中国指挥与控制学会会刊 
未来战场上,信息是军队战斗力的“倍增器”,夺取制信息权成为获得战场主动权的首要任务。雷达作为信息系统中信息获取的重要来源,其信息获取能力直接决定了整个作战体系的作战效能。要提高雷达的作战能力,必须采取一定手段开展实战化训练,以提高雷达在多种条件下的作战能力。在雷达作战过程中,操作手操作雷达与外部电磁环境发生“交互”,雷达将获取的信息反馈给操作手,也就是说操作手作为获取信息的主体,通过雷达这个工具的探测能力,感知到了外部的环境。可见,操作手、雷达、环境构成了一种典型的人-机-环境交互情景,只有构建丰富的人-机-环境交互手段与方法,才能方便雷达的操作训练,进而提高雷达的实际作战能力。
1 虚实结合的内涵
在雷达训练中存在的主要活动对象包括人员、雷达、环境,这些对象是雷达训练的主要组成成分。人员为操作雷达的人,主要为雷达操作手和雷达指挥员等。环境为雷达工作时的电磁环境,主要为目标、干扰和背景,所说目标为雷达探测的对象,包括飞机、导弹等;干扰为作战对象阻止雷达正常探测的干扰机等;背景为雷达探测的电磁背景环境,包括杂波和其他背景信号。雷达作为一种传感器,是人获取电磁环境信息的装备,雷达与环境间交互的是电磁波,而雷达将这些电磁波转换为信息,并以显示器等方式将信息提供给人员,也就是说雷达与人的交互是通过显示器等,雷达与环境的交互是通过电磁波。
在雷达常规训练过程中存在缺装备、缺目标、缺背景、缺干扰等问题,当实物训练的方式无法满足训练需求时,可以采用“仿真”的思想,用模拟训练的方式解决上述问题。所谓雷达模拟训练,就是参训人员使用模拟训练系统,模拟雷达装备、战场环境和作战行动的训练。模拟训练针对的对象是参加训练的“人”,其目的是通过构建一个逼真的战场环境,来训练我方的作战人员适应战场环境,体验战争的操作、指挥、作战和行动,为后续实际作战积累经验[1]。
模拟训练需要对战场中的对象特征进行抽象提取,利用模型代替原型完成训练。需要注意的是,在雷达模拟训练中,所用模型并不是对战场中所有对象都进行建模,而是对原型中那些对雷达有用的和令人感兴趣的特性进行抽象,并以可用的形式展现出来。常用的模型既包括实体模型,也包括虚拟模型。导弹缩比模型为常见的实体模型,是按照几何比例相似性和电磁特性相似性对实际导弹建立的模型,其拥有体积重量等物理形态,也称为物理模型。以计算机技术为基础,将雷达频率、入射角与目标姿态、位置等信息相关联,可对目标散射特性建立虚拟模型。在实装实景不足以支撑训练时,采用实体模型或者虚拟模型模拟部分装备和环境,并与实装实景进行交互,可以达到补充训练资源、降低训练成本、缩短训练周期的目的。
2 虚实结合的方法
2.1 雷达-环境交互关系
在雷达训练中,除作为训练对象的“人”只有实体一种状态外,雷达和环境都可分为“虚”和“实”两个状态,雷达-环境的虚实转换关系如图1 所示。
1)实体雷达与实体环境的交互。操作员操作实体雷达发射的电磁波信号遇到真实环境中的飞机、山体后,产生的目标回波信号、杂波信号通过电磁空间的传播进入雷达后,经过雷达的处理得到环境中目标或者环境信息,这些信息通过显示器等被操作人员感知。
2)虚拟雷达与虚拟环境的交互。操作员以鼠标、键盘、显示器为媒介,操作虚拟雷达产生的模拟雷达发射信号,照射虚拟环境后产生的数字目标回波信号、杂波信号,被虚拟雷达接收后进行处理得到虚拟环境中目标或者环境信息,这些信息通过显示器等被操作人员感知。
3)实体雷达与虚拟环境的交互。操作员操作实体雷达发射的电磁波信号,被目标/环境模拟器的实体天线接收后,在数字部分生成虚拟的目标回波信号、杂波信号,该信号通过模拟器的实体天线传播到真实电磁空间,并通过电磁空间的传播进入实体雷达,经过雷达的处理得到环境中目标或者环境信息,这些信息通过显示器等被操作人员感知。
