李高升,劉培國,覃宇建,何建國

(國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙410073)

0 引言

近年來電子信息系統(tǒng)和高性能裝備的發(fā)展趨勢表明,未來信息化對(duì)抗中的進(jìn)攻方必將憑借空中優(yōu)勢,廣泛使用各類手段,對(duì)指揮中心、機(jī)場、港口和統(tǒng)帥機(jī)關(guān)等實(shí)行遠(yuǎn)程精確打擊和集中突擊,對(duì)重要目標(biāo)的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此,防空能力的提升具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1,2]。

當(dāng)前,防空部隊(duì)的訓(xùn)練實(shí)際存在目標(biāo)保障難、空地對(duì)抗難、多兵種聯(lián)合訓(xùn)練難和實(shí)彈射擊消耗大等問題,難以組織經(jīng)常性的實(shí)裝演練。研發(fā)防空兵模擬訓(xùn)練系統(tǒng),通過空情模擬、實(shí)際操作和仿真發(fā)射等,可使參訓(xùn)人員熟悉作戰(zhàn)流程,感受信息化條件下的復(fù)雜環(huán)境。同時(shí),以模擬訓(xùn)練系統(tǒng)為基礎(chǔ),可對(duì)訓(xùn)練過程進(jìn)行評(píng)估,這對(duì)于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、提高參訓(xùn)人員的指揮和操作水平具有重要價(jià)值,也是防空部隊(duì)參加聯(lián)合行動(dòng)、強(qiáng)化訓(xùn)練效果的基礎(chǔ),有助于提高防空部隊(duì)遂行任務(wù)的能力,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境下的演練從地 地二維空間向地 空三維空間的轉(zhuǎn)變[2,3]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與功能

防空部隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)包括甲方、乙方和導(dǎo)調(diào)等3個(gè)分系統(tǒng)。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

甲方:實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的搜索、跟蹤和發(fā)射,同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的顯示。利用模擬信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)指示,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖定和跟蹤。導(dǎo)彈模擬器能模擬攔截過程,產(chǎn)生單發(fā)或雙發(fā)導(dǎo)彈回波信號(hào),感知導(dǎo)彈檢測、裝填的操作過程;反饋訓(xùn)練態(tài)勢、目標(biāo)信息、陣地配置、攔截過程和效果等供導(dǎo)調(diào)和顯示。全部操作過程和射擊效果可進(jìn)行評(píng)估。

乙方:模擬多種干擾信號(hào),產(chǎn)生模擬空情信息。為甲方(包括實(shí)裝系統(tǒng)中的引導(dǎo)站、干擾站和雷達(dá)等)提供虛擬的電磁、空情環(huán)境和可供對(duì)抗訓(xùn)練的虛擬對(duì)手,使甲方能夠在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行對(duì)抗訓(xùn)練。由于這里涉及的模擬訓(xùn)練基于地對(duì)空對(duì)抗系統(tǒng),因此乙方主要提供虛擬的空襲武器及系統(tǒng)。

導(dǎo)調(diào):控制雙方的對(duì)抗行動(dòng)。顯示演練態(tài)勢、目標(biāo)信息、裝備和人員配置、攻守過程和效果等。依據(jù)發(fā)射位置、發(fā)射時(shí)間、目標(biāo)屬性、攔截效果和后勤保障到位情況等對(duì)訓(xùn)練過程進(jìn)行評(píng)估。

圖1 防空兵模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 甲方分系統(tǒng)

完成對(duì)模擬信號(hào)的搜索、跟蹤、發(fā)射和顯示,利用模擬信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)指示,發(fā)射車自動(dòng)鎖定和跟蹤,模擬攔截過程,產(chǎn)生煙火聲光效果,產(chǎn)生回波信號(hào)并顯示。分系統(tǒng)需感知操作員的操作過程并進(jìn)行記錄和評(píng)判。為此,分系統(tǒng)模塊包括地空導(dǎo)彈模擬器、訓(xùn)練指揮模塊和操作評(píng)估模塊等。

導(dǎo)彈模擬器用于訓(xùn)練操作人員掌握武器系統(tǒng)性能及使用方法,并對(duì)系統(tǒng)提供故障診斷和狀態(tài)測試?？蓹z測導(dǎo)彈和發(fā)射裝置狀態(tài),接收火控系統(tǒng)命令,向?qū)椇椭噶钅M器發(fā)出各種指令,控制裝訂儀對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行參數(shù)裝訂,完成射前準(zhǔn)備和發(fā)射控制;能夠進(jìn)行功能自檢,對(duì)控制臺(tái)的性能進(jìn)行標(biāo)定。

