基于多旋翼无人机平台的便携式空中训练模拟器设计周㊀辉１,姚㊀伟１,周㊀强２(１．中国电子科技集团公司第五十一研究所,上海２０１８０２;２．解放军３２０９０部队,河北秦皇岛０６６１００)摘要:舰载电子战装备存在因辐射源架设原因引起的反射㊁散射问题导致模拟作战训练困难的情况,难以对使用人员的技术水平和操作能力进行快速提升.设计了一款挂载在多旋翼无人机平台上的小型化训练模拟器,可在空中任意位置或任意轨迹遥控发射射频信号模拟训练目标,解决了模拟训练困难的问题.通过样机测试数据及相关试验效果验证了本设计的可行性,可有效提高使用人员的技术水平㊁操作能力.关键词:电子战装备;训练模拟器;多旋翼无人机;技术水平中图分类号:T N ９７㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:B ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:C N ３２Ｇ１４１３(２０１９)０３Ｇ０１０４Ｇ０４D O I :１０．１６４２６/j ．c n k i ．jc d z d k ．２０１９．０３．０２３D e s i g no fP o r t a b l eA i rT r a i n i n g Si m u l a t o rB a s e do n M u l t i Ｇr o t o rU A VP l a t f o r mZ HO U H u i １,Y A O W e i １,Z HO U Q i a n g２(１．T h e ５１s tR e s e a r c h I n s t i t u t e o fC E T C ,S h a n gh a i ２０１８０２,C h i n a ;２．U n i t ３２０９０o fP L A ,Q i n h u a n gd a o ０６６１００,C h i n a )A b s t r a c t :T he p r o b l e m s of r e f l e c t i o n a n d s c a t t e r i ng c a u s e d b y th e e x e r ti o n o f r a d i a t i o n s o u r c e s e x i s t i n s h i p Ｇb o r n e e l e c t r o n i cw a r f a r ee q u i p m e n t ,w h i c h m a k e s i td i f f i c u l t t os i m u l a t ec o m b a t t r a i n i n g ,a n d i t i s d i f f i c u l t t o r a p i d l y i m p r o v e t h e t e c h n i c a l l e v e l a n d o p e r a t i o n a b i l i t y o f t h e u s e r s ．T h i s p a pe r d e s i g n s am i n i a t u r i z e d t r a i n i n g si m u l a t o rm o u n t e do nm u l t i Ｇr o t o r u n m a n n e da e r i a l v e h i c l e (U A V )p l a t f o r m ,w h i c hc a nr e m o t e l y c o n t r o l st h er a d i of r e q u e n c y s i gn a l st r a n s m i s s i o nt os i m u l a t et h e t r a i n i n g t a r g e t s a t a n yp o s i t i o no r t r a j e c t o r y i n t h e s k y ,s oa s t os o l v e s t h ed i f f i c u l t y o f s i m u l a t i o n t r a i n i n g ．