4)虚拟雷达与实体环境的交互。操作员以鼠标、键盘、显示器为媒介,操作虚拟雷达的雷达控制界面,虚拟雷达产生的虚拟雷达发射信号,以某种形式转换成实体电磁波信号后照射到飞机、导弹等物理模型,产生的回波信号再以某种形式转换到虚拟雷达中,被虚拟雷达处理得到飞机、导弹的目标信息,这些信息通过显示器等被操作人员感知。
实体雷达与实体环境的交互为外场雷达训练模式,虚拟雷达与虚拟环境的交互为实验室内计算机模拟训练模式,这两种模式为常规训练模式,本文不再赘述,下面重点介绍雷达-环境的虚-实交互模式。由于虚拟雷达以数字形态存在于计算机中,而飞机、导弹等实体是以物理形态存在于真实环境中,两种形态并不能直接进行交互,需要以其他设备作为转换器,将其转换到相同形态才能进行交互,具体转换方式可以参考雷达的工作原理。
2.2 实体雷达与虚拟环境的交互
雷达常态化训练的一个难点在于缺少目标,而模拟训练可以通过建模方式在虚拟环境中产生雷达训练所需要的目标,并通过转换器实现建模内容与实体雷达的交互。在雷达探测过程中,虚拟环境构建的要素主要包括目标及其传播环境。雷达对目标参数进行测量时的需求包括两大类:第一类是获得位置坐标、速度、加速度、运动轨迹等与目标尺度有关的参数;第二类是获得形状、体积、姿态、表面粗糙度等与目标特征有关的参数[4]。影响雷达电波传播的因素包括折射效应、衰减效应、色散效应、闪烁效应、杂波、多径效应、多普勒效应、去极化效应、干扰与外噪声等[5]。虽然上述因素对多数雷达都有一定影响,但是有些因素对特定雷达的影响更加明显,如折射效应对远距离探测雷达的影响更加明显。
虚拟环境中雷达工作环境的构建主要包括目标尺度、目标特征以及电波传播三类功能,每类功能按照其具体要求在数字域分别完成其功能模块的建模,并通过某种转换器将数字模型映射到硬件模块,通过硬件与被训雷达进行实体交互。如果功能模块与硬件模块一一对应,那么构建虚拟环境的硬件可能包括目标尺度、目标特征以及电波传播三种,但是在工程实践中,通常使用目标运动模拟器和目标回波模拟器即可完成上述三种功能。因为接收信息的雷达并不关心具体建模过程,它只关心建模的最终结果,所以多种特性可进行叠加,只在输出端满足雷达探测需求即可。
从雷达角度讲,雷达需要获取的目标信息主要包括方位角、俯仰角、距离、速度、种类或者型号等。其中,方位角和俯仰角反映的是目标相对于雷达的空间角度关系,需要利用雷达的天线方向图以及波束角度信息才能获取。距离虽然也是位置信息,但是其获取机理与角度信息不同,它由雷达获取的目标延时信息计算得到。前者可以使用目标运动模拟器实现,后者则需用目标回波模拟器实现。同理,目标回波模拟器在模拟目标回波幅度时,在数字部分已经叠加了目标形状、体积、姿态、表面电磁参数等与目标特征有关的参数,以及折射效应、衰减效应、多径效应等与电波传播有关的参数。由这些参数计算得到的目标回波信号幅度,经过数模转换器和天线等器件,得到射频信号的幅度,此射频信号可在真实空间中与被训雷达进行信息交互。
目标运动模拟器形式有很多种,图3 为一种无人机飞行平台形式的目标运动模拟器,用以模拟真实目标的运动。由于模拟平台的低价值特性,通常不具备与高价值飞机相同的飞行高度和速度,但是模拟平台可部署在被训雷达的近距离处,按照相似三角形理论,模拟飞行目标相对于雷达的方位角和俯仰角。如被模拟目标在距离被训雷达300 km处,飞行速度为300 m/s,模拟平台在距离被训雷达2 km处,其飞行速度只要2 m/s即可,这是多数无人平台都可满足的指标。在此应用场景中,目标运动模拟器首先在数字域建立被模拟目标的航线、速度、加速度等模型,然后将此模型映射到数字域中的无人机平台,最后按此数字模型控制无人机的硬件平台在空中飞行。