導(dǎo)彈模擬器包括狀態(tài)檢查、指令產(chǎn)生、信號(hào)存儲(chǔ)與顯示、計(jì)時(shí)、發(fā)射準(zhǔn)備、發(fā)射控制、數(shù)據(jù)采集和工作模式控制等模塊[3],相互關(guān)系如圖2所示。

導(dǎo)彈模擬器是時(shí)序控制設(shè)備,采用狀態(tài)約束機(jī)制和定時(shí)控制模式,包括雙通道冗余射前檢查、發(fā)射控制和安全控制等模塊。信號(hào)存儲(chǔ)和顯示電路用于存儲(chǔ)輸入的關(guān)鍵指令,輸出控制信號(hào),在導(dǎo)彈發(fā)射瞬間對(duì)信息進(jìn)行鎖存,具有記憶回放功能。計(jì)時(shí)模塊用于產(chǎn)生時(shí)序控制所需的信號(hào),并控制導(dǎo)彈上彈盤、下彈盤、上發(fā)射架、發(fā)射、過熱和顯示等過程。

圖2 導(dǎo)彈模擬器基本結(jié)構(gòu)

導(dǎo)彈模擬器的工作思路是:根據(jù)導(dǎo)彈工作原理和流程,由模擬器產(chǎn)生目標(biāo)信號(hào),模擬作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)向指揮儀發(fā)送目標(biāo)指示報(bào)文,指揮儀得到目標(biāo)報(bào)文后,模擬武器裝備對(duì)目標(biāo)的搜索、跟蹤和反干擾。同時(shí),模擬器對(duì)產(chǎn)生的仿真目標(biāo)理論位置和采集得到的信號(hào)進(jìn)行處理,以確定目標(biāo)真?zhèn)?。火控?jì)算機(jī)依據(jù)模擬器提供的目標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算射擊諸元,帶動(dòng)導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)目標(biāo),在滿足射擊條件的恰當(dāng)時(shí)機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行虛擬射擊,完成一次訓(xùn)練過程。數(shù)據(jù)采集電路以高速數(shù)據(jù)采集卡為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn),用于采集模擬器的輸入輸出信號(hào),作為專家系統(tǒng)工作的依據(jù)。

在訓(xùn)練過程中,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的模擬信息環(huán)境是仿真生成的,系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行過程以及各工位的指揮、操作與實(shí)際應(yīng)用方式一致。各工位操作手可按照訓(xùn)練條例各負(fù)其責(zé),設(shè)置各種工作環(huán)境,針對(duì)系統(tǒng)的各種工作方式進(jìn)行反復(fù)指揮和操作訓(xùn)練。

指揮控制軟件收集各節(jié)點(diǎn)信息,判決并發(fā)出指令。配置接口接收并解譯導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)指令,并將己方數(shù)據(jù)安全傳送到導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)。

對(duì)操作員的考核評(píng)估不能用某種標(biāo)準(zhǔn)答案進(jìn)行簡單評(píng)定,需對(duì)其操作時(shí)間和技巧等方面的因素進(jìn)行綜合評(píng)估,而這些因素具有一定的模糊性,很難給出精確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。需應(yīng)用基于模糊邏輯的專家系統(tǒng),使計(jì)算機(jī)以接近于人的思維模式進(jìn)行綜合評(píng)估打分。訓(xùn)練時(shí),操作項(xiàng)目由主機(jī)預(yù)存的操作專家知識(shí)庫提供,模擬器記錄操作人員的操作時(shí)間和操作步驟。把操作時(shí)間長短、操作技巧應(yīng)用的好壞和操作準(zhǔn)確程度等因素用模糊量來設(shè)定,根據(jù)專家評(píng)判意見建立模糊推理規(guī)則,并結(jié)合實(shí)際操作的抽樣試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,得到模糊評(píng)估模型[4]。

2.2 乙方分系統(tǒng)

乙方分系統(tǒng)生成不同應(yīng)用背景和訓(xùn)練條件下所要求的瞬時(shí)、寬帶、多種信號(hào)樣式、高密度、多方位、動(dòng)態(tài)可控的電磁背景信號(hào)環(huán)境和雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等信號(hào),并以輻射和注入方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出,產(chǎn)生復(fù)雜空情信號(hào),包括標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模擬、背景信號(hào)模擬、系統(tǒng)控制、天饋分系統(tǒng)及目標(biāo)特性和地形數(shù)據(jù)庫等。

