機(jī)載電子對(duì)抗視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)載電子對(duì)抗設(shè)備是飛機(jī)保障自身安全的主要裝備，在各種復(fù)雜的作戰(zhàn)條件下，飛行員對(duì)其使用的正確與否及熟練程度，將極大影響飛機(jī)的飛行安全率。飛行員必須平時(shí)多訓(xùn)練才能保證戰(zhàn)時(shí)的正確使用。但由于平時(shí)的飛行訓(xùn)練中，電磁環(huán)境一般都比較簡(jiǎn)單，不能模擬真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，很難出現(xiàn)與作戰(zhàn)條件類似的電磁環(huán)境，飛行員無(wú)法進(jìn)行有針對(duì)性的訓(xùn)練，從而影響訓(xùn)練效果。而電子靶場(chǎng)等具有真實(shí)電磁環(huán)境的訓(xùn)練場(chǎng)地少，且使用成本大，不可能用作日常訓(xùn)練場(chǎng)地。因此，有必要利用地面模擬訓(xùn)練器來(lái)補(bǔ)充這部分訓(xùn)練內(nèi)容，以提高飛行員對(duì)電子對(duì)抗設(shè)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計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真理論的發(fā)展而出現(xiàn)的一門(mén)新型學(xué)科。其采用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，根據(jù)仿真的目的，構(gòu)造仿真對(duì)象的三維模型并再現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境。將視景仿真運(yùn)用于電子對(duì)抗的模擬訓(xùn)練，可全面表現(xiàn)電子對(duì)抗的作戰(zhàn)、試驗(yàn)態(tài)勢(shì)、進(jìn)程以及對(duì)抗效果，使飛行員更直觀地使用電子對(duì)抗設(shè)備，從而在戰(zhàn)時(shí)能對(duì)各種情況做出快速、準(zhǔn)確的反應(yīng)。因此，采用視景仿真技術(shù)研制飛機(jī)電子對(duì)抗仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)于解決飛行員所面臨的訓(xùn)練問(wèn)題，提高飛行員訓(xùn)練效果具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建模
針對(duì)機(jī)載電子對(duì)抗系統(tǒng)的特點(diǎn)，在分析系統(tǒng)主要功能的基礎(chǔ)上，建立了圖1所示的仿真數(shù)學(xué)模型。

(1)雷達(dá)仿真模型。雷達(dá)仿真模型用于模擬加載在敵我雙方飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈陣地上的各種雷達(dá)的工作過(guò)程和技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。主要包括雷達(dá)發(fā)射機(jī)模型、接收機(jī)模型、天線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(xiàn)、識(shí)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(biāo)與環(huán)境模型。目標(biāo)與環(huán)境仿真模型用于解算目標(biāo)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(yīng)等。
(5)導(dǎo)彈武器仿真模型。導(dǎo)彈武器仿真模型用于仿真導(dǎo)彈武器的發(fā)射、飛行、擊毀過(guò)程。
2 視景仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)功能
該訓(xùn)練系統(tǒng)以硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)信號(hào)采集系統(tǒng)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(jī)平顯、多功能告警顯示器，主要用于飛行員對(duì)機(jī)載電子對(duì)抗設(shè)備模擬仿真操作訓(xùn)練和測(cè)試，使飛行員掌握復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)環(huán)境下某型機(jī)載電子對(duì)抗設(shè)備的使用，提高電子對(duì)抗作戰(zhàn)技能。同時(shí)，將使用者引入到由計(jì)算機(jī)合成的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中去，使受訓(xùn)者在與系統(tǒng)的直接交互中感受戰(zhàn)爭(zhēng)，研究電子對(duì)抗作戰(zhàn)方法、樣式及理論，并可對(duì)作戰(zhàn)毀傷效果進(jìn)行評(píng)估并提出改正意見(jiàn)，為未來(lái)作戰(zhàn)方案提供決策依據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
