機載電子對抗視景仿真系統(tǒng)設(shè)計

機載電子對抗設(shè)備是飛機保障自身安全的主要裝備，在各種復雜的作戰(zhàn)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。飛行員必須平時多訓練才能保證戰(zhàn)時的正確使用。但由于平時的飛行訓練中，電磁環(huán)境一般都比較簡單，不能模擬真實戰(zhàn)場環(huán)境，很難出現(xiàn)與作戰(zhàn)條件類似的電磁環(huán)境，飛行員無法進行有針對性的訓練，從而影響訓練效果。而電子靶場等具有真實電磁環(huán)境的訓練場地少，且使用成本大，不可能用作日常訓練場地。因此，有必要利用地面模擬訓練器來補充這部分訓練內(nèi)容，以提高飛行員對電子對抗設(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算機技術(shù)與仿真理論的發(fā)展而出現(xiàn)的一門新型學科。其采用計算機圖形技術(shù)，根據(jù)仿真的目的，構(gòu)造仿真對象的三維模型并再現(xiàn)真實的環(huán)境。將視景仿真運用于電子對抗的模擬訓練，可全面表現(xiàn)電子對抗的作戰(zhàn)、試驗態(tài)勢、進程以及對抗效果，使飛行員更直觀地使用電子對抗設(shè)備，從而在戰(zhàn)時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(tǒng)，對于解決飛行員所面臨的訓練問題，提高飛行員訓練效果具有重要的現(xiàn)實意義。
1 系統(tǒng)數(shù)學模型建模
針對機載電子對抗系統(tǒng)的特點，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程和技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)指標。主要包括雷達發(fā)射機模型、接收機模型、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RCS及電磁波傳輸特性，包括大氣傳輸、地面反射、雜波圖或點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、擊毀過程。
2 視景仿真訓練系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)功能
該訓練系統(tǒng)以硬件平臺為基礎(chǔ)，通過信號采集系統(tǒng)獲取干擾吊艙控制盒、無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(shè)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(shè)備的使用，提高電子對抗作戰(zhàn)技能。同時，將使用者引入到由計算機合成的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中去，使受訓者在與系統(tǒng)的直接交互中感受戰(zhàn)爭，研究電子對抗作戰(zhàn)方法、樣式及理論，并可對作戰(zhàn)毀傷效果進行評估并提出改正意見，為未來作戰(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)計實現(xiàn)
硬件系統(tǒng)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個液晶顯示器，其中主顯示器用于實時顯示敵我態(tài)勢和軟件界面，另兩個副顯示器在兩側(cè)，模擬飛機座艙的左右兩個操作臺。中央處理機用于數(shù)據(jù)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源投放器控制面板各種控制按鈕的狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)采集處理電路與主機通信，實現(xiàn)半實物裝備與虛擬戰(zhàn)場環(huán)境之間的交互并為準確評定訓練成績提供客觀依據(jù)。
人機交互部分是系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的重點。根據(jù)人機交互部分的功能要求，自行設(shè)計了信號采集電路。該電路由信號驅(qū)動、CPU兩部分組成。CPU采用 C8051S020單片機，通過P0口采集發(fā)射、投放、加電信號等各開關(guān)的狀態(tài)。CPU采集開關(guān)狀態(tài)后通過RS232口發(fā)送到中央處理機，中央處理機獲取串口發(fā)送來的信息與仿真訓練軟件實時交互，實現(xiàn)仿真訓練。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的時間內(nèi)完成設(shè)備狀態(tài)的采集、處理和傳送，完全滿足實時處理的要求。
2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)
2.3.1 通信接口程序的設(shè)計實現(xiàn)