T h r o u g h t h e t e s t d a t a o f t h e p r o t o t y p e a n d t h e r e l a t i v e t e s t r e s u l t s ,t h e f e a s i b i l i t y of t h e d e s ig n i s v e r i f i e d ,a n d th e t e c h ni c a l l e v e l a n do p e r a t i o n a b i l i t y o f u s e r s c a nb e i m p r o v e d e f f e c t i v e l y ．K e y wo r d s :e l e c t r o n i cw a r f a r ee q u i p m e n t ;t r a i n i n g s i m u l a t o r ;m u l t i Ｇr o t o ru n m a n n e da e r i a l v e h i c l e ;t e c h n i c a l l e v e l收稿日期:２０１９０５０７０㊀引㊀言电子战装备在战争中发挥着越来越重要的作用,电子信息装备数量日趋庞大,运用复杂,种类繁多[１],特别是雷达侦察设备的应用最为广泛[２].随着电子战装备的高频率使用,如何提高使用人员技术能力㊁操作水平,保障电子战装备性能完好,充分发挥装备的战斗力,是现下亟需解决的问题.本文根据舰载电子战装备训练存在困难的情况,提出基于多旋翼无人机平台的便携式空中模拟训练器设计方案,可适用于舰载电子战装备的日常训练㊁试验验证等,达到提升使用人员的技术水平㊁充分发挥电子战装备战斗力的作用.１㊀需求分析１ １㊀电子战装备训练情况舰载电子战装备进行训练一是依靠装备本身设计进行自检判断设备工作状态是否正常,二是使用射频注入法测试来检验装备的接收机㊁信号处理系２０１９年６月舰船电子对抗J u n ．２０１９第４２卷第３期S H I P B O A R DE L E C T R O N I CC O U N T E R M E A S U R EV o l ．４２N o ．３统等性能[３],此２种方法无法对装备作战效果进行评估.使用射频信号产生器等单点源架设在舰船或岸上等进行定点辐射测试检验装备的侦收㊁跟踪等作战效果,此方法辐射源信号样式单一,且因场地原因移动辐射源极为不便,也容易存在遮挡㊁反射㊁海面散射等导致的多径效应而无法侦收到目标信号.通过对海面雷达散射截面的测量,表明海面散射在低入射角时更突出[４],理论上来说,海面多路径效应随着目标高度的减小而越来越明显[５],因此,架设辐射源对装备进行训练存在较大困难.以上因素导致装备在使用过程中,不能深入进行训练,无法系统性地提高使用人员的技术水平和操作能力,更无法模拟作战环境来充分评估装备作战能力.１ ２㊀空中模拟训练器可行性分析舰载电子战装备在进行训练或演习时,使用运输机㊁战斗机等军用飞行平台或其它舰船搭载固定目标设备,协调难度大,训练时间固定,主要用于试验验证等重要活动.近年来,多旋翼无人机迅猛发展,电子设备集成度也越来越高,为设计便携式空中模拟训练器提供了有力基础.基于多旋翼无人机平台的便携式空中模拟训练器(以下简称模拟训练器)使用多旋翼无人机作为飞行平台,搭载集成度高的小型化信号模拟器,在任意空中方位或轨迹遥控发射多种类型的射频信号来模拟训练目标,舰载电子战装备对模拟训练目标开展相关动作,从而达到训练㊁试验验证等目的,可提高使用人员的分析㊁判断等技术能力,充分了解装备的性能,为装备形成战斗力奠定基础.模拟训练器工作示意图如图１所示.图１㊀模拟训练器工作示意图１ ３㊀主要优点分析(１)无人机平台操控简单,飞行场地要求低,放飞㊁回收操作简单.(２)可在空中悬停㊁飞行或沿轨迹飞行.(３)可避免舰船上各种装置导致的遮挡㊁反射,避免形成多径效应.(４)集成度高,体积小,重量轻,便于携带.(５)可产生典型的各种雷达信号,并实时遥控切换雷达样式及更改相关参数.(６)遥控距离长,成本低,开发度高,可靠性㊁维修性高.