硬件系統(tǒng)由顯示裝置、中央處理機(jī)和人機(jī)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(shì)和軟件界面，另兩個(gè)副顯示器在兩側(cè)，模擬飛機(jī)座艙的左右兩個(gè)操作臺(tái)。中央處理機(jī)用于數(shù)據(jù)的處理，為攜行方便，將中央處理機(jī)與主顯示器合在一起。人機(jī)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(shù)據(jù)采集處理電路與主機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物裝備與虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境之間的交互并為準(zhǔn)確評(píng)定訓(xùn)練成績(jī)提供客觀依據(jù)。
人機(jī)交互部分是系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。根據(jù)人機(jī)交互部分的功能要求，自行設(shè)計(jì)了信號(hào)采集電路。該電路由信號(hào)驅(qū)動(dòng)、CPU兩部分組成。CPU采用 C8051S020單片機(jī)，通過(guò)P0口采集發(fā)射、投放、加電信號(hào)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(jī)，中央處理機(jī)獲取串口發(fā)送來(lái)的信息與仿真訓(xùn)練軟件實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)仿真訓(xùn)練。接口控制系統(tǒng)的串行通信速率為9 600 b/s，在設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化后，能夠在少于2 ms的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)備狀態(tài)的采集、處理和傳送，完全滿足實(shí)時(shí)處理的要求。
2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
2.3.1 通信接口程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
通信接口程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，使用Visual C++ 6.0編寫(xiě)了上位機(jī)和下位機(jī)通信程序, 串行通信接口使用RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)。在這里，主要對(duì)下位機(jī)接口通信程序進(jìn)行重點(diǎn)介紹, 通過(guò)引入多線程串口編程工具CSerialPort類實(shí)現(xiàn)。
CSerialPort類是支持線連接(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(shù)都是開(kāi)放透明的，允許用戶進(jìn)行改造。CSerialPort類是基于多線程的類, 其接收數(shù)據(jù)流程如下：(1)設(shè)置串口參數(shù)(如串口號(hào)、波特率等)；(2)開(kāi)啟串口監(jiān)測(cè)工作線程, 監(jiān)測(cè)串口接收數(shù)據(jù)、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(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。發(fā)送數(shù)據(jù)直接通過(guò)調(diào)用類函數(shù)WriteToPort()實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)用過(guò)程中，需要手工添加WM_COMM_RXCHA的消息處理函數(shù)OnComm(),每當(dāng)串口接收緩沖區(qū)內(nèi)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(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理。
2.3.2 視景仿真程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，仿真運(yùn)行界面由平顯畫(huà)面、多功能告警顯示器、飛機(jī)動(dòng)態(tài)飛行界面、左右兩個(gè)飛機(jī)座艙界面和文字提示欄構(gòu)成。整個(gè)程序在基于對(duì)話框的框架上開(kāi)發(fā)。根據(jù)模塊化編程的思想，為每部分建一個(gè)派生于CStatic的Picture類，在對(duì)話框的界面上放入6個(gè)圖像控件，分別與各個(gè)類相關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程為：運(yùn)行程序首先打開(kāi)串口，測(cè)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(xù)測(cè)試；進(jìn)入主界面后，可進(jìn)行各項(xiàng)選擇和設(shè)置，如設(shè)置我機(jī)的航線、箔條彈和紅外彈的數(shù)量、敵機(jī)的類型和數(shù)量等。設(shè)置完畢，單擊開(kāi)始按鈕訓(xùn)練。在訓(xùn)練過(guò)程中，根據(jù)敵我雙方的態(tài)勢(shì)變化，受訓(xùn)者應(yīng)該在正確的時(shí)刻和恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，操作干擾吊艙控制盒或無(wú)源投放器控制面板對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行有源和無(wú)源干擾。訓(xùn)練完畢，系統(tǒng)將根據(jù)受訓(xùn)者的操作，對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行評(píng)估和打分。
