中国指挥与控制学会会刊 
火控雷达作为战斗机综合航电系统的传感器子系统,是探测目标,感知战场态势的主要手段。对于多用途战斗机,由于要承担对空、对地、对海作战任务,火控雷达也相应地具备多种工作方式。熟练掌握多功能火控雷达的操作使用,对于飞行员在作战中实现“先敌发现、先敌攻击、先敌摧毁”具有重要意义[1-2]。
综合航电系统的突出特点之一是采用了综合化的显控界面,在减轻飞行员工作负担的同时,对操作技能提出了更高的要求,需进行大量操作使用训练。在机型改装教学和训练中,应用具有高仿真度显控界面的飞行训练模拟器或模拟软件有助于飞行员缩短掌握新装备的时间,降低训练成本,从而提高教学和训练效益[3⇓⇓-6]。
火控雷达与其他航电子系统的控制部件集中安装在航空电子启动板、正前方控制板、武器控制板等面板和握杆控制器上,目标数据则与飞行、导航、武器瞄准等信息共同在平显和多功能显示器上进行综合显示。此外,作为子系统,火控雷达的工作模式受航电系统工作模式的控制。因此,对火控雷达进行的显控界面仿真,应在综合航电系统显控界面框架下进行。
火控雷达工作模式多,控制逻辑和显控界面复杂,传统的文本编程开发方式工作量大,调试不便,代码可维护性差。本文从教学和训练的实际需求出发,介绍了一种模块化、松耦合、可视化的综合航电显控界面仿真思路,在此基础上对多功能火控雷达的显控界面进行仿真,并基于Simulink/Stateflow进行了实现。
1 航电系统显控界面仿真设计
1.1 显控系统功能
座舱人机交互界面功能由综合航电系统的显控系统实现。显控系统典型结构如图1 所示。显控处理机(DCMP1、DCMP2)运行作战飞行程序(OFP),采集飞行员操作输入信号,通过总线接口板完成1553B总线管理并与其他子系统通信,将显示数据送字符发生器生成显示信息在平显(HUD)、多功能显示器(MFD)上进行综合显示,从而实现人机接口、总线数据通信控制、航电系统管理等功能[7]。
显控系统的输入包括航电启动板(AAP)、正前方控制板(UFCP)、武器控制板(ACP)、握杆控制器(HOTAS)、多功能显示器(MFD)等上的开关、按键、旋钮等多个部件的控制信号;飞行、作战等信息主要显示在HUD和3台MFD的多个画面中,如HUD要显示飞行数据、导航数据、目标数据、瞄准符号、告警信息等40多种数据,每台MFD可切换显示20多种画面,部分画面又有多种子画面。
输入部件中,除旋钮用于输入数据外,开关、按键都是有限个状态的输入,其不同的操作顺序、开关不同状态的组合会影响航电系统的工作模式、各子系统的工作状态,进而改变平显和多功能显示器的显示画面和显示数据。因此,可将显控界面的功能仿真视为事件驱动的有限状态多输入多输出时序逻辑决策问题。
1.2 显控界面仿真设计
某型飞行训练模拟器采用半实物仿真方案,如图2 所示。座舱部分采用与实装布局一致的硬件实现,航电系统功能仿真由采用模块化设计的软件实现。
由于显控界面仿真涉及多输入多输出的复杂逻辑判断,为简化设计的复杂性,降低模块之间的耦合度,将显控界面仿真模块从各子系统的功能仿真模块中剥离出来单独设计,主要包括显示画面仿真和显控逻辑仿真两个模块。
1)显示画面仿真
显示画面仿真主要包括由仪表虚拟仿真软件GL Studio开发的平显、多功能显示器的多个画面,如图3 所示。各显示画面独立工作,不负责任何控制处理,只接收显控逻辑仿真模块送来的显示参数,在相应位置进行显示并实时更新。
2)显控逻辑仿真
根据显控逻辑多输入多输出的时序逻辑决策特点,可应用有限状态机理论加以解决。
有限状态机(FSM,Finite State Machine)是表示有限个状态以及在这些状态之间转移和动作等行为的数学模型,其广泛应用于建模应用。一个有限状态机模型M可用一个五元组来描述[8]:
M=(Q,X,Y,q0,δ,O)
其中,Q为有限的状态集合;X为有限的非空输入字符的集合;Y为有限的输出字符的集合;q0∈Q为初始状态;δ:Q×X→Q为状态转移函数;O:Q×X→Y为输出函数。
将开关、按键等多个控制部件的有限个输入的组合作为时序输入X,将平显、3台多功能显示器的画面组合及每个画面的显示信息作为输出Y,通过定义初始状态q0,合理设计转移函数δ及输出函数O,来构建一个确定的有限状态机模型,即利用可视化编程工具实现与实际装备操作控制逻辑一致的显控界面功能仿真,如图4 所示。
