機載電子對抗視景仿真系統設計

機載電子對抗設備是飛機保障自身安全的主要裝備，在各種復雜的作戰條件下，飛行員對其使用的正確與否及熟練程度，將極大影響飛機的飛行安全率。飛行員必須平時(shí)多訓練才能保證戰時(shí)的正確使用。但由于平時(shí)的飛行訓練中，電磁環(huán)境一般都比較簡(jiǎn)單，不能模擬真實(shí)戰場(chǎng)環(huán)境，很難出現與作戰條件類(lèi)似的電磁環(huán)境，飛行員無(wú)法進(jìn)行有針對性的訓練，從而影響訓練效果。而電子靶場(chǎng)等具有真實(shí)電磁環(huán)境的訓練場(chǎng)地少，且使用成本大，不可能用作日常訓練場(chǎng)地。因此，有必要利用地面模擬訓練器來(lái)補充這部分訓練內容，以提高飛行員對電子對抗設備在各種電磁環(huán)境下使用的能力。
視景仿真是近幾年隨著(zhù)計算機技術(shù)與仿真理論的發(fā)展而出現的一門(mén)新型學(xué)科。其采用計算機圖形技術(shù)，根據仿真的目的，構造仿真對象的三維模型并再現真實(shí)的環(huán)境。將視景仿真運用于電子對抗的模擬訓練，可全面表現電子對抗的作戰、試驗態(tài)勢、進(jìn)程以及對抗效果，使飛行員更直觀(guān)地使用電子對抗設備，從而在戰時(shí)能對各種情況做出快速、準確的反應。因此，采用視景仿真技術(shù)研制飛機電子對抗仿真訓練系統，對于解決飛行員所面臨的訓練問(wèn)題，提高飛行員訓練效果具有重要的現實(shí)意義。
1 系統數學(xué)模型建模
針對機載電子對抗系統的特點(diǎn)，在分析系統主要功能的基礎上，建立了圖1所示的仿真數學(xué)模型。

(1)雷達仿真模型。雷達仿真模型用于模擬加載在敵我雙方飛機、艦船、導彈陣地上的各種雷達的工作過(guò)程和技術(shù)、戰術(shù)指標。主要包括雷達發(fā)射機模型、接收機模型、天線(xiàn)掃描和方向圖模型等。
(2)告警器仿真模型。告警仿真模型用于模擬告警器的發(fā)現、識別及告警工作流程。
(3)干擾仿真模型。干擾仿真模型主要包括有源干擾吊艙模型和無(wú)源干擾模型。
(4)目標與環(huán)境模型。目標與環(huán)境仿真模型用于解算目標瞬時(shí)RCS及電磁波傳輸特性，包括大氣傳輸、地面反射、雜波圖或點(diǎn)雜波以及多徑效應等。
(5)導彈武器仿真模型。導彈武器仿真模型用于仿真導彈武器的發(fā)射、飛行、擊毀過(guò)程。
2 視景仿真訓練系統設計及實(shí)現
2.1 系統功能
該訓練系統以硬件平臺為基礎，通過(guò)信號采集系統獲取干擾吊艙控制盒、無(wú)源投放器控制面板的輸入信息。軟件可以模擬飛機平顯、多功能告警顯示器，主要用于飛行員對機載電子對抗設備模擬仿真操作訓練和測試，使飛行員掌握復雜雷達信號環(huán)境下某型機載電子對抗設備的使用，提高電子對抗作戰技能。同時(shí)，將使用者引入到由計算機合成的虛擬戰場(chǎng)環(huán)境中去，使受訓者在與系統的直接交互中感受戰爭，研究電子對抗作戰方法、樣式及理論，并可對作戰毀傷效果進(jìn)行評估并提出改正意見(jiàn)，為未來(lái)作戰方案提供決策依據。系統結構如圖2所示。

2.2 系統硬件電路設計實(shí)現
硬件系統由顯示裝置、中央處理機和人機交互部分組成。顯示裝置含3個(gè)液晶顯示器，其中主顯示器用于實(shí)時(shí)顯示敵我態(tài)勢和軟件界面，另兩個(gè)副顯示器在兩側，模擬飛機座艙的左右兩個(gè)操作臺。中央處理機用于數據的處理，為攜行方便，將中央處理機與主顯示器合在一起。人機交互部分主要用于獲取電子干擾吊艙控制盒和無(wú)源投放器控制面板各種控制按鈕的狀態(tài)，通過(guò)數據采集處理電路與主機通信，實(shí)現半實(shí)物裝備與虛擬戰場(chǎng)環(huán)境之間的交互并為準確評定訓練成績(jì)提供客觀(guān)依據。
