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裝備模擬器范文第1篇

關(guān)鍵詞：雷達，數(shù)據(jù)采集，訓練模擬器

 

1 引言

近年來我軍裝備某型雷達幾十余部，由于其技術(shù)含量高，價格昂貴，尚未配備院校教學，學員無法進行裝備教學訓練，而部隊操作人員利用實際裝備進行操作訓練，又會縮短裝備有效工作時間，甚至造成裝備損壞，為保證部隊操作人員及院校學員對該裝備的操作、排故訓練，需要研制能提高訓練效率和訓練質(zhì)量的訓練模擬設(shè)備。隨著計算機技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，為研制用于維護和操作訓練的模擬器提供了極大的方便。雷達訓練模擬器是模擬仿真技術(shù)與雷達技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它通過模擬的方法產(chǎn)生雷達操作面板和顯示器動態(tài)畫面，以便在實際雷達系統(tǒng)前端不具備的條件下能夠真實地描述雷達的工作狀態(tài)和過程。該模擬器解決了新裝備訓練所面臨的難題，滿足了部隊科技練兵的需要，具有重要的軍事意義。

2　模擬器的功用

模擬器由模擬雷達、教員工作臺及學員工作臺組成，主要用于操作人員對某型雷達操作的模擬訓練、典型故障分析及排故訓練，其完成的主要功能：①模擬雷達的開機、關(guān)機、通電操作；模擬空中背景及目標圖像信息，模擬顯示掃描線、量程刻線、字符、交聯(lián)設(shè)備信息等；②模擬雷達脈沖調(diào)制信號、俯仰/橫滾信號、脈沖重復頻率及脈沖寬度信號、400Hz基準信號、各種增益控制信號等多項指標的循環(huán)檢測；③模擬雷達天線扇掃、圓周掃描及俯仰運動；④模擬雷達的故障分析及訓練考核。

3　模擬器硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成

雷達綜合訓練模擬器硬件主要由模擬雷達、10/100M自適應(yīng)集線器（HUB）、教員工作臺及學

員工作臺組成。其中模擬雷達包括模擬控制面板、適配器、數(shù)據(jù)采集卡、仿真機、雷達信號產(chǎn)生器、天線驅(qū)動電路、模擬天線及電源系統(tǒng)等。雷達綜合訓練模擬器整個系統(tǒng)構(gòu)成一個局域網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)為星狀拓撲結(jié)構(gòu)連接的高速以太網(wǎng)，所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都分別連接到集線器上，各計算機之間的通信都通過集線器，這樣不會因網(wǎng)絡(luò)上某一個接頭、接點短路、斷路而造成整個網(wǎng)絡(luò)無法運行。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

裝備模擬器范文第2篇

關(guān)鍵詞：飛行訓練模擬器 高層體系結(jié)構(gòu) 異構(gòu)集成

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0026-03

Set up the Battlefield Environment for Hardware-in-the-loop Simulation Research

Huang Zhijun

（Troops95934，CangzhouHebei Province， 061000，China）

Abstract：In order to integrate heterogeneous flight training simulator of simulation performance for a practical environment.Based on high-level architecture HIA system integration， and through the agent state member of the bridge technology， based on optical fiber reflective memory real-time network of hardware-in-the-loop simulation system of real-time and interoperability problem， for the subsequent references are provided for the integration and reuse of simulation system.

Key Words：Flight training simulator;High level architecture;Integration of heterogeneous

近幾年來，我國軍用仿真裝備發(fā)展迅猛，為部隊提供了大量性能逼真的優(yōu)良裝備，為新裝備的改裝和訓練單兵駕駛技能發(fā)揮了重要作用。隨著實戰(zhàn)化訓練的深入，為了拓展仿真系統(tǒng)職能，節(jié)約成本，在不改變原有仿真系統(tǒng)的性能并能單獨使用的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的飛行訓練模擬器進行集成，構(gòu)建新的仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)實戰(zhàn)對抗的仿真環(huán)境，成為模擬器集中使用和維護單位共同研究的課題。

對花巨資研制的異構(gòu)模擬訓練裝備進行重用和互操作的研究工作在國內(nèi)外一直探索推進，效果最顯著的是美軍。上世紀80年代后期，冷戰(zhàn)結(jié)束，美軍被要求縮減開支，同時又要對分布在廣闊地域的各種威脅提供國家安全措施。但當時國防領(lǐng)域的許多設(shè)施已不能適應(yīng)面臨的新威脅，而國會、民眾對軍用系統(tǒng)的花費、漫長的生產(chǎn)開發(fā)周期和在有效投資方式下實現(xiàn)軍隊現(xiàn)代化所面臨的困難失去了耐心。面對這些難題，大部分人主張利用先進的計算機硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，用較少的投入解決較多的問題。仿真作為提供這種技術(shù)的手段被特別看重。在20世紀80年代，采用SIMENT協(xié)議，實現(xiàn)了人在回路的實時仿真系統(tǒng)，創(chuàng)建了訓練的新途徑，在武器系統(tǒng)開發(fā)、建模和仿真方面創(chuàng)造了前所未有成就。于是建立昂貴的武器系統(tǒng)模擬器成為軍用系統(tǒng)開發(fā)的必經(jīng)過程。戰(zhàn)爭形態(tài)在變，戰(zhàn)爭環(huán)境越來越復雜，就意味著要在綜合仿真系統(tǒng)的開發(fā)上投入也越來越多。

在20世紀90年代隨著國家財政進一步緊縮，國防部面臨著巨大的財政壓力，為了國防需要如果繼續(xù)開發(fā)仿真環(huán)境，就必須采用更加有效的投資方式進行開發(fā);不能再為解決一個新問題而開發(fā)一個新的仿真系統(tǒng);更不能允許多個機構(gòu)開發(fā)類似的仿真系統(tǒng);而且還要把已有仿真項目納入到模擬訓練和演習任務(wù)中去。美國國防部希望找到支持國防仿真系統(tǒng)（包括不同機構(gòu)研制的單一仿真和綜合仿真系統(tǒng)）重用的途徑，這樣以重用和互操作為目標的高層體系結(jié)構(gòu)（high level Architecture，HLA）技術(shù)應(yīng)運而生。1995年美國防部首次在建模與仿真大綱中提出，1996年就正式規(guī)定HLA為仿真項目的標準技術(shù)框架，取代了原有的DIS、ALSP等標準;2000年成為國際電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）的國際標準IEEE1516。

采用HLA技術(shù)體制，可以將單個仿真應(yīng)用連接起來組成一個大型的虛擬世界，在這個虛擬世界中，可以進行大規(guī)模的多對多/部隊對部隊的戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略原則研究和演練仿真;可提供多武器系統(tǒng)的體系攻防對抗仿真和武器性能評估仿真;還可進行不同粒度，不同聚合度的對抗仿真和人員訓練仿真。

國內(nèi)對HLA技術(shù)研究已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，也開展了廣泛的應(yīng)用研究、取得了不小的成績。但立足半實物仿真系統(tǒng)，基于HLA技術(shù)研究組建更高集成度綜合仿真系統(tǒng)的方法報導很少，特別是針對異構(gòu)系統(tǒng)集成也沒有給出很好的解決方案。

該文以飛行訓練模擬器半實物仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過為其搭建空戰(zhàn)仿真平臺（HLA系統(tǒng)）并進行異構(gòu)系統(tǒng)集成的方式，研究構(gòu)建飛行訓練模擬器空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的方法和關(guān)鍵技術(shù)，重點對系統(tǒng)框架、集成方法、橋接組件設(shè)計等方面展開討論，給出了解決方案，同時還對原半實物仿真系統(tǒng)的適應(yīng)性改造做了簡單的闡述。

