基于雷达实时化的模拟训练评估平台研究与实践

时间：2024-05-04

关键词：模拟训练；雷达装备；实时化；训练评估；训练场景

中图法分类号：TN957 文献标识码：A

1研究背景及主要内容

本文研究的是用户的靶场测控设备，包括连续波测速雷达、单雷达、遥测设备等。在执行任务的过程中，目标信息复杂，尤其在发射初期，目标姿态、机动性变化多，对设备人员的操作能力有较高要求。

为了全面提升测控设备岗位人员对设备的操作、跟踪捕获能力，对岗位操作人员多次进行了低成本、可反复、可量化操作效果的实时化训练，其中针对性地解决如下问题：（1）提供一个实时化训练评估的场景，解决设备跟踪、设备缺乏检测环境的问题；（2）针对多种设备，解决设备陌生地域参试野外无依托标校问题；（3）解决岗位人员训练效果无法量化评价问题；（4）解决岗位人员训练无法闭环控制的问题；（5）将人员跟踪训练从理论学习为主转移到理论实装为主的模式上；（6）将人员考核方式从理论学习为主转移到理论实操并重上；（7）针对任务不可复制的特点，通过程控或人工操作无人机，提高训练的针对性及有效性；（8）针对传统训练方法、训练效果难以定量评价的劣势，通过实时和事后处理软件对各跟踪结果进行处理，给出量化评价，明确薄弱环节和改进措施。

2研究目标

研制一套基于雷达动态目标跟踪控制和操作训练考核分析评估系统，主要包含无人机、测控设备载荷、训练评估系统、测控设备仿真训练系统等要素，组成测控设备训练系统以及全真模拟测控设备跟踪飞行器的训练环境和场景。

2.1创建贴近的雷达跟踪环境场景

利用无人机平台搭载测控和遥测设备有效载荷，模拟火箭目标飞行：通过控制无人机飞行路径和载荷控制参数，实现测控设备跟踪环境信号的模拟；设备跟踪动态无人机载荷，实现设备动态目标跟踪训练。

2.2创建科学有效的训练评估体系

利用无人机实现飞行目标及飞行特征的模拟，实现单台设备跟踪捕获训练和多台多种类设备的联演联训。

2.3建立考核评估分系统

建立科学的考核评估标准，实现操作人员模拟训练的精确量化评估，针对训练的薄弱环节提出改进意见。

2.4建立具备野外无依托设备角度标校参试

能力

利用无人机的准悬停和机载GNSS终端RTK精确定位技术，模拟设备防卫标校，实现机动设备角度快速无塔标校。

2.5建立协同训练模式

基于站内联试流程，将训练内容融入模拟数据检查联试流程；在保持现有岗位基础上，增设无人机操作手岗位，同时设置考核评估组，对系统考核结果进行分析判定，形成各个岗位的训练考核报告，使训练准备、训练实施、训练考核形成闭环。

3研究方法

系统遵循“适用、可靠、先进、经济”的原则。（1）采用先进和可靠的技术，以确保设备的稳定性与可靠性；（2）确保与现有参试系统有良好的兼容性和系统工作可靠性；（3）计算机设备采用国产化产品，软件采用自主可控系统，减少信息安全风险，并与后续中心信息系统相兼容：软件设计开发严格遵守CMMI软件研制能力成熟度模型，满足安全保密要求；（4）设备软硬件设计要贯彻“通用化，系列化，模块化”设计思想，以达到结构紧凑，使用维护方便的要求。

3.1无人机分系统

3.1.1旋翼式无人机功能性要求

多旋翼无人飞行器是一种以多个旋翼为动力装置，能够垂直起降的飞行器。多旋翼无人飞行器通常装有三个及以上旋翼，利用空气动力克服自身重量的影响，可自主或遥控飞行，能携带各种任务设备，并可多次回收使用。

多旋翼是通过改变不同旋翼之间的相对转速，以及单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运动轨迹。对场地的要求简单。