通信接口程序的設(shè)計實現(xiàn)中，使用Visual C++ 6.0編寫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行重點介紹, 通過引入多線程串口編程工具CSerialPort類實現(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，不需要加入其他文件，而且函數(shù)都是開放透明的，允許用戶進行改造。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、波特率等)；(2)開啟串口監(jiān)測工作線程, 監(jiān)測串口接收數(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)進行數(shù)據(jù)處理。發(fā)送數(shù)據(jù)直接通過調(diào)用類函數(shù)WriteToPort()實現(xiàn)。在應用過程中，需要手工添加WM_COMM_RXCHA的消息處理函數(shù)OnComm(),每當串口接收緩沖區(qū)內(nèi)有一個字符時，就會產(chǎn)生一個WM_COMM_RXCHAR消息, 觸發(fā)OnComm()函數(shù)進行數(shù)據(jù)接收處理。
2.3.2 視景仿真程序的設(shè)計實現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，仿真運行界面由平顯畫面、多功能告警顯示器、飛機動態(tài)飛行界面、左右兩個飛機座艙界面和文字提示欄構(gòu)成。整個程序在基于對話框的框架上開發(fā)。根據(jù)模塊化編程的思想，為每部分建一個派生于CStatic的Picture類，在對話框的界面上放入6個圖像控件，分別與各個類相關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)運行的過程為：運行程序首先打開串口，測試串口通信是否正常，若串口通信正常則進入軟件主界面，反之則返回繼續(xù)測試；進入主界面后，可進行各項選擇和設(shè)置，如設(shè)置我機的航線、箔條彈和紅外彈的數(shù)量、敵機的類型和數(shù)量等。設(shè)置完畢，單擊開始按鈕訓練。在訓練過程中，根據(jù)敵我雙方的態(tài)勢變化，受訓者應該在正確的時刻和恰當?shù)臅r機，操作干擾吊艙控制盒或無源投放器控制面板對敵方目標進行有源和無源干擾。訓練完畢，系統(tǒng)將根據(jù)受訓者的操作，對受訓者進行評估和打分。
基于MFC調(diào)用Vega Prime來實現(xiàn)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_發(fā)方式提供了良好的支持。Vega Prime 中的每個元素都是一個類,除了特定的類(如:vpKernel)以外，其他類都允許有多個實例存在。基于對話框的VegaPrime 程序的實現(xiàn)主要有兩種方法。
(1)時鐘法。在對話框中設(shè)定計時器，并開始timer，在每次on timer調(diào)用中，執(zhí)行vpApp 的幀開始和幀結(jié)束操作，并在開始與結(jié)束幀操作之間獲取vpApp對象的關(guān)鍵屬性反饋在對話框頁面上。
(2)線程法。為VP的Frame Loop設(shè)置一個工作線程，應用程序則作為主線程來接收外設(shè)輸入信息，響應用戶操作。該工作線程主要完成VP的初始化工作和相應的鍵盤、鼠標處理函數(shù)的設(shè)置以及窗口的配置等。
線程法有很大的優(yōu)勢。雖然時鐘法結(jié)構(gòu)簡單，容易理解，但是在耗費系統(tǒng)資源基礎(chǔ)上完成的，而且其致命缺點是在運行時會出現(xiàn)死機現(xiàn)象。本程序中，使用線程的方法。主要代碼如下。
啟動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)
{
…… //響應函數(shù)
}
……
return 0；
}
中止工作線程：
void CSimulateDlg::OnDestroy()
{
if (m_bVPStarted==TRUE)
{
……
}
CDialog::OnDestroy()；
}
3 仿真訓練算例
在仿真中，設(shè)定系統(tǒng)的仿真步長為10 ms，每隔10 ms推進一次。在系統(tǒng)設(shè)置界面中，設(shè)定作戰(zhàn)雙方參戰(zhàn)機型和作戰(zhàn)任務。系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)過程設(shè)定為：以某型機突防攻擊任務為戰(zhàn)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。
經(jīng)過一年的開發(fā)調(diào)試，該仿真訓練系統(tǒng)達到了預定設(shè)計要求，目前已通過專家驗收，即將交付部隊使用。通過多次在部隊進行測試運行證明，系統(tǒng)能真實地模擬各種戰(zhàn)場環(huán)境。同時，通過軟件與硬件相結(jié)合,真實模擬飛機現(xiàn)役裝備，訓練效果逼真。該模擬訓練系統(tǒng)使用后，能大大提高飛行員對機載電子對抗設(shè)備的操作能力，提高飛機的生存率，同時降低訓練危險性，節(jié)約訓練成本。
此外，論文嘗試性利用CSerialPort類很好地實現(xiàn)了串口通信；運用視景仿真技術(shù)，實現(xiàn)電子對抗模擬訓練的可視化。系統(tǒng)中大量模塊化的設(shè)計，體現(xiàn)了其良好的可擴展性和移植重組功能，對其他同類模擬器的設(shè)計具有借鑒意義。同時也可作為子模塊納入大規(guī)模的對抗系統(tǒng)，具有良好的工程應用前景。