人機交互部分是系統硬件電路設計的重點(diǎn)。根據人機交互部分的功能要求，自行設計了信號采集電路。該電路由信號驅動(dòng)、CPU兩部分組成。CPU采用 C8051S020單片機，通過(guò)P0口采集發(fā)射、投放、加電信號等各開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。CPU采集開(kāi)關(guān)狀態(tài)后通過(guò)RS232口發(fā)送到中央處理機，中央處理機獲取串口發(fā)送來(lái)的信息與仿真訓練軟件實(shí)時(shí)交互，實(shí)現仿真訓練。接口控制系統的串行通信速率為9 600 b/s，在設備狀態(tài)發(fā)生變化后，能夠在少于2 ms的時(shí)間內完成設備狀態(tài)的采集、處理和傳送，完全滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理的要求。
2.3 系統軟件設計及實(shí)現
2.3.1 通信接口程序的設計實(shí)現
通信接口程序的設計實(shí)現中，使用Visual C++ 6.0編寫(xiě)了上位機和下位機通信程序, 串行通信接口使用RS-232串口標準。在這里，主要對下位機接口通信程序進(jìn)行重點(diǎn)介紹, 通過(guò)引入多線(xiàn)程串口編程工具CSerialPort類(lèi)實(shí)現。
CSerialPort類(lèi)是支持線(xiàn)連接(非MODEM)的串口編程操作，與MSComm控件相比，其搭建通信框架快速，編程方便。打包時(shí)，不需要加入其他文件，而且函數都是開(kāi)放透明的，允許用戶(hù)進(jìn)行改造。CSerialPort類(lèi)是基于多線(xiàn)程的類(lèi), 其接收數據流程如下：(1)設置串口參數(如串口號、波特率等)；(2)開(kāi)啟串口監測工作線(xiàn)程, 監測串口接收數據、流控制事件及其他串口事件；(3)以消息方式通知主程序, 激發(fā)消息處理函數進(jìn)行數據處理。發(fā)送數據直接通過(guò)調用類(lèi)函數WriteToPort()實(shí)現。在應用過(guò)程中，需要手工添加WM_COMM_RXCHA的消息處理函數OnComm(),每當串口接收緩沖區內有一個(gè)字符時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)WM_COMM_RXCHAR消息, 觸發(fā)OnComm()函數進(jìn)行數據接收處理。
2.3.2 視景仿真程序的設計實(shí)現
根據系統的功能要求，仿真運行界面由平顯畫(huà)面、多功能告警顯示器、飛機動(dòng)態(tài)飛行界面、左右兩個(gè)飛機座艙界面和文字提示欄構成。整個(gè)程序在基于對話(huà)框的框架上開(kāi)發(fā)。根據模塊化編程的思想，為每部分建一個(gè)派生于CStatic的Picture類(lèi)，在對話(huà)框的界面上放入6個(gè)圖像控件，分別與各個(gè)類(lèi)相關(guān)聯(lián)。系統運行的過(guò)程為：運行程序首先打開(kāi)串口，測試串口通信是否正常，若串口通信正常則進(jìn)入軟件主界面，反之則返回繼續測試；進(jìn)入主界面后，可進(jìn)行各項選擇和設置，如設置我機的航線(xiàn)、箔條彈和紅外彈的數量、敵機的類(lèi)型和數量等。設置完畢，單擊開(kāi)始按鈕訓練。在訓練過(guò)程中，根據敵我雙方的態(tài)勢變化，受訓者應該在正確的時(shí)刻和恰當的時(shí)機，操作干擾吊艙控制盒或無(wú)源投放器控制面板對敵方目標進(jìn)行有源和無(wú)源干擾。訓練完畢，系統將根據受訓者的操作，對受訓者進(jìn)行評估和打分。