1 綜合仿真系統(tǒng)框架

飛行訓練模擬器集成研究的出發(fā)點是將研制廠家不同、型號不同的飛行訓練模擬器基于HLA技術(shù)進行異構(gòu)集成，在局域網(wǎng)構(gòu)建分布式的實戰(zhàn)化對抗模擬訓練環(huán)境。也就是將集成的飛行訓練模擬器綜合仿真系統(tǒng)作為一個聯(lián)邦，作為載機、目標機的半實物仿真飛行訓練模擬器和相關(guān)仿真模型為聯(lián)邦成員。聯(lián)邦成員通過向運行支撐環(huán)境RTI（Run Time Infrastructure）請求服務(wù)加邦，并生成各自的對象實例，由RTI實現(xiàn)對對整個仿真系統(tǒng)的聯(lián)邦管理、聲明管理、對象管理、所有權(quán)管理、時間管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理，達到綜合仿真的目的。

由于該文重點關(guān)注是集成方法研究，按最簡單的作戰(zhàn)想定和作戰(zhàn)流程，構(gòu)建最基本的仿真系統(tǒng)，所以只對構(gòu)建仿真系統(tǒng)的核心組件進行建模。在這個以飛行訓練模擬器為基礎(chǔ)的實戰(zhàn)化模擬訓練綜合仿真系統(tǒng)中，有四個組件是必需的：一是載機、二是目標、三是導彈、四是導調(diào)和態(tài)勢組件，其它組件如地面雷達、預警機等可以在進行實際系統(tǒng)建設(shè)時再考慮，因為HLA集成的系統(tǒng)是開放的可以進行擴展。飛行訓練模擬器綜合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

載機聯(lián)邦成員和目標機聯(lián)邦成員分別是基于光纖實時反射內(nèi)存網(wǎng)的半實物飛行訓練模擬器，主要完成飛機的運動參數(shù)解算，輸出位置、速度、姿態(tài)、截獲、跟蹤、下達發(fā)射指令等參數(shù)。它們互為目標機，在屬性上沒有差異，都是飛行器，對方的載機就是己方的目標。

導彈聯(lián)邦成員是在vc++6.0環(huán)境下，依據(jù)HLA規(guī)則開發(fā)的導彈模型，主要完成空空導彈的飛行彈道計算，輸出位置、速度、姿態(tài)和爆點等參數(shù)。

導調(diào)/態(tài)勢聯(lián)邦成員是由語音設(shè)備、仿真計算機、投影儀、幕布等組成，生成飛機、導彈等對象實例，并實時接收仿真系統(tǒng)各自實例的運動參數(shù)等信息，以二維或三維的形式將整個作戰(zhàn)過程予以呈現(xiàn);教員或指揮人員下達命令并根據(jù)態(tài)勢進行指揮引導。

仿真管理聯(lián)邦成員是由主控仿真計算機和控制軟件組成，完成對整個分布式半實物仿真系統(tǒng)的任務(wù)方案設(shè)定和各模型參數(shù)的初始化，實現(xiàn)模型間的信息交互與數(shù)據(jù)、時間管理，并對仿真系統(tǒng)監(jiān)控，實時掌握系統(tǒng)工作狀態(tài)，進行協(xié)調(diào)控制，同時記錄仿真數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)分析與數(shù)據(jù)再現(xiàn)。

進行集成的飛行訓練模擬器是基于光纖實時反射內(nèi)存網(wǎng)的 DIS的系統(tǒng)。在綜合仿真系統(tǒng)集成過程中，DIS系統(tǒng)和HLA系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換方式是集成的關(guān)鍵技術(shù)，出于時間策略和在互操作的考慮通常采用橋接的方法集成。橋接組件是聯(lián)系HLA系統(tǒng)與DIS系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，它具有適合HLA與DIS雙重標準的接口應(yīng)用，一般單獨進行設(shè)計。

在這樣的總體設(shè)計下，就只需要設(shè)計兩個組件，分別是以HLA標準設(shè)計的導彈聯(lián)邦成員和具有HLA和DIS雙重標準的橋聯(lián)邦成員。按HLA原則設(shè)計的導彈聯(lián)邦成員，提供導彈的運動學仿真數(shù)據(jù)和與其它聯(lián)邦成員的對象屬性及交互數(shù)據(jù);作為集成關(guān)鍵組件的橋聯(lián)邦成員設(shè)計在后面再加以討論。

2 仿真對象建模

HLA（high Level Architecture）是分布式協(xié)同仿真的高層體系結(jié)構(gòu)，它定義了聯(lián)邦和聯(lián)邦成員構(gòu)建，描述了聯(lián)邦成員交互的基本準則和方法，為各種類型的仿真提供了一種通用的仿真技術(shù)框架，從而便于仿真“組件”（聯(lián)邦成員）的集成，最終實現(xiàn)聯(lián)邦成員之間的互操作和重用。HLA的主要支撐技術(shù)是分布式并行離散事件仿真技術(shù)和面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真技術(shù)。

HIA的協(xié)議規(guī)范主要由HLA規(guī)則、RTl的接口規(guī)范說明和對象模型模板（object Model Template，OMT）三部分組成。其中，對象模型模板是實現(xiàn)仿真聯(lián)邦成員間互操作和聯(lián)邦成員重用的關(guān)鍵，代表了HLA的基本原則，是HLA技術(shù)采用面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真技術(shù)的直接反映。HLA對象模型主要包括聯(lián)邦對象模型FOM和仿真對象模型SOM，其中FOM定義某個具體聯(lián)邦中各個聯(lián)邦成員之間交換信息的內(nèi)容及其格式，SOM描述聯(lián)邦成員與外界進行信息交換的能力。按對象模型模板建立的聯(lián)邦對象模型（FOM）和仿真對象模型（SOM）作為仿真系統(tǒng)的說明文檔，使用戶可以直觀、完整的理解仿真系統(tǒng)和仿真組件的功能與數(shù)據(jù)交互接口，極大的便利了仿真組件的重用和擴展。

OMT規(guī)范下的FOM/SOM文檔共13個表格，描述了交互對象的數(shù)據(jù)、流向等各個方面的定義。作為系統(tǒng)的共同理解基礎(chǔ)，這里給出擬為飛行訓練模擬器綜合仿真系統(tǒng)設(shè)計的對象類結(jié)構(gòu)示意圖和交互類結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2和圖3。

圖2的繪出了載機、目標機（戰(zhàn)斗機，F(xiàn)ighter）和空空導彈（AAMissile）的對象類定義，他們是描述戰(zhàn)斗機或空空導彈的陣營、狀態(tài)、位置、速度、加速度等數(shù)據(jù)的集合。圖3的是參與仿真的交互類，他們是在仿真中可能由仿真實體（與對象類相對應(yīng)）發(fā)出的動作，是瞬時數(shù)據(jù)。lockEnemy是戰(zhàn)機被鎖定時使用;fireMissile是給導彈的發(fā)射信號;beingKilled是飛機收到有效攻擊后給出的被摧毀信息;AAMissile類的Explosion子類指導彈發(fā)出對敵機進行攻擊的被爆炸信息。

3 飛行仿真系統(tǒng)改造

飛行訓練模擬器綜合仿真系統(tǒng)進行逼真的實戰(zhàn)化模擬訓練必須遵從時空一致性原則，所以參與集成的模擬器要有統(tǒng)一的地景庫數(shù)據(jù);載機和目標機都是單一的訓練模擬器，在其原有視景中并沒有目標機及導彈發(fā)射視景，雷達顯示器也沒有截獲跟蹤目標符，必須添加，其中目標機運動仿真數(shù)據(jù)及雷達截獲數(shù)據(jù)由對方仿真計算機經(jīng)聯(lián)邦成員提供;導彈是動態(tài)的，發(fā)射指令是由戰(zhàn)斗機下達，運動仿真是由導彈聯(lián)邦成員自己完成。

