生成、處理與顯示雷達回波視頻、目標、狀態和故檢信息等功能；可對訓練場景與目標進行編輯，依據假定設置地理環境分布、雷達平臺運動軌跡、目標航跡等參數，具備訓練場景生成、推演及下發功能；可為訓練人員進行裝備原理、使用和維護等基礎知識學習，提供包含技術文檔、視頻、圖片等形式的電子資料閱覽功能；符合自主可控，通用化、小型化與便捷性要求，便于安裝與部署。

通過選用基于VPX架構的國產化硬件平臺并安裝國產操作系統，滿足自主可控、小型化與便捷性要求；通過系統架構與功能設計滿足其功能需求；提供一種適用的模擬演訓機制，制定本系統標準的視頻、數據與報文格式規范，通過軟件代理適配完成異型雷達的系統本地化與實例化模擬，提升系統的通用性。采用軟件繪制雷達探測態勢，實現一種通過讀取與解算雷達真實回波文件作為視頻背景，并疊加仿真目標回波與二次目標進行合成顯示的方法。其中，演訓系統的視頻回放文件通過格式化編碼與轉儲，將各型雷達在實探過程中的操控信息、信號參數、時間信息與回波數據等信息整合，完成雷達模擬訓練中對視頻繪制、雷達操控、目標管理與數據處理的同步匹配與還原演示。

2.1 系統硬件組成

系統選用VPX架構的電子機箱，安裝包括交換模塊、電源模塊與若干通用處理模塊在內的多型硬件板卡，其中通用處理模塊采用國產“飛騰”CPU芯片+國產“景嘉”微集成顯卡，運行“銀河麒麟”國產操作系統。通用處理模塊性能配置與接口一致，其數量可增減，性能可升級，具有良好的互換性與擴展性。可根據模擬雷達的差異動態選配板卡并進行功能軟件的本地化部署，或將功能軟件運行于指定的功能模塊。模塊間的信息通過交換模塊進行網絡通信，在數據模擬功能模塊與顯示操控功能模塊之間，視頻數據也可通過Rapid I/O接口傳輸。VPX機箱組成如圖1所示。

圖1 系統VPX機箱組成圖

2.2 系統軟件設計

系統軟件采用開放式分層架構設計，其中電子交互培訓軟件采用B/S結構，通過數據庫與數據服務支撐。系統中實現軟件構件化開發、部署、應用和交換。在體系結構中依托支撐層和功能層形成應用支持，根據模擬雷達任務需求和特點，進行有實例化的軟件部署，構建出一套具有通用性的系統。軟件體系結構由硬件與環境支撐層、資源支撐層、功能層、應用層和任務層組成。

雷達模擬演訓系統軟件體系架構如圖2所示。

圖2 系統軟件架構圖

系統軟件為達成某雷達模擬演訓功能，結合該雷達實裝特性，通過擬定編輯雷達地理環境和場景參數，仿真或模擬生成其探測區域內的回波及目標，構建并推演出指定的目標態勢，供雷達用戶操作與訓練時使用。通過對雷達狀態、故障等信息進行編排模擬裝備運行狀況，以提高用戶裝備維護水平。用戶亦可通過登錄在線培訓系統學習雷達基本理論知識。

在常規演訓機制下，依據功能軟件的部署為承載的通用處理模塊命名。場景仿真模塊運行場景仿真軟件，對訓練場景進行編輯，可按需求設置地理環境參數、雷達裝載平臺運動軌跡、配試目標運動軌跡，并展開推演。數據模擬模塊運行數據模擬軟件，完成雷達回波背景及目標回波的解析和加載，合成雷達回波數據；完成雷達故障及異常的模擬，生成和配置雷達狀態變化和故障啟停的預設方案，用于訓練和提高用戶的雷達維護及應急處置能力。數據存儲模塊安裝數據庫與服務軟件，存儲雷達模擬的配置文件、數據表單、電子素材與模板文件，并提供服務支撐B/S架構的電子交互培訓軟件。數據處理模塊運行數據處理軟件，接收雷達視頻與目標回波數據，根據用戶操作進行目標檢測、建航與跟蹤，形成目標航跡，并響應目標的管理操作，反饋至模擬顯控軟件；顯示操控模塊運行模擬顯控軟件，完成雷達工作畫面顯示和操控處理等，實現對視頻、目標等雷達信息的繪制，提供目標錄取、雷達操控等訓練功能。功能軟件部署如圖3所示。

圖3 系統軟件功能部署圖

2.3 系統執行原理

雷達模擬演訓系統通過配置與實現需模擬雷達的顯控與信息處理等功能軟件集合，進行信息模擬、生成、交互、處理及顯示，形成雷達的實操訓練和業務培訓功能。用戶可以登錄瀏覽器，完成雷達場景編輯與裝備知識學習培訓。通過接口代理適配將雷達間的視頻、目標、狀態及故障等信息的處理通用化。參照實裝顯控軟件進行本地化設計，還原被模擬雷達的人機交互體驗。提供雷達操控界面，對雷達進行任務操控和目標管理指令下發，完成日常雷達訓練以及對模擬雷達功能的使用與演示。雷達模擬演訓系統的執行原理如圖4所示。

