雷达模拟训练系统实战化设计思考
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摘要：跟踪测量雷达是航天与导弹试验靶场目标跟踪测量的主要雷达装备。跟踪测量雷达模拟训练系统主要用于模拟现役雷达设备及操作场景，是航天工程大学测控工程专业学员开展装备操作训练的重要平台。针对实战化教学训练的需求，梳理了跟踪测量雷达模拟训练系统实战化教学中存在的问题，并从目标的运动特性和电磁特性模拟、复杂电磁环境模拟、岗位操作模拟、训练场景模拟、设备故障模拟和建立实战化考核评估体系等方面总结实战化教学对模拟训练系统的需求，为跟踪测量雷达模拟训练系统的设计与实现提供参考。
关键词：实战化教学；复杂电磁环境；考核评估；模拟训练
系统跟踪测量雷达是对目标坐标及其轨迹进行实时精确测量的雷达，被广泛应用于武器控制、空间探测、靶场测量等领域[1]。“跟踪测量雷达装备操作”是航天工程大学测控工程专业本科生必修课程。实战化教学是以作战训练中的难点、热点问题为重点，建立紧贴实战的课程体系、教学内容体系、教学方法手段、教学环境等，以提高学员解决问题、指挥作战训练能力的一种教学形式[2-3]。为了满足跟踪测量雷达的实战化教学需求，课程组总结借鉴国内外雷达装备的实战化教学研究成果[4-10]，从教学理念、教学内容、教学模式、教学平台、师资队伍等方面进行改进完善，并利用已有的跟踪测量雷达模拟训练系统开展装备操作教学。与雷达实装训练相比，模拟训练系统既可以降低训练费用，缩短训练周期，又能实施针对性训练[4]。现有的跟踪雷达模拟训练系统能够完成基本的跟踪测量雷达训练操作，但随着跟踪测量雷达所面临战场环境和任务使命的变化，以及测控工程专业装备操作课程实战化教学的要求，需设计和实现满足实战化教学训练需求的跟踪测量雷达模拟训练系统。
1跟踪测量雷达模拟训练系统实战化教学中存在的问题
现有跟踪测量雷达模拟训练系统主要被用于模拟现役跟踪测量雷达系统设备及操作场景，具备雷达跟踪测量任务全过程装备操作模拟及情况处置模拟功能；模拟训练系统由雷达模拟、岗位模拟、任务规划与评估模拟和故障诊断等分系统构成。将现模拟训练系统用于实战化教学时面临的主要问题如下：①能够模拟的训练科目较少，操作界面与实装界面差距较大，学员在模拟器上训练后，在实装操作时还需要重新学习，模拟训练效果差。②模拟跟踪测量的目标是简单的点目标，未考虑实际目标的雷达回波特性和运动特性，卫星、弹头和火箭等目标的回波特性区别不明显。③没有模拟复杂电磁环境下的装备操作，特别是干扰环境下的目标跟踪测量。④故障模拟功能简单，故障诊断只是简单列出故障类型，没有故障定位和修复功能。⑤考核评估规则简单，没有建立考核评估指标体系，仍以教员主观评价方式为主，易受人为因素的影响，难以客观、公正地评价学员的操作水平。⑥现役跟踪测量雷达由多家厂所研制生产，装备型号多、功能模式多，参数设置复杂。不可能针对一套实装设立一套模拟系统，因此，模拟训练系统既要尽可能和实装保持一致，又要兼顾不同的装备型号。
2对跟踪测量雷达模拟训练系统实战化设计的思考
跟踪测量雷达实战化模拟训练系统应具备弹道导弹、卫星、空间碎片和临近空间飞行器等目标发射、再入、飞行中段、在轨运行等各阶段雷达回波数据接入和仿真模拟功能，具备雷达测量任务情况处置、设备故障想定编辑功能，具备模拟训练效果评估、成绩评判和训练数据统计分析功能。针对现有模拟训练装备在实战化教学中存在的问题，从目标的运动特性和电磁特性模拟、复杂电磁环境模拟、岗位操作模拟、训练场景模拟、设备故障模拟和建立实战化考核评估体系等方面提出实战化教学的需求，为实战化跟踪测量雷达模拟训练系统设计与实现提供参考。
2.1目标的运动特性和电磁散射特性模拟
