跟蹤測量雷達模擬訓練系統(tǒng)實戰(zhàn)化設計思考

邱 磊，范奕澤，馬 宏，楊 君

（1.航天工程大學電子與光學工程系，北京 101416；2.航天工程大學基礎部，北京 101416）

跟蹤測量雷達是對目標坐標及其軌跡進行實時精確測量的雷達，被廣泛應用于武器控制、空間探測、靶場測量等領域[1]。“跟蹤測量雷達裝備操作”是航天工程大學測控工程專業(yè)本科生必修課程。實戰(zhàn)化教學是以作戰(zhàn)訓練中的難點、熱點問題為重點，建立緊貼實戰(zhàn)的課程體系、教學內容體系、教學方法手段、教學環(huán)境等，以提高學員解決問題、指揮作戰(zhàn)訓練能力的一種教學形式[2-3]。為了滿足跟蹤測量雷達的實戰(zhàn)化教學需求，課程組總結借鑒國內外雷達裝備的實戰(zhàn)化教學研究成果[4-10]，從教學理念、教學內容、教學模式、教學平臺、師資隊伍等方面進行改進完善，并利用已有的跟蹤測量雷達模擬訓練系統(tǒng)開展裝備操作教學。與雷達實裝訓練相比，模擬訓練系統(tǒng)既可以降低訓練費用，縮短訓練周期，又能實施針對性訓練[4]。現(xiàn)有的跟蹤雷達模擬訓練系統(tǒng)能夠完成基本的跟蹤測量雷達訓練操作，但隨著跟蹤測量雷達所面臨戰(zhàn)場環(huán)境和任務使命的變化，以及測控工程專業(yè)裝備操作課程實戰(zhàn)化教學的要求，需設計和實現(xiàn)滿足實戰(zhàn)化教學訓練需求的跟蹤測量雷達模擬訓練系統(tǒng)。

1 跟蹤測量雷達模擬訓練系統(tǒng)實戰(zhàn)化教學中存在的問題

現(xiàn)有跟蹤測量雷達模擬訓練系統(tǒng)主要被用于模擬現(xiàn)役跟蹤測量雷達系統(tǒng)設備及操作場景，具備雷達跟蹤測量任務全過程裝備操作模擬及情況處置模擬功能；模擬訓練系統(tǒng)由雷達模擬、崗位模擬、任務規(guī)劃與評估模擬和故障診斷等分系統(tǒng)構成。將現(xiàn)模擬訓練系統(tǒng)用于實戰(zhàn)化教學時面臨的主要問題如下：①能夠模擬的訓練科目較少，操作界面與實裝界面差距較大，學員在模擬器上訓練后，在實裝操作時還需要重新學習，模擬訓練效果差。②模擬跟蹤測量的目標是簡單的點目標，未考慮實際目標的雷達回波特性和運動特性，衛(wèi)星、彈頭和火箭等目標的回波特性區(qū)別不明顯。③沒有模擬復雜電磁環(huán)境下的裝備操作，特別是干擾環(huán)境下的目標跟蹤測量。④故障模擬功能簡單，故障診斷只是簡單列出故障類型，沒有故障定位和修復功能。⑤考核評估規(guī)則簡單，沒有建立考核評估指標體系，仍以教員主觀評價方式為主，易受人為因素的影響，難以客觀、公正地評價學員的操作水平。⑥現(xiàn)役跟蹤測量雷達由多家廠所研制生產，裝備型號多、功能模式多，參數(shù)設置復雜。不可能針對一套實裝設立一套模擬系統(tǒng)，因此，模擬訓練系統(tǒng)既要盡可能和實裝保持一致，又要兼顧不同的裝備型號。

2 對跟蹤測量雷達模擬訓練系統(tǒng)實戰(zhàn)化設計的思考

跟蹤測量雷達實戰(zhàn)化模擬訓練系統(tǒng)應具備彈道導彈、衛(wèi)星、空間碎片和臨近空間飛行器等目標發(fā)射、再入、飛行中段、在軌運行等各階段雷達回波數(shù)據(jù)接入和仿真模擬功能，具備雷達測量任務情況處置、設備故障想定編輯功能，具備模擬訓練效果評估、成績評判和訓練數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能。