3.1 統(tǒng)一地景庫

時空一致是戰(zhàn)場仿真必須遵循的原則，所以必須把不同廠家研制的飛行訓練模擬器地景庫數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，這并不影響原有模擬器的性能且能增加空戰(zhàn)的真實感。

3.2 在視景庫中添加目標機

載機和目標機都是單一的訓練模擬器，在其原有視景中并沒有目標機，為增加實戰(zhàn)仿真的逼真性在視景庫中必須添加。由行訓練模擬器互為目標機，所以目標機的運動仿真數(shù)據(jù)由對方仿真計算機經(jīng)RTI提供給攻擊機。

3.3 導彈發(fā)射邏輯控制傳輸

導彈發(fā)射邏輯控制由模擬器（DIS系統(tǒng)）中的載機發(fā)出，經(jīng)橋聯(lián)邦成員轉(zhuǎn)到RTI后發(fā)至導彈聯(lián)邦成員。

4 橋聯(lián)邦成員設(shè)計

為解決半實物仿真與分布式仿真的實時性和互操作問題，在該仿真系統(tǒng)增加一個橋接組件。關(guān)于基于HLA技術(shù)的半實物仿真集成的橋接組件設(shè)計探討很多，都是基于實時性和互操作并針對具體的半實物仿真設(shè)備和整個系統(tǒng)考慮進行的。該方案出于既節(jié)約成本、盡量少的改動和編制應(yīng)用程序又保證系統(tǒng)的實時性和互操作，經(jīng)比較采用聯(lián)邦成員的方法。聯(lián)邦成員采用通用計算機，系統(tǒng)為 Windows XP操作系統(tǒng)。半實物仿真聯(lián)邦成員與聯(lián)邦其他成員間通過以太網(wǎng)調(diào)用RTI服務(wù)實現(xiàn)信息的交互。飛行訓練模擬器是基于光纖實時反射內(nèi)存網(wǎng)的DIS的系統(tǒng)，只要在原系統(tǒng)中任意加入一個光纖反射節(jié)點，就可以獲得原仿真系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中傳遞的所有數(shù)據(jù)，所以這里稱新加入的光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為數(shù)據(jù)節(jié)點。聯(lián)邦成員仿真機接入實時反射內(nèi)存網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點，通過網(wǎng)口實現(xiàn)信息的交互，所以聯(lián)邦成員是飛行訓練模擬器與HLA分布式仿真系統(tǒng)的連接紐帶，如圖4所示。

在仿真運行時，半實物仿真聯(lián)邦成員通過調(diào)用RTI服務(wù)訂購半實物飛行訓練模擬器所需的外部信息（目標的位置、速度、姿態(tài)信息），通過采用UDP協(xié)議的網(wǎng)口，發(fā)送到實時反射內(nèi)存網(wǎng)上的數(shù)據(jù)節(jié)點，供半實物飛行訓練模擬器調(diào)用;同時，半實物飛行訓練模擬器又通過采用UDP協(xié)議的網(wǎng)口，將本身的位置、速度、姿態(tài)信息發(fā)送給半實物仿真聯(lián)邦成員，半實物仿真聯(lián)邦成員通過調(diào)用RTI服務(wù)公布半實物飛行訓練模擬器的運動信息，其他聯(lián)邦成員就可以通過調(diào)用RTI服務(wù)獲得這些信息。完成聯(lián)邦成員間的數(shù)據(jù)交互。

5 結(jié)語

飛行訓練模擬器以橋接方式進行系統(tǒng)集成，既解決了實時性又保證了半實物仿真系統(tǒng)的完整性，擴展了系統(tǒng)仿真功能，又不影響原系統(tǒng)的重用。論文研究并解決了HLA技術(shù)和半實物仿真系統(tǒng)集成設(shè)計的主要技術(shù)問題，對擴大仿真規(guī)模，完成系統(tǒng)的重用和互操作具有一定的積極意義。

參考文獻

[1] 趙琪，毛玉泉，王塬琨，等.Link16時隙固定分配算法的時延分析[J].電訊技術(shù)，2010，50（5）：8-12.

裝備模擬器范文第3篇

關(guān)鍵詞：汽車駕駛模擬器；駕駛培訓；虛擬現(xiàn)實技術(shù)

The Reviewed on Research and Application of Automobile Driving Simulator

LONG Qiong1, ZHOU Zhao-ming

School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China

Abstract: A dynamic Through creating a virtual driving environment and vehicle driving simulator for driver driving training, can effectively save energy, reduce the training costs, improve training efficiency and level. This paper summarizes the research and application of driving simulator problem, first of all, the concept of vehicle driving simulator, the principle has carried on the brief introduction; Then, this paper analyzes the research and application status of vehicle driving simulator, puts forward the application of driving simulator in driving training; Finally the future development prospect of vehicle driving simulator is discussed. In this paper, we study for our better use of advantage of backwardness, the development and application of driving simulator has a certain reference and guidance significance.

Key words: Automobile Driving Simulator; Driving training; Virtual reality technology

中圖分類號：F407文獻標識碼： A

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，機動車保有量日益增加，交通安全問題越來越成為人們高度關(guān)注的社會問題。按照系統(tǒng)論觀點，駕駛員、機動車、道路、出行環(huán)境是道路交通系統(tǒng)的基本組成要素。而駕駛員作為道路交通系統(tǒng)中的重要元素之一，具有較強的可塑性和主觀能動性，為使交通系統(tǒng)整體系統(tǒng)功能達到最優(yōu)，對駕駛員的培訓應(yīng)在不影響其效益的前提下盡可能處于最優(yōu)狀態(tài)。駕駛員的最優(yōu)基本標準有兩個，一是駕駛安全，二是工作量和駕駛效益。因此，加強駕駛員的駕駛技能培訓，對于提高整個交通系統(tǒng)安全指標具有較強的理論和實踐意義。在這種條件下，汽車駕駛員培訓蓬勃發(fā)展。但是作為一種飛速發(fā)展的培訓行業(yè)，如何有效地提高駕駛員培訓的質(zhì)量，確保交通安全是駕駛員培訓面臨的重要問題。在這種情況下，汽車駕駛模擬器(Driving Simulator，DS)應(yīng)運而生。

本文闡述汽車駕駛模擬器的研究現(xiàn)狀及駕駛員培訓中的應(yīng)用問題，并對其發(fā)展前景進行了展望。本文研究對于我們更好地利用后發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)與應(yīng)用駕駛模擬器具有一定的借鑒與指導意義.

1 汽車模擬器簡介

汽車駕駛模擬系統(tǒng)是綜合計算機、控制、微電子、光學、精密機械等多學科的高新技術(shù)產(chǎn)品，是展示汽車特性和性能、模擬汽車駕駛的有效工具，它具備了視覺、聽覺、身體觸覺的實時模擬功能，不但能對汽車的大部分駕駛情形及不同駕駛條件下的駕駛情況進行模擬，而且可以無任何風險地重復和再現(xiàn)現(xiàn)實世界中的各種災(zāi)難性事件，如汽車碰撞等。它利用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)營造一個虛擬的駕駛訓練環(huán)境，人們通過模擬器的操作部件與虛擬的環(huán)境進行交互，從而進行駕駛訓練。

汽車駕駛模擬器按用途不同，可分為兩類：一類訓練型駕駛模擬器，用于安全教育、交通規(guī)則教育和駕駛訓練等。另一類是是科研型駕駛模擬器，用于汽車安全產(chǎn)品開發(fā)和人-車-路基礎(chǔ)學科研究；如圖1中（a）、（b）是訓練型駕駛模擬器，（c）和（d）則是科研型駕駛模擬器。