跟踪测量雷达模拟训练系统能够产生逼真的目标运动特性和电磁散射特性。一方面，可将真实目标运动轨迹和雷达回波作为输入，也可参考真实目标，模拟生成目标的轨迹，仿真生成雷达目标回波；另一方面，针对导弹、卫星、高超音速飞行器、空间碎片等典型目标，可用STK软件仿真目标运动轨迹，并记录目标运动姿态，然后建立典型目标运动特性库。用AltairFEKO等电磁场仿真引擎仿真建立典型目标结构及表面材质模型，仿真目标回波。FEKO软件基于矩量法实现对麦克斯韦方程组的求解，并将矩量法和高频近似计算法相结合，特别适合求解电大尺寸等复杂电磁问题。从仿真回波中可提取目标的RCS起伏、一维距离像、ISAR图像、极化、极点等特性。RCS反映了目标对入射雷达波的反射能力，与目标的尺寸、材料及相对雷达实现的姿态角密切相关，包含了一定的目标特征信息。一维距离像反映了宽带雷达探测目标的某一时刻，目标上散射点沿着雷达视线的分布情况，是目标重要的结构特征信息。ISAR图像反映了目标的二维结构特征信息。极化特征通常由极化散射矩阵获取，极化散射矩阵表征了目标对极化波的散射特性，与目标的形状、大小、材料、结构、姿态和雷达频率等有关，包含了丰富的目标信息。极点特征仅依赖于目标的大小、形状和材料等信息，是谐振区雷达最重要的识别方法之一。总结上述电磁散射特征，建立典型目标电磁散射特性库。模拟训练系统工作时，可通过调用目标运动特性库和电磁散射特性库，产生逼真的目标运动特性和电磁散射特性。
2.2复杂电磁环境模拟
跟踪测量雷达一般为单脉冲体制，具有测角精度高、抗干扰能力强等优势。然而，理论和试验均表明，尽管单脉冲是各种跟踪方法中抗干扰能力最强的技术，但是采用适当的手段仍然可以成功将其干扰。目前用于跟踪测量雷达的干扰策略有交叉眼干扰、自动增益控制干扰和延迟转发干扰等[11]。交叉眼干扰是一种特殊形式的相干干扰，通过2个相干干扰源同时作用产生合成回波，人为制造相位波前畸变，对雷达测角系统进行欺骗干扰。在角跟踪系统中，AGC将通过调节增益，保持其输出功率稳定。当强干扰加入时，要求AGC快速降低增益；强干扰关闭时，要求AGC迅速增加增益。AGC受控放大器增益的变化可能使目标航天器跟踪信号被抑制导致无法有效地跟踪[11]。延迟转发干扰是干扰机接收雷达发射信号，并经过一定时间延迟转发给雷达，进而实现干扰。针对上述3类干扰方式，需参考雷达实装的抗干扰策略，并研究新的抗干扰手段，在模拟训练系统上进行复杂电磁环境下目标跟踪测量战术战法的研究。
2.3岗位操作模拟
模拟训练系统的各模拟终端应参考实装设备设计，操作台面按键设计和软件界面设计与实装风格保持一致，学员可获得与现役设备一致的交互式操作体验。岗位操作可分为距离岗位操作、综合岗位操作和数据交互岗位操作等。距离操作岗位显示和路信号、波门信号、点迹航迹信息、定位信息和时间信息等，主要用于训练距离操作手。距离操作手主要完成距离波门搜索、距离截获、反射应答切换、解距离模糊、解速度模糊、宽/窄波门切换、手动移相等操作。综合操作岗位显示目标距离幅度信息、雷达设备状态信息等，主要用于训练综合操作手。综合操作手主要完成装订参数、波形切换、频点切换、盲区切换、引导源选择、发射机加电控制等操作。数据交互操作岗位主要用于训练数据交互操作手，数据交互操作手主要完成数据处理、对外数据交互和监测维护测试等操作。
2.4训练场景模拟
模拟训练系统可模拟真实的操作场景和任务场景。任务场景包括首区任务、运行段任务、再入段任务和分离目标等。典型操作模拟包括操作手单项操作、雷达整机单站使用、雷达整机多站任务和应急操作。执行首区任务一般需要采用多站工作方式，可能涉及到发射机输出功率衰减控制，多站工作方式的交互实现涉及它站信号幅度、距离，发射机输出功率衰减控制涉及到雷达参数表的实时修订，根据实时修订的参数信息可完成回波信号幅度的计算和相应显示。运行段任务主要涉及弧段规划、多站工作等，属于常规任务，以任务场景为基础，各模拟终端协同实现运行段任务跟踪。再入段任务除了常规跟踪测量多目标跟踪外，主要涉及再入黑障区的反射、应答回波幅度异常。分离目标场景中分离目标为本站相参信号，为了实现对分离目标的幅度、距离等的模拟，需要特定时间段的分离目标航迹与对应RCS信息。在操作手训单项操作模式下，每个操作手训练是独立进行的。所有模拟终端运行相同的训练软件，学员根据界面显示的目标运动情况，通过控制操纵杆和按键等模拟完成距离或角度的相关操作。雷达整机单站操作用于训练学员对作战环境的判断和战场目标的敏感性，并对雷达进行恰当的战术应用。在单站训练场景模式下，相邻3个模拟终端分别运行相应软件，组成虚拟雷达整机，距离和角度操作手配合完成目标的捕获跟踪，各训练软件通过调用不同的功能模块完成测量数据和雷达状态信息的显示。