針對現(xiàn)有模擬訓練裝備在實戰(zhàn)化教學中存在的問題，從目標的運動特性和電磁特性模擬、復雜電磁環(huán)境模擬、崗位操作模擬、訓練場景模擬、設備故障模擬和建立實戰(zhàn)化考核評估體系等方面提出實戰(zhàn)化教學的需求，為實戰(zhàn)化跟蹤測量雷達模擬訓練系統(tǒng)設計與實現(xiàn)提供參考。

2.1 目標的運動特性和電磁散射特性模擬

跟蹤測量雷達模擬訓練系統(tǒng)能夠產生逼真的目標運動特性和電磁散射特性。一方面，可將真實目標運動軌跡和雷達回波作為輸入，也可參考真實目標，模擬生成目標的軌跡，仿真生成雷達目標回波；另一方面，針對導彈、衛(wèi)星、高超音速飛行器、空間碎片等典型目標，可用STK 軟件仿真目標運動軌跡，并記錄目標運動姿態(tài)，然后建立典型目標運動特性庫。

用Altair FEKO 等電磁場仿真引擎仿真建立典型目標結構及表面材質模型，仿真目標回波。FEKO 軟件基于矩量法實現(xiàn)對麥克斯韋方程組的求解，并將矩量法和高頻近似計算法相結合，特別適合求解電大尺寸等復雜電磁問題。從仿真回波中可提取目標的RCS起伏、一維距離像、ⅠSAR 圖像、極化、極點等特性。RCS 反映了目標對入射雷達波的反射能力，與目標的尺寸、材料及相對雷達實現(xiàn)的姿態(tài)角密切相關，包含了一定的目標特征信息。一維距離像反映了寬帶雷達探測目標的某一時刻，目標上散射點沿著雷達視線的分布情況，是目標重要的結構特征信息。ⅠSAR 圖像反映了目標的二維結構特征信息。極化特征通常由極化散射矩陣獲取，極化散射矩陣表征了目標對極化波的散射特性，與目標的形狀、大小、材料、結構、姿態(tài)和雷達頻率等有關，包含了豐富的目標信息。極點特征僅依賴于目標的大小、形狀和材料等信息，是諧振區(qū)雷達最重要的識別方法之一。總結上述電磁散射特征，建立典型目標電磁散射特性庫。模擬訓練系統(tǒng)工作時，可通過調用目標運動特性庫和電磁散射特性庫，產生逼真的目標運動特性和電磁散射特性。

2.2 復雜電磁環(huán)境模擬

跟蹤測量雷達一般為單脈沖體制，具有測角精度高、抗干擾能力強等優(yōu)勢。然而，理論和試驗均表明，盡管單脈沖是各種跟蹤方法中抗干擾能力最強的技術，但是采用適當?shù)氖侄稳匀豢梢猿晒⑵涓蓴_。目前用于跟蹤測量雷達的干擾策略有交叉眼干擾、自動增益控制干擾和延遲轉發(fā)干擾等[11]。

交叉眼干擾是一種特殊形式的相干干擾，通過2個相干干擾源同時作用產生合成回波，人為制造相位波前畸變，對雷達測角系統(tǒng)進行欺騙干擾。在角跟蹤系統(tǒng)中，AGC 將通過調節(jié)增益，保持其輸出功率穩(wěn)定。當強干擾加入時，要求AGC 快速降低增益；強干擾關閉時，要求AGC 迅速增加增益。AGC 受控放大器增益的變化可能使目標航天器跟蹤信號被抑制導致無法有效地跟蹤[11]。延遲轉發(fā)干擾是干擾機接收雷達發(fā)射信號，并經過一定時間延遲轉發(fā)給雷達，進而實現(xiàn)干擾。

針對上述3 類干擾方式，需參考雷達實裝的抗干擾策略，并研究新的抗干擾手段，在模擬訓練系統(tǒng)上進行復雜電磁環(huán)境下目標跟蹤測量戰(zhàn)術戰(zhàn)法的研究。

2.3 崗位操作模擬

模擬訓練系統(tǒng)的各模擬終端應參考實裝設備設計，操作臺面按鍵設計和軟件界面設計與實裝風格保持一致，學員可獲得與現(xiàn)役設備一致的交互式操作體驗。崗位操作可分為距離崗位操作、綜合崗位操作和數(shù)據(jù)交互崗位操作等。