(a) 單屏駕駛模擬器

(b) 多屏駕駛模擬器

(c) 支架式駕駛模擬器

(d) 真實汽車駕駛模擬器

圖1 各種典型的駕駛模擬器

汽車駕駛模擬器的工作基本工作過程為：

Step1：駕駛員對操作部件進行操作，產(chǎn)生相應(yīng)的機電控制信號；

Step2：機電控制信號經(jīng)過信號采集與處理，形成相應(yīng)的車輛動力學模型輸入信號；

Step3：車輛動力學模型進行仿真計算，獲得當前的車輛狀態(tài)，例如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機輸出扭矩、車速、車輛當前的位置等信息；

Step4：將車輛狀態(tài)信號傳輸至輸出設(shè)備，如顯示系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)等；

Step5：駕駛員獲得車輛狀態(tài)的模擬信息，進行下一步操作。

整個過程如圖2所示。

圖2 駕駛模擬器工作原理框圖

2駕駛模擬器研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

本文主要研究汽車駕駛模擬器在駕駛員培訓中的應(yīng)用，在此僅對訓練型駕駛模擬器的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述。

（1）國外駕駛模擬器研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

在國外，駕駛模擬器最早出現(xiàn)在航空駕駛訓練中，隨著電子計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，駕駛模擬器逐漸應(yīng)用到汽車駕駛訓練中。目前，美國、日本和歐洲等發(fā)達國家已普遍在駕駛員培訓中使用汽車駕駛模擬器。早在20世紀70年代中期，美國就有500多所汽車駕校裝備了各種駕駛模擬訓練器。而在1970年，日本政府甚至以正式法律明確規(guī)定：汽車駕校必須裝備汽車駕駛模擬器。大多數(shù)歐洲國家也相繼制定了使用汽車駕駛訓練模擬器的法規(guī)。由于政府的大力支持，駕駛模擬器的研究與推廣應(yīng)用得以飛速發(fā)展，大大提高了培訓效率和水平。

以日本為例，日本在汽車駕駛模擬器開發(fā)領(lǐng)域的代表企業(yè)有Forum8、豐田、本田等公司。Forum8的體驗型駕駛模擬器結(jié)合了富士重工航空宇航部門的飛行模擬器技術(shù)及斯巴魯汽車的電動六軸運動平臺。UC-win/Roadwebviewer軟件能提供道路、交通、城市等模型，并在此基礎(chǔ)上，進行道路障礙、信號控制等各類互動場景的制作。豐田公司的駕駛模擬器使用實車方向盤，駕駛模擬器控制部分能根據(jù)駕駛操作，如加油、剎車、方向盤操作等，并結(jié)合環(huán)境條件，如路面狀況，摩擦系數(shù)、橫風等，對車輛的運動情況進行分析，從而實現(xiàn)場景的驅(qū)動。

在駕駛模擬器應(yīng)用方面，日本駕校中普遍設(shè)有一項叫做“危險預測”的模擬駕車課程，學員通過駕駛模擬器進行操作，車輛參數(shù)設(shè)置和駕駛環(huán)境設(shè)置與真實值一模一樣，操作者在操作前系上安全帶，然后踩離合器、掛擋、踩油門、上路。導航儀提示在路口轉(zhuǎn)彎，前面有來車或路面上出現(xiàn)諸多緊急情況，操作者都必須正確應(yīng)對，模擬駕駛結(jié)束后，教練結(jié)合學員駕駛的錄像，指出在各種情況下可能遇到的危險和駕駛員的各種應(yīng)對措施。通過這種模擬駕車，學員在操作中能夠快速增長實際駕駛經(jīng)驗。

（2）國內(nèi)駕駛模擬器研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

在國內(nèi)，一些公司（如北京宣愛、安徽三聯(lián)等）也相繼開發(fā)了汽車駕駛訓練模擬器，但這些產(chǎn)品相對比較低端，與國外先進水平相比有較大的技術(shù)差距。雖然，這些駕駛模擬器具有成本較低的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，使用效果與宣傳差距很大，不具備高沉浸感，也難以實現(xiàn)駕駛的互動性，毋庸諱言，這些產(chǎn)品主要通過低端軟硬件采購組裝而成，缺少獨立的知識產(chǎn)權(quán)是制約其開發(fā)的根本原因，因而，駕駛真實感差，制作畫面粗糙。隨著國內(nèi)交通量的增加，駕駛員人數(shù)的增多，目前國內(nèi)的駕駛模擬器技術(shù)難以滿足日益增長的交通安全教育方面的要求。當前的駕校培訓主要通過“師傅帶徒弟”，“一車、一教練、一徒弟（或多徒弟）”的傳統(tǒng)培養(yǎng)模式開展的，基于駕駛模擬器進行駕駛培訓的駕校非常少。

3 駕駛模擬器在駕駛培訓中的應(yīng)用問題

國內(nèi)的訓練型駕駛模擬器應(yīng)用處于剛剛起步的階段，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已基本能提供駕駛理論培訓和駕駛技能模擬培訓，采用了國外成熟的技術(shù)平臺，成本控制較好，性價比高，已經(jīng)在部分省市開始試點使用，但與國外相比存在較大的差距。概括而言，主要存在一下問題。

（1） 對汽車駕駛技能的整體性、系統(tǒng)性認識不明，因而培訓目標設(shè)計缺乏科學依據(jù)，導致培訓工作顧此失彼、被動應(yīng)付的的局面。

技術(shù)教育的目的在于“提高勞動者的素質(zhì)”，以適應(yīng)現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的需要。從宏觀意義上講，這是完全正確的。但是，模擬培訓技術(shù)工作還需要闡明作為培訓預期目標的技術(shù)能力的整體結(jié)構(gòu)、組成要素及其相互關(guān)系，否則，是很難提高技術(shù)培訓的科學化水平的。近年來，正是由于缺乏這方面的理論研究，使得技術(shù)培訓方案的制定工作存有較大的盲目性，往往是“頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳”，造成了某些培訓內(nèi)容缺乏針對性、求學積極性不高和培訓效果不佳的惡性循環(huán)。顯然，如果對技術(shù)能力的整體性、系統(tǒng)性的認識問題不解決，即使在培訓中投入再多的人力、物力，其效果都只會是事倍功半，無助于從根本上扭轉(zhuǎn)當前培訓工作的被動局面。我們認為，要解決提高培訓效率的問題，研究的關(guān)鍵在于首先從宏觀上闡明汽車駕駛技能結(jié)構(gòu)的組成要素及其相互關(guān)系。只有如此，才能為培訓內(nèi)容的整體設(shè)計提供科學的依據(jù)，也才能確保對學習者進行有目的、有計劃、高效率的定向培養(yǎng)。

（2）對汽車駕駛技能結(jié)構(gòu)中操作成分與心智成分的主從關(guān)系認識不明，在確定培訓的戰(zhàn)略重點時，或者主次不分，或者本末倒置，導致培訓不能適應(yīng)現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展對駕駛員的新要求。

一些部門在制定汽車駕駛培訓的教學大綱和方案時，或者片面強調(diào)操作技能，或者局限于一些操作性知識，都較少涉及急需的心智技能的培養(yǎng)內(nèi)容，必須指出，這種指導思想的盲目性都是由于缺乏對汽車駕駛技能結(jié)構(gòu)各要素主從關(guān)系的研究造成的。所以，當前汽車駕駛技能培訓研究所面臨的又一項任務(wù)，就是結(jié)合我國推進傳統(tǒng)汽車駕駛培訓改革和趕超新技術(shù)革命的要求，在研究汽車駕駛技能整體結(jié)構(gòu)的同時，揭示出對現(xiàn)代技術(shù)能力結(jié)構(gòu)中起決定性作用的組成要素，為今后的技術(shù)培訓戰(zhàn)略重點的抉擇提供理論依據(jù)。