在多站训练场景模式下，多个雷达整机可组网实现协同引导跟踪功能。每个雷达整机的跟踪弧段事先经任务规划中心设置好，综合模拟器根据弧段计算每一模拟终端的目标数据并下发给各模拟终端，多个雷达整机进行交班式接力跟踪。在此场景下，每个雷达整机距离量程内可能会出现多个目标（即它站目标），距离操作手可以对目标进行MGC调整、移相等操作。在应急训练场景模式下，教员可在考核评估系统中设置不同的故障来对学员的应急操作进行训练。如教员可设置发射机高压电源故障，此时目标回波消失，模拟终端上目标消失，此时学员应进行退出跟踪、重新搜索目标等操作。
2.5设备故障模拟
故障诊断与排除模拟训练是以管理科学、军事训练学、计算机编程和行为科学为基础，以模拟分析、计算机技术和信息技术为手段，面对雷达模拟训练实施及装备操作问题，利用计算机程序和数据库支持，使故障诊断与排除具有智能化的计算机系统。采用虚拟现实技术，构建故障诊断与排除模拟训练环境。通过虚拟装备结合典型实装组件，构建雷达故障环境，典型的故障类型包括发射分系统故障、接收分系统故障、信号处理分系统故障、伺服分系统故障和显控分系统故障等。发射分系统故障又可分为发射组件故障、发射电源故障和发射监控故障等类型，接收分系统故障又可分为频率源故障、接收通道故障和接收电源故障等类型，信号处理分系统故障又可分为时序接口故障、DSP插件故障、计算机故障和信号处理电源故障等类型，伺服分系统故障又可分为电机故障、变频器故障、转台故障、控制器故障和伺服电源故障等类型，显控分系统故障又可分为计算机故障、交换机故障和显控电源故障等类型。通过文字、照片和视频等形式，使学员能够熟悉雷达组成、信号流向、操作使用和排故方法。通过部队调研，建立典型故障现象库与专家解决库。典型故障现象库存储按一定结构存放的雷达设备故障案例，每一条案例都有具体的说明和结论。专家解决库中存储着每种故障案例的解决方案，包括处理失败的故障案例，并指明失败的原因，可用来提示受训学员的错误操作步骤。通过使用帮助文档，能够使学员快速掌握操作方法；利用虚拟及真实测量工具，使学员快速掌握故障定位和具体排故方法，并通过虚拟现实实时显示排故效果。
2.6建立实战化考核评估体系
考核评估的目的是通过量化分析和精确评定，客观评价学员的操作，总结分析训练中暴露出来的矛盾和问题，充分调动学员的积极性，不断提升实战化训练水平。明确实战化考核评估内容，细化实战化考核评估标准，然后综合利用层次分析法、模糊综合评判法、智能方法等进行考核评估，并建立相应的数据库、管理操作手和历史考核成绩。效果评估软件应包括评估数据采集、训练效果评估计算和评估结果显示等功能。其中评估数据采集主要负责采集模拟训练系统生成的和学员操作的各种数据，包括模拟目标数据采集、雷达仿真数据采集、设备操作数据采集、应急排障数据采集、任务演练数据采集、中间数据采集和处理结果数据采集等，以便后续进行各指标的评估。训练效果评估计算功能应该包括设备操作评估、应急排障评估、任务演练评估、指标综合计算、评估策略选择和评估置信度分析等。评估结果显示功能应包括评估报告模板配置、评估报告生成、评估显示配置和评估结果显示等。根据模拟训练系统的操作训练，考虑将训练评估科目分为3大类，即设备操作、应急排障、任务演练，基本涵盖了部队日常装备使用的各个方面，又细分为不同复杂电磁环境下、不同实战条件下的科目。对操作顺序有明确要求的操作需重点评估实际操作顺序，如伺服解锁与控制操作、距离角度跟踪等。对实时性有明确要求的操作则需重点评估操作手操作反应时间，如发现目标至距离闭合时间、距离闭合至角度闭合时间等。
3结束语
本文针对现有跟踪测量雷达模拟训练系统在实战化教学中存在的问题，从目标运动特性和电磁特性模拟、复杂电磁环境模拟、岗位操作模拟、训练场景模拟、设备故障模拟和建立考核评估体系等方面提出实战化教学的建议，为跟踪测量雷达模拟训练系统设计与实现提供了参考。建立实战化的模拟训练系统，对测控工程专业学员提高实战化训练水平、打牢岗位任职基础、提高第一任职能力具有重要意义。
作者:邱磊 范奕泽 马宏 杨君 单位:航天工程大学电子与光学工程系 航天工程大学电子与光学工程系