２㊀设计实现方案模拟训练器主要由无人机平台㊁信号模拟器㊁通信单元及地面终端设备等组成,组成框图如图２所示.图２㊀模拟训练器组成框图２ １㊀无人机平台本方案无人机平台选用商用大疆M６００P R O 六轴飞行器,飞行载重６k g,控制距离５k m.满载时,以距离受训装备水平距离５００m,高度１３３m为例,无人机到达指定位置开展工作可持续时间不小于１６m i n,满足一般训练需求.２ ２㊀信号模拟器舰载侦察装备主要工作频段有L㊁S㊁C及X/ K U波段,考虑到体积㊁重量等因素,需要按实际需求对信号模拟器进行分频段设计.本方案设计频段为X/K u波段(８~１８G H z).信号模拟器包括直接数字序列(D D S)单元㊁射频单元㊁天线㊁电源模块㊁通信单元等,如图３所示.信号模拟器产生规定参数的单一射频信号㊁线性调频等多种射频信号.(１)D D S模块D D S模块主要由信号产生单元和系统控制单元组成,如图４所示.D D S模块中的系统控制单元中的现场可编程门阵列(F P G A)接收远程控制系统的信号参数,将该参数编译后,把相应指令发给信号产生单元模/数５０１第３期周辉等:基于多旋翼无人机平台的便携式空中训练模拟器设计图３㊀信号模拟器组成框图图４㊀D D S 模块组成框图转换器(A D C ).A D C 接到控制指令后产生对应的雷达中频信号,经过低通滤波器及低噪放后送给射频模块.同时系统控制单元将相应的指令发给射频模块,实现对射频模块中的变频通道㊁本振及功放的控制.最终实现地面终端设置指定参数的雷达中频信号的产生.D D S 工作原理图如图５所示.图５㊀D D S 工作原理图(２)射频模块射频模块主要由变频通道㊁本振及功放组成,如图６所示.图６㊀射频模块组成框图D D S 输出的１００~５００MH z 的中频信号进入射频模块中的变频通道,同时本振接收控制单元的指令,输出相应的本振信号给变频通道,变频通道输出指定参数的雷达信号,该信号经过功放放大,最终输出不低于３０d B m 的射频信号.工作原理图如图７所示.(３)天线采用增益优于７d B i 的喇叭天线.图７㊀射频模块工作原理图(４)通信单元通信单元由１对S X １２７８无限数传模块(地面及机载)及对应的通信天线组成,其中地面部分与地面终端连接,机载部分与信号模拟器连接.地面终端设备通过系统控制软件将系统控制命令发给通信模块地面部分,接收命令后通过天线将数据发送给机载部分通信模块,机载通信模块接收数据后将该数据发给信号模拟器中的D D S 控制单元,实现地面对信号模拟器的远程无线控制.２ ３㊀地面终端设备地面终端设备分为无人机遥控装置及信号模拟器发生器遥控装置.无人机遥控装置主要用于对无人机的飞行姿态控制㊁轨迹规划控制.信号模拟器遥控装置用于对信号模拟器的控制.通过人机交互界面显示模块,可对信号模拟器实现实时信号参数设置.同时,遥控装置通过日志记录模块记录训练器工作参数㊁工作时间等信息,为地面分析提供数据支撑.２ ４㊀模拟训练器主要技术指标实现频率覆盖范围:８~１８G H z;信号样式:可实现常规脉冲信号㊁线性调频信号㊁频率捷变信号㊁脉冲多普勒信号等;等效辐射功率:不小于５W (３７d B m );工作距离:按照信号模拟器与受训装备距离５００m ,无人机搭载信号模拟器发射１８G H z 频率点进行配置,根据空间衰减公式:P ＝３２ ５＋l g f ＋２０l g R (１)式中:f 为射频信号频率(MH z );R 为模拟训练器与受训装备距离(k m ).６０１舰船电子对抗㊀㊀㊀第４２卷㊀实际到达受训装备的信号功率P １为:P １＝３７－３２ ５－２０l g １８０００－２０l g０ ５＝－７４d B m .P １满足受训电子战装备灵敏度的要求.其它型号装备进行训练时,可根据对应型号装备的实际灵敏度要求,适当对飞行距离进行调整.３㊀模拟训练器效果验证(１)装备扫描能力㊁跟踪能力训练模拟训练器与某受训无源侦察装备水平距离２００m ㊁高度２０m 时,受训装备进行扇扫能力及信号识别分选训练,可稳定侦收到模拟训练器发出的射频信号,并能分选识别.对某受训干扰装备进行侦收㊁跟踪能力训练,受训装备能够侦收到射频信号并分选,进入跟踪状态后可进行锁定跟踪.