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模擬:生成多路短波、VHF、UHF及微波信號(hào),可輸出AM、FM 、SSB 、USB 、LSB 、ISB、DSB、CW、PCM 、FSK、PSK 、QPSK 、MSK、CPFSK 和限 帶白噪聲等調(diào)制樣式,具有組網(wǎng)能力。采用軟件無線電技術(shù)、大規(guī)?，F(xiàn)場可編程器件、模塊化硬件平臺(tái)及優(yōu)良的電磁兼容和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),保證信號(hào)樣式和工作體制等滿足高精度、高穩(wěn)定性和高純度的指標(biāo)。

背景信號(hào)模擬:可輸出 AM 、FM 、SSB 、CW、ASK、FSK和PSK等調(diào)制樣式。采用任意波形發(fā)生技術(shù),實(shí)現(xiàn)高密度、復(fù)雜背景信號(hào)場景的實(shí)時(shí)產(chǎn)生、快速可變和可控,滿足實(shí)時(shí)性要求。在密集多信號(hào)條件下,滿足分辨率高、頻譜純和雜散小等要求。

配備覆蓋從短波到微波頻段的多種天線及升降平臺(tái)。由于頻帶寬,需采用多種天線形式以實(shí)現(xiàn)有效輻射。對(duì)于短波超短波,采用八木、螺旋和振子天線等形式;微波頻段,采用對(duì)數(shù)周期和等角螺旋等形式。每種天線需設(shè)計(jì)平衡—不平衡變換裝置和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)最佳傳輸與饋電效果。

空襲目標(biāo)仿真及目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫:提供空襲裝備模型庫,對(duì)轟炸機(jī)、殲擊機(jī)、武裝直升機(jī)、隱身轟炸機(jī)和導(dǎo)彈等進(jìn)行建模仿真。在對(duì)這些目標(biāo)進(jìn)行仿真時(shí),由于不同裝備的機(jī)動(dòng)參數(shù)各異,需要分別建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并呈現(xiàn)三維視覺效果。

分系統(tǒng)包含多路短波、VHF、UHF、微波功放和濾波器組,各種過熱、過壓、失配保護(hù)以及電源、功率控制電路等。包括一個(gè)高性能屏蔽方倉及一臺(tái)改裝的汽車。方倉內(nèi)配置定時(shí)系統(tǒng)、高穩(wěn)定度凈化電源、UPS、油機(jī)和空調(diào)等輔助設(shè)備,便于實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)。

2.3 導(dǎo)調(diào)分系統(tǒng)

導(dǎo)調(diào)分系統(tǒng)的任務(wù)是制定訓(xùn)練方案,控制訓(xùn)練過程,并對(duì)訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。訓(xùn)練方案包括裝備配置、作戰(zhàn)意圖和產(chǎn)生動(dòng)作的時(shí)刻以及偵察站、干擾站和雷達(dá)的部署等。訓(xùn)練過程中,導(dǎo)調(diào)站要模擬訓(xùn)練目標(biāo)的各種動(dòng)作,并發(fā)出指令由偵察站模擬信號(hào)供操作員處理,再接收干擾站所做的操作,計(jì)算干擾效果,產(chǎn)生新的態(tài)勢。如此反復(fù),直到訓(xùn)練結(jié)束。在評(píng)估階段,根據(jù)記載的數(shù)據(jù)得出訓(xùn)練成績。分為以下幾個(gè)模塊:訓(xùn)練想定生成、過程管理、態(tài)勢顯示及考核評(píng)估。訓(xùn)練過程管理控制模塊流程如圖3所示。

圖3 訓(xùn)練過程管理控制模塊流程

編寫訓(xùn)練想定的目的是確定虛擬戰(zhàn)場的訓(xùn)練框架和初始化信息,這些信息的確定要依據(jù)訓(xùn)練的具體要求,參訓(xùn)各方的訓(xùn)練要求如下:

戰(zhàn)場設(shè)置:為模擬訓(xùn)練提供虛擬的地理環(huán)境。可采用真實(shí)地形數(shù)據(jù)構(gòu)造虛擬地理環(huán)境,訓(xùn)練依托這個(gè)環(huán)境進(jìn)行,而抗干擾訓(xùn)練也是防空訓(xùn)練的重要內(nèi)容,所需電磁環(huán)境由乙方提供。這就形成了以真實(shí)地形為依據(jù)、包含復(fù)雜虛擬電磁環(huán)境的虛擬應(yīng)用場所。