圖4 系統執行原理圖

(1)用戶開機，雷達模擬訓練系統運行；

(2)用戶在場景仿真編輯界面，根據配置或需求設置地理環境參數、雷達平臺運動軌跡、目標實體信息等特征參數，將數據推送至數據模擬軟件；

(3)數據模擬軟件完成雷達回波視頻文件的解析和加載，疊加目標仿真回波數據，根據場景編輯軟件的推演同步更新回波及目標點、航跡參數，送模擬顯控軟件繪制及顯示；

(4)用戶感知雷達視頻畫面，進行目標錄取、雷達操控等人機操作，將操控命令下發至數據處理軟件；

(5)數據處理軟件接收用戶操作指令，進行目標檢測、建航及跟蹤，將目標信息反饋至模擬顯控軟件，并響應目標的管理操作；

(6)數據模擬軟件響應用戶雷達操控前端指令，進行雷達伺服、發射、信號等狀態變更，將模擬信息同步反饋至模擬顯控軟件與數據處理軟件；

(7)數據模擬軟件根據人工編排或讀取配置文件生成雷達工作和故障信息預設方案，執行雷達狀態及故障的模擬，訓練和提高用戶的雷達維護及應急處置能力；

(8)用戶開啟瀏覽器，通過授權登錄電子交互培訓系統，閱覽與學習裝備的技術文檔、視頻、圖片及有關原理等基礎知識。

3 系統實現

雷達模擬演訓系統基于開放式的擴展設計，根據模擬雷達特征對各通用處理模塊中的軟件進行參數化配置與集成，完成功能軟件或數據庫的本地化加載。通過規范化系統的執行流程，標準化系統的雷達視頻、數據與報文接入格式，解耦模擬雷達間的差異性。針對不同實裝雷達探測中采集的回波數據差異性，通過軟件代理完成格式轉碼，并將該雷達的實時操控信息、信號參數、時間信息與回波數據整理打包，形成與系統適配的通用雷達視頻文件。數據模擬軟件加載和解析格式化的回波視頻文件，疊加場景編輯的目標回波數據，將信息分發至數據處理軟件和模擬顯控軟件；數據處理軟件完成錄取目標的檢測、建航與跟蹤等；模擬顯控軟件對雷達視頻繪制、掃描模式、仿真目標等進行同步匹配，結合場景仿真軟件的推演更新仿真目標位置動態和雷達掃描探測視頻畫面，而后結合目標錄取操作，獲取數據處理軟件反饋的目標航跡，合成完整的目標態勢，實現對雷達探測的還原演示，完成對異型的實裝模擬。雷達視頻與目標的繪制基于國產顯卡+OpenGL機制，采用Qt開發軟件實現畫面的高效渲染與實時繪制。

3.1 場景仿真實現

用戶通過場景仿真與編輯界面設置地理參數、目標實體信息等特性參數。場景仿真界面設計如圖5所示，通過編輯設置航路上的點及點間的運動軌跡(圓周、直線)和速度、加速度等運動參數實現場景編輯與目標航路規劃。

圖5 航路規劃界面

3.2 數據模擬實現

根據目標航路規劃中目標的軌跡以及運動參數實時解算目標位置參數(距離、方位)信息。根據雷達的方位分辨率將360°量化成N個方位，根據距離分辨率和雷達的威力范圍將雷達探測距離量化成M個距離單元，如圖6所示。

圖6 目標解算及量化模擬圖

如圖7所示，根據目標位置參數(距離和方位)將目標位置量化到圖6對應的方位和距離點(m，n)上，并在目標量化點位置上模擬設置目標回波強度，并在該點四周分別沿距離和方位方向按照一定的梯度衰減設置目標回波強度，以達到目標回波模擬目的。

圖7 回波解算量化模擬圖

如圖8所示，系統提供雷達狀態和故障模擬編輯界面，可配置和生成雷達狀態和故障信息預設方案，通過雷達故障及異常推演來訓練和提高用戶的雷達維護與應急處置能力。

圖8 雷達狀態及故障模擬圖

3.3 顯示控制效果

數據模擬軟件通過讀取雷達真實回波視頻文件中的數據，并根據真實回波的方位查找上述方位上所有仿真目標的模擬回波，將其疊加至真實回波數據中，交由模擬顯控軟件合成繪制顯示。數據處理軟件接收操作員的錄取命令，進行模擬目標處理，輸出目標信息，完成目標跟蹤，并將目標航跡反饋給顯控軟件繪制。亦可模擬目標丟失情況，訓練操作員對目標的管理和處置能力。對雷達探測的還原演示效果圖如圖9所示。

圖9 雷達還原演示效果圖

用戶登錄瀏覽器，通過授權登錄電子交互培訓系統的界面如圖10所示。

圖10 雷達電子交互培訓界面

4 結束語

本文設計與實現的基于國產化的雷達模擬演訓系統，將硬件模塊集成于一體式VPX架構電子機箱中，實現了系統的小型化，提高了設備的便攜性。搭載配置國產“飛騰”CPU芯片+國產“景嘉”微集成顯卡、安裝國產“麒麟”操作系統的通用處理模塊，并部署模擬功能軟件。各軟件基于Qt開發，具備跨平臺跨系統的良好移植性與高復用性，便于系統升級與遷移；功能軟件集雷達應用場景擬定、數據生成、處理、顯示及操控訓練、反饋功能為一體，具備可視化演示能力。基于開放式的設計，兼顧平臺、產品及接口的通用性，可根據參數化配置功能組配，完成雷達基本功能演示、雷達數據源與服務、雷達場景編輯及雷達模擬訓練功能。亦可作為產品配試平臺，在研發與訓練中滿足雷達前端脫機下的使用需求。系統克服了因雷達訓練與實裝耦合難以便攜部署的不便，且兼顧值班警戒和日常演訓，有效解決了在工程實現中難于對異型雷達進行通用模擬的處理難點，因此具有較好的通用性和實用性。