模拟训练器按一定轨迹飞行时,受训装备持续锁定跟踪.(２)装备侦察效果训练对某无源侦察装备进行训练时,分选模拟训练器发射的常规信号㊁频率捷变信号以及重频参差信号数据如图８~图１０所示.图８㊀常规雷达信号分选图９㊀频率捷变信号分选图１０㊀重频参差信号分选４㊀模拟训练器拓展无人机平台可搭载信号模拟器,也可搭载小型干扰设备对舰载探测雷达进行训练,举例设计无人机平台搭载工作于S 波段的可产生多批假目标的小型有源干扰设备,其等效辐射功率为P r ＝１W ,距离受训装备R ＝５００m ,模拟战斗机假目标.受训装备为工作于S 波段的某相控阵雷达,其等效辐射功率为P t G t ＝２０k W .战斗机的典型R C S 为５~１００m ２之间,R C S 取值σ＝１００m ２[６].根据雷达功率密度公式:P D ＝P t G t /４πR ２(２)㊀㊀理论上受训装备在５００m 处１００m ２R C S 的辐射功率为:P ２＝P D σ＝P t G t σ/４πR ２＝０ ６４W .干扰设备等效辐射功率大于P ２值,因此干扰设备功率上满足战斗机R C S 反射功率要求,可模拟战斗机假目标.实际相控阵雷达探测训练效果如图１１㊁图１２所示,相控阵雷达进行探测时,小型化干扰设备产生了多批假目标,对雷达产生了干扰,并随着时间的移动假目标逐渐接近雷达.操作人员需要立刻对干扰源进行判断识别,并采取相应措施进行抗干扰训练.从试验效果上看,显示界面上假目标功率未变化,不符合逐渐接近的动目标探测效果,因此,可对干扰设备进行输出功率控制设计,以更逼真地模拟假目标效果.图１１㊀某相控阵雷达训练效果起始干扰５㊀结束语在信号形式越来复杂的电磁环境下,使用模拟训练器对电子战装备进行训练,可以有效提高装备使用人员的技术能力㊁操作能力,增强装备技术能㊀㊀㊀(下转第１２０页)７０１第３期周辉等:基于多旋翼无人机平台的便携式空中训练模拟器设计图９㊀安全流量试验图１０㊀随机振动试验图１１㊀冲击试验图１２㊀湿热试验㊀㊀(３)自密封浮动盲插流体连接器具有一定的径向浮动功能,降低了生产加工精度的要求,提高了生产装配效率.参考文献[１]㊀周于凯．船舶液压管接头的识别与选配研究[J ]．船舶标准化与质量,２０１８(３):３７４０,５３．[２]㊀欧阳小平,方旭,朱莹．航空液压管接头综述[J ]．中国机械工程,２０１５(１６):２２６２２２７１．[３]㊀袁汉钦,袁世松．流体连接器的用户试验失效分析[J ]．机电元件,２０１４,３４(３):３６３８．[４]㊀苏太东,周庆平．S L T ０８型流体连接器的设计[J ]．机电元件,２０１４,３４(３):３７．[５]㊀成大先．机械设计手册(第３卷)[M ]．５版．北京:化学工业出版社,２００７．[６]㊀魏超．一种流体连接器的流阻测试方法[J ]．计量与测试技术,２０１４,４１(８):８９．㊀㊀(上接第１０７页)图１２㊀某相控阵雷达训练效果逐渐逼近力,保障力量,提高装备效能,充分发挥装备战斗力.参考文献[１]㊀夏军成,戴春华,张英波．海战场复杂电磁环境对舰载雷达侦察机的影响及措施分析[J ]．舰船电子对抗,２００８,３１(１):５８．[２]㊀李晓阳,郭万海,王作超．舰船电子侦察装备无源定位最优化研究[J ]．国防技术基础,２０１０(９):３５３８．[３]㊀王丹梅．舰载雷达侦察装备模拟训练系统[J ]．舰船电子对抗,２００７,３０(５):７９８２．[４]㊀T R A N N ,C HA P R O N B ．C o m b i n e d w i n dv e c t o ra n ds e a s t a t e i m p a c t o n o c e a nn a d i r Ｇv i e w i n g K u Ｇa n dC Ｇb a n d r a d a r c o r s s Ｇs e c t i o n s [J ]．S e n s o r s ,２００６,６(３):１９３２０７．[５]㊀崔浩,李岩,郑昌．海面多径效应对舰载雷达探测低空目标的影响[J ]．舰船电子工程,２００９,１７５(１):１０４１０６．[６]㊀魏刚,杨超．雷达对抗工程基础[M ]．成都:电子科技大学出版社,２００６．０２１舰船电子对抗㊀㊀㊀第４２卷㊀。