雷达目标回波模拟器不仅要完成目标特性的建模,还要对目标运动中的距离以及传播特性进行建模[10]。雷达目标回波模拟器工作原理如图4 所示:1)回波模拟器在数字域建立目标特性的数字模型,该模型中的目标特性与照射目标雷达的频率、入射角等因素有关;2)模拟器天线接收雷达的发射信号,并将该实体发射信号转换成数字域的雷达发射信号;3)使用该发射信号对目标特性进行调制,生成目标反射的回波信号;4)在该回波信号的基础上调制传播特性的折射效应、空间衰减以及距离延迟,需要注意的是此时的距离延迟只模拟了真实目标与目标回波模拟器之间的距离,形成较完整的虚拟目标回波信号;5)使用储频、衰减器、变频器、移相器等器件实现虚拟目标回波信号到真实目标回波信号的转换,真实信号属性包括延时、幅度、频率、相位等物理特性;6)将上述信号从模拟器天线辐射到真实物理空间中;7)模拟目标与被训雷达之间的传播由物理空间实现,也可以理解为一种实体建模方式。
通过目标运动模拟器和目标回波模拟器,实现了目标的虚拟建模到实体信号生成和物理空间运动的转变,从而实现了虚拟环境中的数字目标与实体雷达之间的信号和空间交互。同样道理,虚拟环境中的噪声、干扰以及杂波等也可通过此种方式实现。
2.3 虚拟雷达与实体环境的交互
雷达训练的另一个难点在于缺装备,模拟训练可以通过建模方式在虚拟环境中模拟雷达训练所需要的雷达,并通过转换器实现虚拟雷达与实体环境的交互。需要注意的是,此方法并不是采用实体雷达与实体环境交互的思路将虚拟雷达实体化来完成与实体环境的交互,而是将实体环境的信息数字化后形成一个虚拟的环境与虚拟雷达进行交互。此时需要获取的依然是目标尺度、目标特性和电波传播特性等信息,但是上文中的信息获取主要为训练前获取,而此方法获取信息的方式主要为实时获取。
对于飞机等实体目标,其上安装有陀螺仪、罗盘、卫星导航、高度计、空速管等多种传感器,这些传感器完整地记录了飞机的位置、高度、速度、姿态等信息,将这些信息通过通信装备传递到模拟设备,实时更新模拟设备中目标的位置、速度、姿态等尺度信息。除了可以实时将实体目标位置代入虚拟目标外,还可以实时将目标特性数据代入虚拟目标。建立目标特性模型的种类包括点目标模型,扩展目标模型和体目标模型,模型建立方式和雷达应用方式有关,如测量雷达使用的通常是点目标模型,而成像雷达使用的通常是体目标模型。建立目标特性模型的基础是获取目标的RCS数据,获取数据方式包括实物测量、缩比模型测量和电磁仿真计算。对于导弹等消耗类目标,可以利用RCS测量的思路,使用目标特性提取器实时获取目标特性数据。
按照上述获取实时数据的方法实现虚拟雷达与实体环境交互的工作原理如图5 所示。1)虚拟雷达生成的数字发射信号,经过信号产生器生成射频信号;2)射频信号经过发射天线照射到实体的导弹目标;3)三轴转台按照场景中目标相对于雷达的角度变化旋转,控制导弹与接收天线的相对角度;4)接收天线接收导弹反射的回波信号;5)将获取的回波信号转换成数字信号,结合态势中雷达的功能、目标姿态、雷达指向等信息实时计算目标回波的数据,经过延时调制器生成带有延时信息的数字目标回波信号;6)虚拟雷达接收目标回波信号,经过模拟的天线、射频前端和数字后端处理后得到探测目标信息。此种情况下目标特性数据为实时获取,目标尺度数据和电波传播数据为已知数据,可以事前设置在场景中,也可以采用上文中的方法实时获取目标尺度数据。