（3）對技術(shù)培訓的學習規(guī)律認識不明，缺乏專門的動態(tài)研究，導致現(xiàn)行培訓沿襲經(jīng)驗主義或工匠式的教學方法，妨礙了學員汽車駕駛技能的有效形成，特別是在心智技能的培養(yǎng)方面，其影響尤為突出。

技術(shù)培訓是一種社會生產(chǎn)經(jīng)驗的傳遞過程，它是借助于一定的媒體（如文字符號、圖表、儀器.、機器或自動控制臺等）進行的。為要使汽車駕駛培訓取得預期的效果，必須充分注意汽車駕駛技能各種要素形成和發(fā)展的規(guī)律，也就是學員獲得經(jīng)驗時的各種規(guī)律，即學習規(guī)律?？梢哉J為，培訓內(nèi)容的結(jié)構(gòu)再完整，對各要素內(nèi)容的主從關(guān)系再明確，如果忽視了受培訓學員的接受規(guī)律，也難獲得理想的成效。眾所周知，有關(guān)學習規(guī)律的研究一般是由教育心理學家來進行的。然而，近年來，教育心理學家卻較少參與技術(shù)培訓的研究工作。一些調(diào)查表明，我國技術(shù)教育水平目前普遍落后于普通教育。在汽車駕駛技能培訓過程中，或者沿用普通教育模式，或者采用傳統(tǒng)的“是師傅帶徒弟”的方法；或套用實車訓練的組訓方式，培訓效果難以達到預期的要求，特別是在急需的心智技能的培養(yǎng)上，其成效更差。我們認為，缺乏吸收教育心理學已有成果以及系統(tǒng)研究汽車駕駛技能培訓的特殊規(guī)律、特別是心智技能的形成規(guī)律，是其主要原因之一。要改變這種狀況，除了將教育心理學理論的成果有選擇地應(yīng)用于汽車駕駛技能培訓之外，應(yīng)根據(jù)汽車駕駛技能培訓的特殊要求，系統(tǒng)地開展一些專題研究，在各項培訓要素中，心智技能的形成和遷移規(guī)律問題又是其難度較大、且對現(xiàn)代汽車駕駛培訓整體效率影響最大的問題，可以作為當前汽車駕駛技能形成規(guī)律的研究重點。

綜上所述，當前汽車駕駛模擬培訓技術(shù)的研究方面存在的問題是，缺乏明確的指導思想，其具體表現(xiàn)為：宏觀上對汽車駕駛技能的整體結(jié)構(gòu)、組成要素及其主從關(guān)系認識不明；微觀上缺乏對汽車駕駛技能形成規(guī)律的方法探討，可以認為，這就是妨礙汽車駕駛模擬培訓技術(shù)科學化的癥結(jié)所在。

4 發(fā)展前景展望

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的蓬勃發(fā)展，汽車駕駛模擬器的未來將有更加美好的發(fā)展前景，概括而言，未來汽車駕駛模擬器將具有以下幾個方面的特點。

（1）沉浸感強，交互友好

理想模擬駕駛環(huán)境應(yīng)該使用戶完全沉浸其中，使用戶在虛擬化解下實現(xiàn)車輛真實行駛情況下的駕駛感受。友好的交互性能是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度具有一致性，能給駕駛員產(chǎn)生接近現(xiàn)實的動態(tài)駕駛體驗。通過模擬駕駛體驗，駕駛員不僅能夠獲得視覺、聽覺、力覺、觸覺等方面的感知體驗，還能夠結(jié)合人的視覺和運動等生理特性，讓駕駛員在潛移默化中學會各種操作細節(jié)、交通法規(guī)，從而達到能夠真正戶外駕駛的目的。

（2）能夠模擬駕駛過程中的非常規(guī)環(huán)境，提高駕駛員應(yīng)急反應(yīng)能力

在傳統(tǒng)的駕校培訓過程中，往往只能進行常規(guī)培訓，告訴學員怎么駕駛，而在非常規(guī)條件下，如車輛刮擦、冰雪天氣、酒后駕駛、超速行駛等危險場景，駕駛員如何操作，傳統(tǒng)駕校則無法進行針對性的培訓，事實上，非常規(guī)條件下的駕駛能力，更能夠反映駕駛員的實際水平。因此，模擬駕駛過程中的非常規(guī)環(huán)境，提高駕駛員應(yīng)急反應(yīng)能力，是未來駕駛模擬器的另一個發(fā)展方向。

（3） 個性化培訓定制

未來的駕駛模擬器將基于國家道路安全法規(guī)和駕駛員培訓體系，考慮駕駛員不同年齡、不同職業(yè)、不同性別、不同體質(zhì)、不同偏好的駕駛?cè)四軌驅(qū)嵤﹤€性化定制，并進行有針對性的培訓體驗，根據(jù)不同駕駛員的駕駛表現(xiàn)，研究建立完善的駕駛員安全意識分類培訓體系和數(shù)據(jù)庫。

（4）可擴展性

不同的場所，不同的用戶對于駕駛模擬器的要求是存在差異的：駕校往往偏向于駕駛理論和駕駛技能的培養(yǎng)，交管所更加注重駕駛員安全技能和意識的教育，而游樂場則需要通過模擬駕駛的游戲體驗，加強青少年的交通安全意識。諸多環(huán)境的模擬駕駛需求對駕駛模擬器提出了較高的可擴展性要求，要求駕駛模擬器能夠具有較強的二次開發(fā)能力。

5 結(jié)論

駕駛模擬器的推廣與應(yīng)用，在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境下進行駕駛員培訓，能有效節(jié)約能源，降低成本，提高培訓效率。隨著視景技術(shù)的成熟和硬件成本的降低，國外駕駛模擬器的研究與應(yīng)用水平的穩(wěn)步提高，為我們利用后發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)駕駛模擬器提供了良好的發(fā)展機遇。

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裝備模擬器范文第4篇

關(guān)鍵詞： 月球模擬器； LED陣列； 月相

中圖分類號： V 524.3文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.016

引言

月球模擬器（簡稱月模）是一種用來模擬月球幾何特征、輻射特性以及特定“月相”的地面測試設(shè)備，為交會對接敏感器、導航敏感器提供目標源，在敏感器地面測試中，是試驗系統(tǒng)內(nèi)的目標模擬器[12]。在以往的模擬器研究中，主要以太陽模擬器、地球模擬器和星模擬器為主[34]，對月球模擬器的研究鮮有報道，由于月光是來自于月球?qū)μ柟獾姆瓷洌虑蚰M器的發(fā)光效應(yīng)很接近太陽模擬器，因此，我國曾經(jīng)使用太陽模擬器光學系統(tǒng)并采用光學衰減片降低輻照度來模擬月球的發(fā)光效應(yīng)。但是，這種設(shè)計方法有原理復雜、成本較高、輻照光斑小等缺點，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在空間模擬的需求。隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展，開展研究地面上大型模擬空間光環(huán)境顯得越來越重要，為此本文設(shè)計了一種以LED陣列為發(fā)光面光源的大型月球模擬器，并對其光學特性進行了分析，此月球模擬器輻照面光斑較大、原理簡單、成本較低，可同時模擬出月球不同月相時的輻亮度和發(fā)光不均勻性的特性。

1月球模擬器的組成與工作原理

月球模擬器主要由多燈擬合寬光譜光源、勻光板、寬光譜光源控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、模擬器機械系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)六部分組成。

月球模擬器的工作原理如圖1所示，由多燈擬合寬光譜光源發(fā)出的355～1 000 nm光經(jīng)勻光板

后，在其表面形成口徑為Φ2 500 mm亮度均勻的光斑，模擬了在近月軌道所觀測到的圓盤，也就是實現(xiàn)了滿月的模擬。

計算機控制系統(tǒng)通過通訊接口與寬光譜光源控制系統(tǒng)進行通訊，可控制調(diào)節(jié)多燈擬合寬光譜光源的發(fā)光功率，實現(xiàn)月球模擬器輻亮度的調(diào)節(jié)；同時還可控制多燈擬合寬光譜光源中的LED組元陣列的亮滅，實現(xiàn)月相的模擬。當滿月月相時，在輻照面處可形成亮度大于20 W/（sr?m2）的Φ2 500 mm發(fā)光圓面。