2 多功能火控雷达工作模式
雷达工作模式受航电系统工作模式的控制,各种工作模式之间根据飞行员操作控制进行转换。例如在边搜索边测距模式(RWS)下,飞行员移动光标截获目标成功后,雷达转入情况探查模式(SAM);边搜索边跟踪模式(TWS)下指定两个目标,进入双目标跟踪模式(DTT);海1搜索模式(SEA1)下按压周边键切换到海2搜索模式(SEA2)等。
在空空拦截模式和空面模式工作时,雷达画面主要在MFD上显示;在空空格斗模式工作时,雷达画面在HUD和MFD上都有显示。
3 火控雷达显控界面仿真
按照前述航电系统显控界面总体设计思路,火控雷达显控界面包括信号转换、雷达仿真画面和雷达工作状态判断逻辑三部分,如图6 所示。
3.1 信号转换
信号转换部分负责实时采集模拟座舱控制部件的初始状态和输入信号,对信号进行去抖动处理,将拨动开关,按下按键等输入信号转换为操作事件,用于驱动雷达工作状态转换。
3.2 工作状态判断逻辑
雷达在某一时刻的工作状态是确定的,那么其在MFD(或HUD)上的显示画面也是确定的,将当前工作状态画面中所需显示的俯仰扫描行数、方位扫描范围、量程、光标位置、天线位置等参数,以及其他仿真系统生成的高度、速度、航向、坡度等信息封装为显示参数,即可送往仿真画面驱动显示。
雷达工作状态判断逻辑模块采用有限状态机模型实现,如图7 所示。将雷达工作模式作为互斥基本状态,每种模式下有限状态的雷达参数为并行子状态(如RWS模式下方位范围、俯仰范围、重复频率、工作频率、IFF询问状态等),定义雷达关机状态为初始状态。根据飞行手册(POP)中火控雷达操作说明,设计仿真故障注入,操作事件触发下的状态转移函数δ,如按压AAP上“雷达”按键时,雷达开机、自检;按压油门杆主模式开关左键时,航电系统进入空空拦截模式,雷达默认进入RWS工作方式(默认选择60°方位范围、4行俯仰扫描、自动重频、固定频点1、IFF询问接通);开机状态下,持续按压AAP上“雷达”键关闭雷达等。
3.3 雷达画面仿真
4 基于Stateflow的仿真实现
Stateflow是Matlab基于有限状态机的图形化建模工具,通过状态转移图、流程图等图形化对象,针对系统对事件、基于事件的条件以及外部输入信号的反应方式等组合和时序逻辑决策进行建模[11]。构建的有限状态机模型可以作为Simulink模型中的模块执行,执行过程中通过图形动画能够直观地进行分析和调试,调试完成后可生成C++代码嵌入主仿真程序中。
基于Simulink/Stateflow的雷达显控界面功能仿真实现如图9 所示。
输入端口对应控制部件采集信号、仿真数据和故障注入数据;输出参数包括雷达工作状态(送往雷达仿真程序)、HUD和MFD的画面索引号及各画面显示参数结构体。
显控逻辑部分由Stateflow模型实现。雷达工作模式受航电系统工作模式的控制,为使结构清晰,采用分层的模块化设计。根据飞行手册设计的雷达空空拦截工作模式、空空格斗工作模式、空面工作模式,导航工作模式的Stateflow转换逻辑如图10 所示,空空拦截各种模式的转换逻辑如图11 所示。
通过Stateflow的可视化编程方式,能够简化复杂的转换逻辑开发过程,避免了文本编程的大量判断语句和调试、修改不便的问题,使开发人员重点集中在状态转移函数的设计中,从而保证操作逻辑的真实度。构建的模型通过Simulink Coder可以直接生成C++类代码,嵌入主仿真程序中调用,从而提高开发效率。
5 结束语
从教学与训练的角度,对多功能火控雷达显控界面仿真更侧重于操作逻辑的真实度,因此,采用低成本的软件仿真方法更为经济可行。作为综合航电系统的子系统,火控雷达的显控界面仿真应与航电系统界面仿真统筹考虑。
针对火控雷达显控操作的交互性、多输入多输出时序逻辑决策特点,本文介绍了一种将显控逻辑从功能仿真模块中剥离出来单独设计的航电系统显控仿真设计思路,在此基础上,根据松耦合原则对多功能火控雷达的界面仿真进行了阐述,并应用Simulink/Stateflow对其中的显控逻辑部分进行了实现。该设计思路已应用于某型多用途战斗机飞行员模拟器航电仿真软件和火控雷达教学软件,结果表明,可视化、模块化、松耦合的设计思路结构清晰,代码易于维护,大大地提升了开发效率,可供综合航电系统显控及其子系统的显控界面仿真参考。