由于目标特性提取器获取的是真实环境中的部分信息,只有事前知道其他信息才能完成虚拟雷达与真实环境的实时交互。对于飞机位置、姿态等数据,既可以使用飞机上的传感器实时获取,也可以采用地面的测量装备获取。采用图5 所示的方法,不仅可以获取目标特性数据,也可以获取地杂波、海杂波等环境数据。
3 虚实结合的应用
实体雷达与虚拟环境的交互和虚拟雷达与实体环境的交互,都是以转换器为桥梁,实现了虚-实主体的交互,这两种训练方法加上实体雷达与实体环境的交互、虚拟雷达与虚拟环境的交互两种方法,可以为雷达提供更加丰富的训练手段。下面以两个雷达对两个目标探测为例介绍在同一场景中四种虚实结合方法的综合应用。
3.1 训练场景构建
训练场景:在要地防御作战场景中,蓝军一架飞机对红军阵地进行打击,红军雷达A和雷达B对蓝军战机进行跟踪探测,并引导导弹对飞机进行攻击,训练场景如图6 所示。
训练资源:蓝军有一架实装飞机参加训练,红军有一部实装雷达参加训练,红军的另一部雷达和导弹采用虚拟方式构建,训练条件如图6 所示。
场景构建:利用图6 训练资源中的真实雷达模拟训练场景中的雷达A,虚拟雷达模拟雷达B,虚拟导弹模拟导弹,真实飞机模拟飞机。雷达A与飞机之间采用真实雷达与真实环境交互的方式构建,雷达A与导弹之间采用真实雷达与虚拟环境交互的方式构建,雷达B与飞机之间采用虚拟雷达与真实目标交互的方式构建,雷达B与导弹之间采用虚拟雷达与虚拟目标交互的方式构建。
3.2 虚实结合训练过程
1)战情生成及导控设备按照预先设定场景生成战情数据和任务数据,战情数据下发给虚拟雷达、目标特性提取器、虚拟导弹、目标模拟器,任务数据下发给真实雷达和真实飞机;
2)真实飞机和目标模拟器到达预定空域位置后,战情生成及导控设备向所有参训装备下发开始训练指令;
3)真实飞机按照规定航线飞行,并通过通信设备将位置和姿态等信息传输到战情生成及导控设备和目标特性提取器;
4)虚拟导弹按照战情信息在数字域生成航迹数据和目标特性信号,将信息发送给虚拟雷达,在数字域完成导弹回波的模拟,配合虚拟雷达完成对导弹的探测,将信息实时发送给目标回波模拟器和目标运动模拟器,在物理域完成导弹回波的模拟,配合真实雷达完成对导弹的探测;
5)真实雷达操作手按照训练科目对雷达进行操作,探测空中的真实飞机,获取飞机的目标回波信号,探测目标模拟器,获取目标模拟器所产生的导弹目标回波信号;
6)虚拟雷达操作手按照训练科目对雷达进行操作,虚拟雷达向虚拟导弹发射数字雷达信号,对接收的数字回波信号进行处理;同时,虚拟雷达向目标特性提取器发送数字雷达信号,该信号在暗室中转换成射频信号,对飞机模型进行探测,飞机模型所在转台接收真实飞机的位置和姿态信息控制飞机模型旋转,产生的回波被接收,虚拟雷达处理后得到对真实飞机的探测结果。
上述过程中,雷达A的操作手操作真实雷达对真实飞机和模拟导弹进行探测,雷达B的操作手操作虚拟雷达对真实飞机和模拟导弹进行探测。两个操作手都完成了预定的试验科目。上述事例仅是为了表明实-实、实-虚、虚-实、虚-虚交互过程的可行性,在不同训练条件下,可采用不同的方案对上述过程进行裁剪。如对于我军参加训练的飞机,通常已知其具体的RCS,因此当知道其实时位置和姿态信息后,只要在数字域模拟其目标即可,无需经过暗室内的目标特性提取器。
4 结束语
如何在经费受限、训练条件受限的情况下,以模拟训练方法解决雷达越来越庞大、越来越复杂的训练要求,是目前我们需要重点解决的问题。本文提出的虚实结合训练方法,能够在缺目标、缺装备、缺环境等情况下,以实-实、实-虚、虚-实、虚-虚等手段,使被训人员感知到逼真的训练条件,从而在感知一致的情况下完成预定训练科目,进而极大提高雷达的实战化水平。