2月球模擬器各部分設(shè)計

2.1多燈擬合寬光譜光源

主要由多個LED組元組成，其中每個LED組元由不同波段的LED組成，由多個LED組元組成多個LED燈陣，再由多個LED燈陣組合成寬光譜光源。其主要作用是通過不同波段LED燈組合實現(xiàn)355～1 000 nm譜段月球光譜的模擬；通過多個燈組元和多個LED燈陣來實現(xiàn)月球模擬器形成一個輻照度均勻分布的輻照面[5]；通過控制LED燈陣中每個LED組元的亮滅來實現(xiàn)不同月相模擬。

2.2勻光板

設(shè)計的勻光板采用毛玻璃制作，起勻光作用。

2.3寬光譜光源控制系統(tǒng)

月球模擬器光源控制硬件主要由1臺計算機、1個通訊控制器、多個驅(qū)動板、多個顯示板、1個RS485通訊接口及多個24 V直流電源構(gòu)成，如圖2所示。

計算機通過RS485通訊接口將軟件編好的月相數(shù)據(jù)傳送給通訊控制器，通訊控制器根據(jù)每個驅(qū)動板的ID編碼將數(shù)據(jù)發(fā)送給驅(qū)動板，驅(qū)動板再將數(shù)據(jù)傳送給顯示板進行顯示。

由于顯示部分是較大直徑的圓形，因此其不可避免地采用顯示單元板拼接方式完成。為了使系統(tǒng)具有良好的互換性和制造的一致性，采用正方形單元板實現(xiàn)，圓形部分通過外部裝潢或者控制顯示實現(xiàn)。

2.4計算機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計思路

月球模擬器光源控制軟件主要用來編輯和存儲月相，同時還可以接受網(wǎng)絡(luò)控制，把月相數(shù)據(jù)發(fā)送給通信控制主機，實現(xiàn)月模光源LED組元的實際顯示。軟件中設(shè)定了15種常用的月相，可以通過按鍵直接選擇這15種月相之一，選中后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸把相應(yīng)的月相數(shù)據(jù)在LED組元中顯示出來[67]，進而實現(xiàn)了固定月相的模擬。軟件還給出了任意月相的設(shè)定，可以借助WINDOWS自帶的畫圖工具，把需要顯示的月相制成圖形文件，通過該軟件的讀取，把實際的月相在月模中顯示出來。對于LED組元亮度的設(shè)定，可以通過亮度設(shè)定滑塊進行256級亮度調(diào)整。

軟件由上位機軟件和下位機軟件兩部分組成，上位機軟件使用面向?qū)ο蟮腣B編寫，下位機采用C語言編寫。

2.4.1

下位機軟件設(shè)計

下位機軟件主要由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分組成，主程序完成LED顯示驅(qū)動控制，中斷服務(wù)程序完成數(shù)據(jù)通信接收功能，下位機軟件實現(xiàn)接收上位機數(shù)據(jù)以及控制LED輸出。其主程序流程圖如圖3所示。

服務(wù)程序主要是對主機發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行接收和校驗，當校驗合格后，置數(shù)據(jù)有效標志，在主程序中完成接收到的有效數(shù)據(jù)到顯示緩沖區(qū)的移動。由于數(shù)據(jù)校驗采用了累加和方式，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

數(shù)據(jù)傳輸采用打包的形式進行，數(shù)據(jù)包的內(nèi)容有包頭、命令、數(shù)據(jù)、累加及包尾五部分構(gòu)成，其中斷服務(wù)程序框圖如圖4所示。

2.4.2上位機軟件設(shè)計

上位機軟件實現(xiàn)對月相的選擇、灰度控制、圖形存儲和讀入及串行數(shù)據(jù)發(fā)送等功能，其程序流程如圖5所示。

2.5模擬器機械系統(tǒng)

模擬器機械系統(tǒng)主要包括主體框架、壓圈及光闌、橡膠膠圈、多燈擬合寬光譜光源燈座、后蓋、地腳、腳輪、水泡、起吊環(huán)等。

設(shè)計的模擬器主體框架如圖6所示，在模擬器前端設(shè)有Φ2 550 mm的孔，用于安裝勻光板；模擬器后端開有方槽用于安裝寬光譜光源及其燈座；下部設(shè)有四個螺紋孔，用于安裝地腳；此外還設(shè)有安裝壓圈及光闌、后蓋、腳輪、水泡、起吊環(huán)的機械接口。

3月球模擬器的分析

3.1光機結(jié)構(gòu)變形分析

利用有限元分析方法對模擬器光機結(jié)構(gòu)的自重變形與溫度進行分析，以驗證所設(shè)計的月球模擬器的可行性。

（1）自重變形與應(yīng)變分析

模擬器光機結(jié)構(gòu)自重變形與應(yīng)變分析如圖7所示，其自重變形與應(yīng)變分析結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2仿真分析

為驗證所設(shè)計的月球模擬器的發(fā)光面不均勻度、輻亮度和光譜特性，對滿月時的情況進行仿真分析。為此采用照明系統(tǒng)分析軟件lighttools，使用基于蒙特卡羅法的光線追跡對該光學系統(tǒng)進行模擬仿真[8]，仿真結(jié)果中追跡誤差為2.1%（

分別在發(fā)光面表面、輻照面處的位置設(shè)置照度、亮度接收面，并添加照度和亮度計，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分別計算出Φ2 500 mm發(fā)光面表面照度不均勻度、發(fā)光面亮度不均勻度。其照度仿真結(jié)果如圖9所示。

由仿真結(jié)果可知，輻照面最大亮度值為32 W/（sr?m2），輻照面照度不均勻度為14.7%，亮度不均勻度為17.2%，滿足設(shè)計指標要求。

4結(jié)論

本文對月球模擬器的總體結(jié)構(gòu)、多燈擬合寬光譜光源、勻光板、寬光譜光源控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、模擬器機械系統(tǒng)等進行了方案設(shè)計，并使用ANSYS有限元分析軟件和Lighttolls仿真軟件對模擬器進行了仿真分析。根據(jù)目前的光學、機械和電學的設(shè)計結(jié)果表明：模擬器光機結(jié)構(gòu)最大自重變形16.4 μm，最大自重應(yīng)變2.1×10-4 m/m，輻照面輻亮度大于等于20 W/（sr?m2），輻照面照度不均勻度為14.7%，輻照面亮度不均勻度為17.2%，結(jié)果均滿足設(shè)計指標要求。

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裝備模擬器范文第5篇

關(guān)鍵詞：雷達模擬器;PC104;FPGA;干擾機

中圖分類號：TN955文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)07-041-03オ

Design and Realization of Multi-system Radar Emulator

SUN Shize,DU Chunpeng

(East China Research Institute of Electronic Engineering,Hefei,230031,China)オ

Abstract：The design and implement of multi-system radar emulator is explained in this paper.The simulator adopts the method of embedded PC104 and the large-scale and programmable logic FPGA.That simulator can simulate the target of various radar echo signal and clutter signal.The closed loop consists of simulator,signal processor and data processor.This method is easy to debug and evaluate the radar system.It can test and evaluate the disturbance equipment as the experiment device.It meets various radar target and clutter simulation by using the software setting on the general hardware platform.