多旋翼无人飞行器具有固定翼无人飞行器难以比拟的优点——能够适应各种复杂环境：具备垂直起降能力，并能自主起飞和着陆，对起降场地条件的要求极低；高度智能化，使飞机操纵变得极为简单，甚至不需要经过专业培训就可以操控消费类多旋翼无人飞行器；飞行动作灵活，能以悬停、前飞、侧飞、倒飞等各种姿态飞行；制作容易、成本低廉，模块化结构使非专业人员也能动手制作飞机；携带方便，机动性、隐蔽性强。这些优点决定了多旋翼无人飞行器比固定翼无人飞行器具有更广阔的应用前景，它不仅可以在室外飞行，也适合在狭小的室内空间中使用，特别是在人员难以接近或到达的工作环境中，也可以进行广泛应用，而固定翼无人飞行器却无法满足这样的需求。

3.1.2技术参数

（1）具有一键起飞、一键降落、一键返航、空中定点、超视距航线飞行等功能；（2）控制方式多样，包括手动控制和自主飞行，支持航线自主飞行、一键返航等飞行方式，降低对飞机操作控制人员的要求；（3）具有任务航线规划、返航航线规划、差分定位等功能；（4）具备机载数据记录功能；（5）具备自检保护、电量告警、失联保护等安全功能；（6）无人机和地面控制端通过无线数据链路通信，任务载荷与无人机地面控制子系统采用无线通信，用于任务数据、状态数据和命令的交互；（7）每架无人机配备飞控便携式终端，具备野外机动参试能力。

3.2载荷分系统

载荷分系统主要实现与地面单雷达、遥测雷达和连续波雷达进行信号交互。雷达和遥测设备装载在无人机上，通过载荷控制设备实时化训练信号模拟。分系统主要功能包括接收、应答及转发连续波雷达的发射信号，并配合其完成自跟踪调整等性能检测功能；接收及延时转发雷达的发射信号，并配合其完成幅相一致性等性能检测功能。

3.3训练考核分系统

3.3.1主要功能

训练评估分系统能实现考核任务的参数配置、数据收发、任务调度、考核评分。具体功能有基础配置项，如站点维护、设备维护、组播服务配置、无人机参数配置；考核任务配置项，如模拟器考核参数配置、无人机考评参数配置、训练仿真考核参数配置、设备数据的接收、解码，發送、无人机数据的接收、转码，发送、载荷数据的接收、转码，发送、仿真操作台数据接收，转发、模拟波形数据接收和转发；任务考核统计功能，根据考核记录的数据进行评分，并生成统计结果报告。

训练评估模块主要包括训练评估服务器、训练评估客户端（BS客户端、Qt客户端）、无人机模块、载荷模块等部分，具体组成如图1所示。

训练评估客户端分为BS客户端和Qt客户端两部分。其中，BS客户端为异步工作模式，主要完成训练科目配置、站点信息维护等操作。Qt客户端用来控制任务开始及任务过程中各种实时参变量的显示。

训练评估服务器主要完成数据接收、解析、存储、算法等相关工作，包括PDXP数据包解析、坐标转换、训练脚本生成、训练分数评估等。同时，训练评估服务器负责数据库搭建，实现数据实时存储。

无人机模块主要实现挂载载荷飞行，在训练过程中实现方位角（Azimuth Angle）和俯仰角（Elevation Angle）模拟。

载荷部分包括单应答机、连续波应答机、遥测应答机、龙伯球和角反射体。其中，单应答机、连续波应答机、遥测应答机集成在一起，实现统一挂载飞行。

3.3.2训练考核分系统组成

训练考核分系统硬件组成主要如下。

（1）数据服务器中心：负责对地面测控设备的各种训练考核的过程数据和结果数据进行保存，其中主要以数据库或者数据文件方式进行保存，为训练考核人员的评估提供数据支撑。

（2）训练考核业务评估数据终端。

（3）任务规划员：依据综合训练考核要求，规划考核内容，下发考核科目和考核标准，完成对训练考核的任务规划。

（4）调度指挥员：依据任务规划员给定的规划内容，对总体人员的协调调度进行考核训练，包括各个分系统工作人员的安排、操作要求和操作流程，完成整个考核训练系统的准备、实施和事后环节。