甲方設(shè)置:參訓(xùn)雷達(dá)對(duì)抗裝備可以選擇甲方引導(dǎo)站、干擾站和雷達(dá)的協(xié)同訓(xùn)練,也支持引導(dǎo)站、若干干擾站及雷達(dá)獨(dú)立訓(xùn)練。

乙方設(shè)置:空襲方是甲方的對(duì)抗方,用于為甲方提供各種不同特點(diǎn)的空襲目標(biāo)和信號(hào)。其設(shè)置還包括:裝備雷達(dá)類型、航跡模擬、初始位置和速度、身份識(shí)別標(biāo)志及電磁環(huán)境設(shè)置。

訓(xùn)練開始前,確定參訓(xùn)方,根據(jù)訓(xùn)練目的和要求,從數(shù)據(jù)庫中選擇訓(xùn)練想定預(yù)案,確定訓(xùn)練科目,初始化各方數(shù)據(jù)并開始訓(xùn)練[5]。

訓(xùn)練開始后,導(dǎo)調(diào)的主要任務(wù)是同步各方時(shí)間,根據(jù)預(yù)案實(shí)時(shí)確定應(yīng)設(shè)置的訓(xùn)練環(huán)境和乙方狀態(tài),接收參訓(xùn)席狀態(tài)信息;當(dāng)參訓(xùn)席在有效偵察距離內(nèi),時(shí)間仰角等條件滿足的情況下認(rèn)為甲方已發(fā)現(xiàn)乙方,將模擬信息傳送給甲方,使參訓(xùn)席認(rèn)為置身于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中;監(jiān)控、記錄和顯示甲方操作;對(duì)各方的加入、中止和刪除等操作進(jìn)行控制。

訓(xùn)練過程態(tài)勢顯示把訓(xùn)練進(jìn)行的相對(duì)時(shí)間和參訓(xùn)各方信息,以可視化的形式表現(xiàn),并標(biāo)識(shí)甲方位置、雷達(dá)掃描線和干擾機(jī)狀態(tài)等,顯示乙方位置和航跡等。

系統(tǒng)軟件以Windows XP或Vista為平臺(tái),采用Visual C#和LabVIEW等語言混合編程實(shí)現(xiàn),調(diào)用Windows API功能函數(shù),通過Winsock控件,利用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)模塊互聯(lián)。訓(xùn)練過程中若出現(xiàn)操作不當(dāng),系統(tǒng)將進(jìn)行提示。而對(duì)于錯(cuò)誤操作,將加以記錄并用于成績?cè)u(píng)判。系統(tǒng)的公用模塊開發(fā)成作戰(zhàn)準(zhǔn)備、目標(biāo)生成和雷達(dá)模擬等3個(gè)模塊。采用被動(dòng)式數(shù)據(jù)庫服務(wù)方式:把各單元所需的數(shù)據(jù)打包提交,采用一個(gè)中間件,把數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存。占用資源少,實(shí)時(shí)性強(qiáng)[6]。

操作員仿真是人在回路中的仿真。在人機(jī)交互界面中,仿真產(chǎn)生一個(gè)虛擬的操作環(huán)境,操作員看到、聽到和感覺到仿真過程的一部分,通過在所仿真的態(tài)勢中對(duì)仿真的模型進(jìn)行操作和控制,并由此將近似實(shí)際場景的態(tài)勢變化反映在模擬的操作界面上。

考核評(píng)估的工作包括:根據(jù)接收到的受訓(xùn)人員和導(dǎo)調(diào)人員輸入的各種干預(yù)命令,對(duì)整個(gè)模擬訓(xùn)練過程進(jìn)行全面分析,評(píng)判模擬訓(xùn)練過程中各參訓(xùn)席處置各種情況的方法、效果,總結(jié)模擬訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的新的運(yùn)用方法、指揮思想和應(yīng)用規(guī)則等。

3 結(jié)束語

裝備信息化水平的不斷提高,對(duì)訓(xùn)練模擬設(shè)備與系統(tǒng)的開發(fā)也提出了更高的要求,不但要逼真地模擬近似實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境,而且在武器裝備上加裝設(shè)備,需避免對(duì)原有系統(tǒng)的性能產(chǎn)生任何負(fù)面影響。上述研究了防空模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的基本問題,要想獲得最佳的試驗(yàn)效費(fèi)比,還需考慮的問題包括進(jìn)一步提高指揮流程各階段信息的實(shí)時(shí)采集能力,改進(jìn)各系統(tǒng)之間的通信連接,保障信號(hào)、數(shù)據(jù)信息傳遞滿足格式兼容,信道穩(wěn)定,便于裝備的機(jī)動(dòng)和展開等[2,5]。

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