Keywords：radar emulator;PC104;FPGA;distarbance equipment

1 引 言

隨著雷達技術(shù)和電子對抗技術(shù)的飛速發(fā)展，伴隨著各種新體制雷達的出現(xiàn)，現(xiàn)代電磁信號環(huán)境變得越來越復雜，在新一代雷達偵察設(shè)備的研制和實驗過程中，不能完全依靠外場實驗的方法來檢驗設(shè)備，這樣成本太高，也不容易現(xiàn)實，因此，采用雷達仿真技術(shù)在實驗室條件下模擬雷達信號電磁環(huán)境，準確評估雷達偵察設(shè)備的技術(shù)指標，就顯得十分必要。雷達信號電磁環(huán)境仿真是用數(shù)學和物理的方法，通過對雷達脈沖信號的模擬生成雷達偵察設(shè)備所面臨的電磁信號環(huán)境，模擬戰(zhàn)場電子戰(zhàn)行為，用于監(jiān)測評估雷達偵察設(shè)備的效能，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，為了達到仿真實驗效果，雷達模擬器設(shè)計包括了除發(fā)射系統(tǒng)和大型天線系統(tǒng)外的所有設(shè)備，他們和干擾偵察機連在一起就組成了雷達電子對抗仿真系統(tǒng)，為電子戰(zhàn)技術(shù)研究和裝備研制提供現(xiàn)代化手段。雷達模擬器的模擬對象是雷達的目標和環(huán)境，他能復現(xiàn)既包括目標的幅度信息和又包括目標相位信息的相干視頻信號，能復現(xiàn)信號的發(fā)射、空間傳播、反射和接收機處理的全過程。雷達信號模擬的關(guān)鍵技術(shù)包括兩個方面:一是環(huán)境模型的確定；二是體系結(jié)構(gòu)的選擇。環(huán)境模型的選擇包括目標和雜波模型的選擇,他決定了雷達信號模擬目標的真實性和雜波環(huán)境的準確性；體系結(jié)構(gòu)的選擇決定了雷達信號模擬器的精度、速度和復雜性。本文針對各種雷達信號回波的特點提出了一種基于PC104+FPGA的方式的體系結(jié)構(gòu)，較好地完成了不同體制雷達的模擬與仿真。最后介紹了這種多體制雷達信號模擬器的實現(xiàn)方案和關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計要求

本模擬器是為了對干擾機性能評估而研制開發(fā)的，模擬器在設(shè)計上滿足通用性要求，能模擬不同體制雷達的功能和性能。如連續(xù)波雷達信號，脈沖壓縮信號，脈沖多普勒雷達信號，和差波束相控陣雷達信號，主要信號方式有單脈沖，連續(xù)波信號。調(diào)制形式有調(diào)頻(線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻)和調(diào)相(巴克碼和偽隨機碼)。雷達視頻模擬器是整個仿真系統(tǒng)的重要組成部分，模擬器不僅要產(chǎn)生目標回波及雜波信號，還要產(chǎn)生針對干擾偵察機的回波信號及發(fā)射信號，由于雷達仿真系統(tǒng)和干擾偵察機處在同一實驗環(huán)境，經(jīng)過方向圖調(diào)制的發(fā)射信號通過饋線方式傳送給干擾機，沒有空間時間延遲，因此干擾機的回波信號和發(fā)射信號在距離時間上是重疊的。干擾機產(chǎn)生的干擾信號也會和干擾機的回波信號疊加在一起，模擬偵察機接收的發(fā)射信號功率受雷達距離方程調(diào)制，整個雷達仿真事件的過程要受控制臺預先設(shè)置的場景控制，各種參數(shù)的設(shè)置要滿足信號處理性能指標要求。

在模擬器設(shè)計上不同體制雷達的目標、雜波類型參數(shù)有所不同，要結(jié)合具體雷達的參數(shù)設(shè)置，例如PD體制的雷達目標、雜波產(chǎn)生要比常規(guī)體制脈沖雷達的目標、雜波產(chǎn)生復雜得多，要考慮距離和速度模糊問題，模糊的目標在不同CPI間距離位置不同，多譜勒頻率也會在不同的濾波器中出現(xiàn)，信號處理根據(jù)這些差異解出目標的真實距離和速度。雷達視頻模擬器需要設(shè)置的參數(shù)很多，如雜波的種類、雜波的分布類型、雜波的區(qū)域、雜波的中心頻率等。目標的類型、速度、RCS截面積，天線方向圖，天線轉(zhuǎn)速等，天線轉(zhuǎn)速決定了一個波束寬度內(nèi)要產(chǎn)生的目標回波數(shù)。雷達視頻模擬器參數(shù)設(shè)置和整個雷達仿真系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起，只有設(shè)置正確信號處理才能得到正確的處理結(jié)果。

3 目標回波模擬

目標回波信號的模擬采用相干視頻信號模擬的方法，目標回波位置是通過對基準信號的延遲檢測來確定的。目標信號形式，目標類型、截面積、目標的距離、方位中心點通過控制臺發(fā)送給模擬器，模擬器每幀接收一次數(shù)據(jù)，通過計算重復周期、天線方向圖波瓣寬度和天線掃描周期的關(guān)系在下幀目標相應(yīng)的距離和方位上產(chǎn)生帶方向圖調(diào)制具有一定寬度的脈沖串回波。再在幅度上乘以目標功率因子u，相位上乘以多譜勒頻移fd,就形成了相干視頻回波信號。

設(shè)相干脈沖雷達的脈沖重復周期為T,則點目標回波的相干視頻SI,SQ信號可表示為：

И

SI(kT)=u(kT)cos[2πfdkT+θ(kT)][JY](1)

SQ(kT)=u(kT)sin[2πfdkT+θ(kT)][JY](2)

И

式中,k表示采樣序列,θ(kT)為目標回波的初始相位。

對干擾機目標回波的模擬要和發(fā)射機映射功率相關(guān)，根據(jù)單基雷達方程可知,雷達接收回波功率PR為:

И

PR=PTG2λ2σ(4π)3R4L[JY](3)

И

式中,PT為雷達發(fā)射功率,G為雷達天線發(fā)射增益,σ為目標散射截面積,R為目標距離,λ為雷達波長,L為天線傳輸損耗。И

由上式可知,模擬器產(chǎn)生的干擾機目標回波功率與目標模擬器的發(fā)射功率成正比，與距離的4次方成反比，與目標截面積成正比，此外目標回波功率還受雷達接收天線方向圖和模擬器發(fā)射天線方向圖的調(diào)制。

此外，目標回波幅度具有一定的起伏特性，通常將雷達目標分為Swerling(Ⅰ~Ⅳ)四種模型，也就是根據(jù)目標的雷達截面積(RCS)的概率密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)將目標區(qū)分這四種類型。典型的SwerlingⅠ型和SwerlingⅡ型目標，其RCS的概率密度函數(shù)都是指數(shù)分布：

И

P(σ)=1e -σ/[JY](4)

И

其中，為目標起伏全過程的平均值。SwerlingⅠ型和SwerlingⅡ型目標的信號幅度都是瑞利分布，其區(qū)別在于SwerlingⅠ型為慢起伏，即從一次掃描到下一次掃描是不相關(guān)的，而脈沖間是相關(guān)的；SwerlingⅡ型為快起伏，即脈沖與脈沖間的起伏是統(tǒng)計獨立的。

Swerling Ⅲ型和Swerling Ⅳ型目標，其RCS為χ2分布：

И

P(σ)=4σ2e -2σ/

И

其中，也是目標起伏全過程的平均值。Swerling Ⅲ型和Swerling Ⅳ型目標回波的振幅特性為Rice分布，而Swerling Ⅲ型為慢起伏，Swerling Ⅳ型為快起伏。目標起伏模型的數(shù)據(jù)庫可以在初始化階段由計算機直接調(diào)入FPGA輸入緩存內(nèi)。模擬器根據(jù)終端發(fā)送的目標類別調(diào)用數(shù)據(jù)庫進行相關(guān)運算。