基于MFC調用Vega Prime來(lái)實(shí)現仿真訓練是仿真程序的主要部分。
Vega Prime包括完整的C++應用程序接口，為軟件開(kāi)發(fā)人員提供了最大限度的軟件控制和靈活性。Vega Prime的結構為用戶(hù)采用面向對象的開(kāi)發(fā)方式提供了良好的支持。Vega Prime 中的每個(gè)元素都是一個(gè)類(lèi),除了特定的類(lèi)(如:vpKernel)以外，其他類(lèi)都允許有多個(gè)實(shí)例存在?；趯υ?huà)框的VegaPrime 程序的實(shí)現主要有兩種方法。
(1)時(shí)鐘法。在對話(huà)框中設定計時(shí)器，并開(kāi)始timer，在每次on timer調用中，執行vpApp 的幀開(kāi)始和幀結束操作，并在開(kāi)始與結束幀操作之間獲取vpApp對象的關(guān)鍵屬性反饋在對話(huà)框頁(yè)面上。
(2)線(xiàn)程法。為VP的Frame Loop設置一個(gè)工作線(xiàn)程，應用程序則作為主線(xiàn)程來(lái)接收外設輸入信息，響應用戶(hù)操作。該工作線(xiàn)程主要完成VP的初始化工作和相應的鍵盤(pán)、鼠標處理函數的設置以及窗口的配置等。
線(xiàn)程法有很大的優(yōu)勢。雖然時(shí)鐘法結構簡(jiǎn)單，容易理解，但是在耗費系統資源基礎上完成的，而且其致命缺點(diǎn)是在運行時(shí)會(huì )出現死機現象。本程序中，使用線(xiàn)程的方法。主要代碼如下。
啟動(dòng)VP工作線(xiàn)程：
void CSimulateDlg::OnStart()
{
continueRunning=true；
……
LPVOID)this)；
}
創(chuàng )建VP工作線(xiàn)程：
UINT vpWorkThread(LPVOID pParam)
{
vpWindow *vpWin；//定義VP窗口
……
while(continueRunning)
{
…… //響應函數
}
……
return 0；
}
中止工作線(xiàn)程：
void CSimulateDlg::OnDestroy()
{
if (m_bVPStarted==TRUE)
{
……
}
CDialog::OnDestroy()；
}
3 仿真訓練算例
在仿真中，設定系統的仿真步長(cháng)為10 ms，每隔10 ms推進(jìn)一次。在系統設置界面中，設定作戰雙方參戰機型和作戰任務(wù)。系統戰術(shù)過(guò)程設定為：以某型機突防攻擊任務(wù)為戰術(shù)背景，完成某型飛機電子對抗主要科目的仿真訓練。主要包括以下方面：對敵警戒雷達的箔條干擾、對敵機載火控雷達的有源干擾、對敵地空導彈的箔條質(zhì)心干擾、對敵空空導彈的紅外質(zhì)心干擾和發(fā)射反輻射導彈攻擊敵地面雷達，在電子對抗手段的配合下，完成對敵導彈陣地的突防打擊任務(wù)。
經(jīng)過(guò)一年的開(kāi)發(fā)調試，該仿真訓練系統達到了預定設計要求，目前已通過(guò)專(zhuān)家驗收，即將交付部隊使用。通過(guò)多次在部隊進(jìn)行測試運行證明，系統能真實(shí)地模擬各種戰場(chǎng)環(huán)境。同時(shí)，通過(guò)軟件與硬件相結合,真實(shí)模擬飛機現役裝備，訓練效果逼真。該模擬訓練系統使用后，能大大提高飛行員對機載電子對抗設備的操作能力，提高飛機的生存率，同時(shí)降低訓練危險性，節約訓練成本。
此外，論文嘗試性利用CSerialPort類(lèi)很好地實(shí)現了串口通信；運用視景仿真技術(shù)，實(shí)現電子對抗模擬訓練的可視化。系統中大量模塊化的設計，體現了其良好的可擴展性和移植重組功能，對其他同類(lèi)模擬器的設計具有借鑒意義。同時(shí)也可作為子模塊納入大規模的對抗系統，具有良好的工程應用前景。