基于MFC調(diào)用Vega Prime來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真訓(xùn)練是仿真程序的主要部分。
Vega Prime包括完整的C++應(yīng)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(jié)構(gòu)為用戶采用面向?qū)ο蟮拈_(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,除了特定的類(如:vpKernel)以外，其他類都允許有多個(gè)實(shí)例存在?；趯?duì)話框的VegaPrime 程序的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方法。
(1)時(shí)鐘法。在對(duì)話框中設(shè)定計(jì)時(shí)器，并開(kāi)始timer，在每次on timer調(diào)用中，執(zhí)行vpApp 的幀開(kāi)始和幀結(jié)束操作，并在開(kāi)始與結(jié)束幀操作之間獲取vpApp對(duì)象的關(guān)鍵屬性反饋在對(duì)話框頁(yè)面上。
(2)線程法。為VP的Frame Loop設(shè)置一個(gè)工作線程，應(yīng)用程序則作為主線程來(lái)接收外設(shè)輸入信息，響應(yīng)用戶操作。該工作線程主要完成VP的初始化工作和相應(yīng)的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)處理函數(shù)的設(shè)置以及窗口的配置等。
線程法有很大的優(yōu)勢(shì)。雖然時(shí)鐘法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易理解，但是在耗費(fèi)系統(tǒng)資源基礎(chǔ)上完成的，而且其致命缺點(diǎn)是在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。本程序中，使用線程的方法。主要代碼如下。
啟動(dòng)VP工作線程：
void CSimulateDlg::OnStart()
{
continueRunning=true；
……
LPVOID)this)；
}
創(chuàng)建VP工作線程：
UINT vpWorkThread(LPVOID pParam)
{
vpWindow *vpWin；//定義VP窗口
……
while(continueRunning)
{
…… //響應(yīng)函數(shù)
}
……
return 0；
}
中止工作線程：
void CSimulateDlg::OnDestroy()
{
if (m_bVPStarted==TRUE)
{
……
}
CDialog::OnDestroy()；
}
3 仿真訓(xùn)練算例
在仿真中，設(shè)定系統(tǒng)的仿真步長(zhǎng)為10 ms，每隔10 ms推進(jìn)一次。在系統(tǒng)設(shè)置界面中，設(shè)定作戰(zhàn)雙方參戰(zhàn)機(jī)型和作戰(zhàn)任務(wù)。系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)過(guò)程設(shè)定為：以某型機(jī)突防攻擊任務(wù)為戰(zhàn)術(shù)背景，完成某型飛機(jī)電子對(duì)抗主要科目的仿真訓(xùn)練。主要包括以下方面：對(duì)敵警戒雷達(dá)的箔條干擾、對(duì)敵機(jī)載火控雷達(dá)的有源干擾、對(duì)敵地空導(dǎo)彈的箔條質(zhì)心干擾、對(duì)敵空空導(dǎo)彈的紅外質(zhì)心干擾和發(fā)射反輻射導(dǎo)彈攻擊敵地面雷達(dá)，在電子對(duì)抗手段的配合下，完成對(duì)敵導(dǎo)彈陣地的突防打擊任務(wù)。
經(jīng)過(guò)一年的開(kāi)發(fā)調(diào)試，該仿真訓(xùn)練系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)定設(shè)計(jì)要求，目前已通過(guò)專家驗(yàn)收，即將交付部隊(duì)使用。通過(guò)多次在部隊(duì)進(jìn)行測(cè)試運(yùn)行證明，系統(tǒng)能真實(shí)地模擬各種戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。同時(shí)，通過(guò)軟件與硬件相結(jié)合,真實(shí)模擬飛機(jī)現(xiàn)役裝備，訓(xùn)練效果逼真。該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)使用后，能大大提高飛行員對(duì)機(jī)載電子對(duì)抗設(shè)備的操作能力，提高飛機(jī)的生存率，同時(shí)降低訓(xùn)練危險(xiǎn)性，節(jié)約訓(xùn)練成本。
此外，論文嘗試性利用CSerialPort類很好地實(shí)現(xiàn)了串口通信；運(yùn)用視景仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子對(duì)抗模擬訓(xùn)練的可視化。系統(tǒng)中大量模塊化的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了其良好的可擴(kuò)展性和移植重組功能，對(duì)其他同類模擬器的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。同時(shí)也可作為子模塊納入大規(guī)模的對(duì)抗系統(tǒng)，具有良好的工程應(yīng)用前景。