（5）考核操作员：依据考核调度员给定的考核科目和考核标准，进行现场实时训练操作考核，并实时记录训练考核数据。

（6）保持各参训设备使用要求不变。

（7）在无人机地面站新增无人机操控席位，主要职责为检查、监视无人机状态，操控无人机飞行，在紧急情况下进行人工干预，确保无人机飞行安全。

（8）训练中心新增训练监控席位，主要职责为监视无人机飞行状态，判断特情并协助无人机操控员进行处理、监视任务载荷状态，根据训练任务要求，确定载荷使用规则、链路状态和设备管理等。

（9）在各训练设备上的操作席位新增訓练职责，接收装载训练模拟数据，训练准备应答，训练时实时操作设备，完成异常科目下雷达跟踪操作，将相关数据实时传送至训练中心，训练完毕后查看训练结果和建议。

（10）利用训练中心自动化指挥控制功能，或原有的训练指挥调度席位，主要职责为训练调度指挥，训练异常处置指挥、训练情况收集及训练视频监视。

3.3.3分模块功能

（1）训练规划模块

主要完成以下几个训练考核内容：无人机航迹规划；训练数据、训练科目规划，一次训练包含正常飞行数据和不少于5个训练异常科目，训练规划依据训练零时进行规划：科目评估标准规划，评估标准包含正常科目评估标准和异常科目评估标准：参训设备选择、训练科目选择，异常科目选择等。

（2）训练调度指挥模块

建设自动化训练指挥系统，发布训练开始和训练结束指令，训练开始时系统发出训练零时：训练设备接收到训练指令后进行响应；具备训练复演功能；无人机飞行异常情况下应急指挥。

（3）信息处理模块

坐标转换；数据量纲复原，记录和网络转发；训练数据插值与拟合；数据量偏差、随机差计算；各雷达异常科目模型设置：向训练设备实时转发无人机位置信息并作为设备引接信息源。

（4）考核过程显示模块

显示绝对时间、训练开始时间及相对时间；显示无人机飞行信息、实时图像及链路信息等；显示测控载荷状态信息；显示训练规划设计信息；显示参训数据链路通断、设备测量和状态信息；显示训练结果信息，能够查看历史训练信息。

3.4评估分系统

考核人员完成训练考核后，利用训练的考核数据，对某个考核人员或者一批次的考核训练进行考核综合评估。

（1）考核科目的设定，考核业务安排，考核数据存储；（2）利用各测控站测量轨迹与理论轨迹比对，计算跟踪误差、超差段落等指标，设计评价模型并对设备跟踪情况进行评价；（3）实时接收、处理各设备跟踪数据，计算中心数据引导信息并发送给各设备；（4）通过各测站轨迹数据与理论轨迹数据的对比，计算跟踪误差，超差段落等指标，设计评价模型并对设备跟踪情况进行评价；（5）评估方法和评估标准编辑、扩展；（6）评估报告生成；（7）评估报告浏览及推送，

4创新点

创新点1：用无人机模拟火箭目标飞行方法

（1）载荷采用量纲换算方法实时进行换算。

（2）通过无人机加密信道进行数据传输。

（3）无人机和载荷与系统同步开始训练任务。

（4）采用多通道设计，实现信息传输的通道复用。

（5）载荷采用软件无线电架构，实现多个模块的复用和小型化设计。

（6）采用宽带射频设计，实现芯片复用。

（7）为方便后期更换维修，系统每个模块采用独立结构件设计。

（8）采用多通道设计。创新点2：训练评估快速自动化处理方法

（1）综合使用QT，Java，Python，C，Android语言，在国产化平台上进行开发和应用。

（2）高性能数据接收处理，实现信息跨平台接收，在国产化平台进行转发。