距離操作崗位顯示和路信號、波門信號、點跡航跡信息、定位信息和時間信息等，主要用于訓練距離操作手。距離操作手主要完成距離波門搜索、距離截獲、反射應答切換、解距離模糊、解速度模糊、寬/窄波門切換、手動移相等操作。

綜合操作崗位顯示目標距離幅度信息、雷達設備狀態(tài)信息等，主要用于訓練綜合操作手。綜合操作手主要完成裝訂參數(shù)、波形切換、頻點切換、盲區(qū)切換、引導源選擇、發(fā)射機加電控制等操作。

數(shù)據(jù)交互操作崗位主要用于訓練數(shù)據(jù)交互操作手，數(shù)據(jù)交互操作手主要完成數(shù)據(jù)處理、對外數(shù)據(jù)交互和監(jiān)測維護測試等操作。

2.4 訓練場景模擬

模擬訓練系統(tǒng)可模擬真實的操作場景和任務場景。任務場景包括首區(qū)任務、運行段任務、再入段任務和分離目標等。典型操作模擬包括操作手單項操作、雷達整機單站使用、雷達整機多站任務和應急操作。

執(zhí)行首區(qū)任務一般需要采用多站工作方式，可能涉及到發(fā)射機輸出功率衰減控制，多站工作方式的交互實現(xiàn)涉及它站信號幅度、距離，發(fā)射機輸出功率衰減控制涉及到雷達參數(shù)表的實時修訂，根據(jù)實時修訂的參數(shù)信息可完成回波信號幅度的計算和相應顯示。運行段任務主要涉及弧段規(guī)劃、多站工作等，屬于常規(guī)任務，以任務場景為基礎，各模擬終端協(xié)同實現(xiàn)運行段任務跟蹤。再入段任務除了常規(guī)跟蹤測量多目標跟蹤外，主要涉及再入黑障區(qū)的反射、應答回波幅度異常。分離目標場景中分離目標為本站相參信號，為了實現(xiàn)對分離目標的幅度、距離等的模擬，需要特定時間段的分離目標航跡與對應RCS 信息。

在操作手訓單項操作模式下，每個操作手訓練是獨立進行的。所有模擬終端運行相同的訓練軟件，學員根據(jù)界面顯示的目標運動情況，通過控制操縱桿和按鍵等模擬完成距離或角度的相關操作。雷達整機單站操作用于訓練學員對作戰(zhàn)環(huán)境的判斷和戰(zhàn)場目標的敏感性，并對雷達進行恰當?shù)膽?zhàn)術應用。在單站訓練場景模式下，相鄰3 個模擬終端分別運行相應軟件，組成虛擬雷達整機，距離和角度操作手配合完成目標的捕獲跟蹤，各訓練軟件通過調用不同的功能模塊完成測量數(shù)據(jù)和雷達狀態(tài)信息的顯示。在多站訓練場景模式下，多個雷達整機可組網實現(xiàn)協(xié)同引導跟蹤功能。每個雷達整機的跟蹤弧段事先經任務規(guī)劃中心設置好，綜合模擬器根據(jù)弧段計算每一模擬終端的目標數(shù)據(jù)并下發(fā)給各模擬終端，多個雷達整機進行交班式接力跟蹤。在此場景下，每個雷達整機距離量程內可能會出現(xiàn)多個目標（即它站目標），距離操作手可以對目標進行MGC 調整、移相等操作。在應急訓練場景模式下，教員可在考核評估系統(tǒng)中設置不同的故障來對學員的應急操作進行訓練。如教員可設置發(fā)射機高壓電源故障，此時目標回波消失，模擬終端上目標消失，此時學員應進行退出跟蹤、重新搜索目標等操作。

2.5 設備故障模擬

故障診斷與排除模擬訓練是以管理科學、軍事訓練學、計算機編程和行為科學為基礎，以模擬分析、計算機技術和信息技術為手段，面對雷達模擬訓練實施及裝備操作問題，利用計算機程序和數(shù)據(jù)庫支持，使故障診斷與排除具有智能化的計算機系統(tǒng)。