4 雜波模擬

雜波信號是雷達回波信號的重要組成部分，對雜波進行模擬,首先要選取雜波模型。由于實際影響雜波統(tǒng)計特性的因素很多,所以無法從理論上預測雜波的統(tǒng)計特性，實際上環(huán)境雜波信號的數(shù)學形式與目標的信號形式是一樣的，只是幅度的起伏特性和強度不同，以及多普勒頻譜的變化范圍不同而已。雜波起伏調(diào)制函數(shù)包含兩個參數(shù)，一個是雜波幅度起伏模型函數(shù)，另一個是雜波多普勒頻率起伏模型函數(shù)。在早期的雷達系統(tǒng)中，由于雷達的分辨率較低，雷達雜波被認為是大量近似相等的獨立單元散射體的回波相互疊加。雜波的幅度分布特性近似服從高斯分布模型。但是，現(xiàn)代雷達的分辨率越來越高，使得相鄰散射單元的回波在時間性和空間上均存在一定的相關(guān)性，因而上述假設(shè)已經(jīng)不成立，而且許多實測數(shù)據(jù)也已經(jīng)證實，在低仰角或高分辨率雷達情況下，雜波分布的統(tǒng)計特性明顯偏離高斯分布特性。所以，現(xiàn)代雷達環(huán)境雜波的幅度分布特性，用非高斯分布模型來模擬能更精確地描述實際雷達回波的統(tǒng)計特性。

非高斯幅度概率密度分布的常用模型主要有韋伯爾分布、對數(shù)正態(tài)分布和K分布三種形式。目前有兩種產(chǎn)生方法具有代表性，其一是球不變隨機過程法(SIRP)，這種方法的基本思路是：產(chǎn)生一個相關(guān)的高斯隨機過程，然后用具有所要求的概率密度函數(shù)(pdf)的隨機序列進行調(diào)制。這種方法受所求序列的階數(shù)及自相關(guān)函數(shù)的限制，同時計算量非常大，不易形成快速算法。其二是零記憶非線性變換法(ZMNL)，這種方法的基本思路是：首先產(chǎn)生相關(guān)的高斯隨機序列，然后經(jīng)某種非線性變換得到需要的相關(guān)非高斯隨機序列。這種方法比較經(jīng)典，硬件實現(xiàn)相對簡單，首先通過偽隨機碼序列電路產(chǎn)生均勻分布的隨機變量，通過設(shè)定相關(guān)系數(shù)線性濾波器變換后，經(jīng)指定的非線性設(shè)備就可以產(chǎn)生不同分布非高斯序列，具體實現(xiàn)方法可以參考文獻[7]。

5 硬件組成

為了滿足不同雷達體制的模擬要求,系統(tǒng)要具有一定的可編程性，本雷達模擬器采用PC104加FPGA 組合的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

PC104為總線嵌入式單板計算機,其主要配置為550 MHz Intel Mobile Pentium Ⅲ CPU芯片，256 MB SDRAM，128 MB FLASH RAM,內(nèi)裝VxWorks 實時操作系統(tǒng)。主要用來存儲目標、雜波數(shù)據(jù)庫,和FPGA進行數(shù)據(jù)交換以及和終端、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通訊任務(wù)，F(xiàn)PGA采用Altera公司新推出的Stratix 系列大容量的現(xiàn)場可編程門陣列器件。他內(nèi)部集成了大容量存儲器和高速DSP模塊，適用于復雜運算，主要完成不同體制雷達工作時序配置，參數(shù)分解，目標、雜波生成及相關(guān)運算。

由于模擬不同體制雷達的電路結(jié)構(gòu)不同，全部集成一塊芯片中完成不太現(xiàn)實，系統(tǒng)應(yīng)具有自動軟件加載功能，根據(jù)模擬不同雷達態(tài)勢加載相應(yīng)的軟件。雷達參數(shù)設(shè)置主要有：雷達工作頻段，脈沖重復頻率，天線轉(zhuǎn)速，天線波束寬度，信號調(diào)制方式，目標運動速度，雜波分布類型及區(qū)域，雜波譜寬等，這些參數(shù)在程序初始化階段發(fā)送到模擬器。目標航跡位置參數(shù)包括目標起伏分布類型、目標代號、目標的距離、方位中心點，目標RCS標志。

6 工作原理及實現(xiàn)

6.1 數(shù)據(jù)傳輸

PC104和FPGA之間有16位數(shù)據(jù)總線和地址總線，通過地址譯碼電路，PC104內(nèi)存數(shù)據(jù)被快速寫入FPGA命令寄存器和雙口RAM內(nèi)，第一類傳輸數(shù)據(jù)是雷達工作模式命令參數(shù)，第二類是波形數(shù)據(jù)庫，包括不同時寬線性調(diào)頻波形碼數(shù)據(jù)，雜波位置及幅度調(diào)制數(shù)據(jù)，辛格、高斯、余割平方三種類型方向圖調(diào)制數(shù)據(jù)，PD模式距離模糊數(shù)據(jù)表格，這個過程在初始化期間完成。在工作過程中PC104還承擔目標方位、距離信息數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)PAG從輸入緩存RAM內(nèi)讀出目標參數(shù)進行相關(guān)運算。在本模擬器的實現(xiàn)中,PC104除了傳送數(shù)據(jù)外還要和終端、監(jiān)控系統(tǒng)進行其他通訊任務(wù)。

6.2 目標、雜波數(shù)據(jù)處理

由于數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)是最基本的核數(shù)據(jù)，主要是目標、雜波的位置信息，因此大量數(shù)據(jù)產(chǎn)生在FPGA內(nèi)完成，F(xiàn)PGA根據(jù)目標位置觸發(fā)和工作參數(shù)實時產(chǎn)生各種形式的目標數(shù)據(jù)，如目標方向圖調(diào)制，波束寬度內(nèi)目標數(shù)量，目標的多譜勒頻率，目標類型等，根據(jù)雜波位置參數(shù)在相應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生雜波數(shù)據(jù)，包括雜波類型，雜波相關(guān)，雜波譜寬及雜波功率等，使產(chǎn)生的數(shù)據(jù)近似于真實雷達回波數(shù)據(jù)。

6.3 信號輸出

按雷達定時信號要求將I，Q數(shù)字視頻信號傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器變成接收機基帶信號或送數(shù)字視頻信號到信號處理機供調(diào)試使用。雷達模擬器時序關(guān)系通過PC104控制，由可編程器件FPGA產(chǎn)生實現(xiàn)。這些時序、參數(shù)通過驅(qū)動設(shè)備送往模擬器各個處理單元，F(xiàn)PGA將產(chǎn)生數(shù)字信號存儲到輸出緩存，并按雷達天線掃描方式順序輸出，圖2、圖3、圖4是不同體制雷達目標產(chǎn)生及雜波信號生成畫面。

圖2 脈沖壓縮模式非線性調(diào)頻波形產(chǎn)生

圖3 常規(guī)模式目標3個副瓣方向圖調(diào)制波形

圖4 目標運動軌跡、雜波生成畫面

7 結(jié) 語

該雷達模擬器采用了軟硬件相結(jié)合的方法實現(xiàn)，通過嵌入式計算系統(tǒng)將數(shù)據(jù)和命令參數(shù)加載到硬件系統(tǒng)后,再由FPGA根據(jù)雷達的工作參數(shù)實時處理,形成所需的目標、雜波回波信號。

系統(tǒng)采用通過目標、雜波模型來模擬目標、雜波數(shù)據(jù),滿足不同體制雷達目標、雜波數(shù)據(jù)的需求,硬件采樣PC104+FPGA的方法使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊在一塊電路板上，通過軟件配置就可完成不同體制雷達目標、雜波環(huán)境的模擬。對于干擾偵察機測試具有重要的價值。

參 考 文 獻

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