采用虛擬現(xiàn)實技術，構建故障診斷與排除模擬訓練環(huán)境。通過虛擬裝備結合典型實裝組件，構建雷達故障環(huán)境，典型的故障類型包括發(fā)射分系統(tǒng)故障、接收分系統(tǒng)故障、信號處理分系統(tǒng)故障、伺服分系統(tǒng)故障和顯控分系統(tǒng)故障等。發(fā)射分系統(tǒng)故障又可分為發(fā)射組件故障、發(fā)射電源故障和發(fā)射監(jiān)控故障等類型，接收分系統(tǒng)故障又可分為頻率源故障、接收通道故障和接收電源故障等類型，信號處理分系統(tǒng)故障又可分為時序接口故障、DSP 插件故障、計算機故障和信號處理電源故障等類型，伺服分系統(tǒng)故障又可分為電機故障、變頻器故障、轉臺故障、控制器故障和伺服電源故障等類型，顯控分系統(tǒng)故障又可分為計算機故障、交換機故障和顯控電源故障等類型。

通過文字、照片和視頻等形式，使學員能夠熟悉雷達組成、信號流向、操作使用和排故方法。通過部隊調研，建立典型故障現(xiàn)象庫與專家解決庫。典型故障現(xiàn)象庫存儲按一定結構存放的雷達設備故障案例，每一條案例都有具體的說明和結論。專家解決庫中存儲著每種故障案例的解決方案，包括處理失敗的故障案例，并指明失敗的原因，可用來提示受訓學員的錯誤操作步驟。通過使用幫助文檔，能夠使學員快速掌握操作方法；利用虛擬及真實測量工具，使學員快速掌握故障定位和具體排故方法，并通過虛擬現(xiàn)實實時顯示排故效果。

2.6 建立實戰(zhàn)化考核評估體系

考核評估的目的是通過量化分析和精確評定，客觀評價學員的操作，總結分析訓練中暴露出來的矛盾和問題，充分調動學員的積極性，不斷提升實戰(zhàn)化訓練水平。明確實戰(zhàn)化考核評估內容，細化實戰(zhàn)化考核評估標準，然后綜合利用層次分析法、模糊綜合評判法、智能方法等進行考核評估，并建立相應的數(shù)據(jù)庫、管理操作手和歷史考核成績。

效果評估軟件應包括評估數(shù)據(jù)采集、訓練效果評估計算和評估結果顯示等功能。其中評估數(shù)據(jù)采集主要負責采集模擬訓練系統(tǒng)生成的和學員操作的各種數(shù)據(jù)，包括模擬目標數(shù)據(jù)采集、雷達仿真數(shù)據(jù)采集、設備操作數(shù)據(jù)采集、應急排障數(shù)據(jù)采集、任務演練數(shù)據(jù)采集、中間數(shù)據(jù)采集和處理結果數(shù)據(jù)采集等，以便后續(xù)進行各指標的評估。訓練效果評估計算功能應該包括設備操作評估、應急排障評估、任務演練評估、指標綜合計算、評估策略選擇和評估置信度分析等。評估結果顯示功能應包括評估報告模板配置、評估報告生成、評估顯示配置和評估結果顯示等。

根據(jù)模擬訓練系統(tǒng)的操作訓練，考慮將訓練評估科目分為3 大類，即設備操作、應急排障、任務演練，基本涵蓋了部隊日常裝備使用的各個方面，又細分為不同復雜電磁環(huán)境下、不同實戰(zhàn)條件下的科目。對操作順序有明確要求的操作需重點評估實際操作順序，如伺服解鎖與控制操作、距離角度跟蹤等。對實時性有明確要求的操作則需重點評估操作手操作反應時間，如發(fā)現(xiàn)目標至距離閉合時間、距離閉合至角度閉合時間等。

3 結束語

本文針對現(xiàn)有跟蹤測量雷達模擬訓練系統(tǒng)在實戰(zhàn)化教學中存在的問題，從目標運動特性和電磁特性模擬、復雜電磁環(huán)境模擬、崗位操作模擬、訓練場景模擬、設備故障模擬和建立考核評估體系等方面提出實戰(zhàn)化教學的建議，為跟蹤測量雷達模擬訓練系統(tǒng)設計與實現(xiàn)提供了參考。建立實戰(zhàn)化的模擬訓練系統(tǒng)，對測控工程專業(yè)學員提高實戰(zhàn)化訓練水平、打牢崗位任職基礎、提高第一任職能力具有重要意義。