船载雷达伺服操作手捕获跟踪模拟训练系统及使用方法

摘要

本发明涉及的一种船载雷达伺服操作手捕获跟踪模拟训练系统及其使用方法，它包括ACU工业控制计算机单元和ACU操控管理单元，所述ACU操控管理单元连接ACU工业控制计算机单元，所述ACU工业控制计算机单元连接综合控制单元，所述综合控制单元连接有数据记录单元；所述ACU工业控制计算机单元包括CPU主板。本发明通过模拟训练建立，使伺服操作手的岗位训练脱离真实天线、外部环境、综合保障、过境资源等外部制约，达到提升操作手的岗位训练效率目的。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达设备仿真技术领域，尤其涉及一种船载雷达伺服操作手捕获跟踪模拟训练系统及使用方法。

背景技术

目前，船载雷达伺服操作手对目标的捕获跟踪训练仍然依赖长期的码头和海上风力较小、航速较慢的航渡阶段，对于新入岗位人员缺乏岗位经验和总体知识能力，对伺服异常信号很难判断，每次船舶靠港阶段和船舶远航机动前，岗位人员都要花大量的时间进行跟踪空间过境目标训练，以满足海上测控任务目标捕获跟踪的需要。目前，国内相关模拟仿真有很多，例如卫星模拟器、联试应答机、目标模拟器等，其中仅目标模拟器具备与伺服系统构成回路，模拟目标功能。然而目前测量船的目标模拟器存在以下几个问题：

（1）目标模拟器模拟进行目标时并未使用天线真实方向图，导致目标信号特性与真实目标信号存在一定差异，尤其是副瓣模拟与实际差异较大；

（2）使用目标模拟器训练时，必须动用真实天线，因此，岗位训练受外界条件制约的问题仍没有得到解决；

（3）目标模拟器仅能进行模拟跟踪同步目标、过境目标等操作，目标捕获以外的岗位操作并不能结合目标模拟器进行；

（4）目标模拟器不具备故障模拟功能及原理介绍功能，不能进行岗位应急能力训练及原理知识学习。

针对以上问题，本发明搭建一套专门针对伺服系统的模拟训练，以解决伺服岗位训练的外部制约问题，提升岗位训练效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种船载雷达伺服操作手捕获跟踪模拟训练系统及其使用方法，通过平台搭建，创立一套岗位教学平台，包括原理介绍、案例学习、故障模拟、极限条件测试等，解决不能随意改变技术状态的问题，进一步加强伺服岗位人员训练的设备保障。

本发明的目的是这样实现的：

一种船载雷达伺服操作手捕获跟踪模拟训练系统，它包括ACU工业控制计算机单元和ACU操控管理单元，所述ACU操控管理单元连接ACU工业控制计算机单元，所述ACU工业控制计算机单元连接综合控制单元，所述综合控制单元连接有数据记录单元；所述ACU工业控制计算机单元包括CPU主板，CPU主板通过CPCI总线连接无源母板，所述CPU主板通过CPCI总线分别连接显示卡、A/D采集卡、通讯卡、D/A输出卡和硬盘，所述显示卡连接显示器，所述通讯卡通过RS422接口连接上位机，通过RS485接口连接驱动装置，D/A输出卡也连接至驱动装置；所述ACU操控管理单元包括操控管理板、24V直流电源、操控按键板、手轮、手杆、手轮手杆高低速切换开关、电源滤波器和电源总开关，所述操控管理板包括用于ACU接收、解调、放大外围信号的电路板，主要信号有操控按键板工作方式信号、操控按键板点灯信号、手杆信号、方位俯仰手轮信号和速度高低档切换信号。

进一步地，它还包括天线仿真单元，所述ACU工业控制计算机单元连接天线仿真单元，所述天线仿真单元连接综合控制单元。

进一步地，所述天线仿真单元采用天线转动平台，包括可升降三角支架、方位俯仰型天线转台和天线面三部分，天线转动平台采用铝合金材料，驱动装置选用永磁同步电机，具备水平自动限位调节功能。

进一步地，所述ACU操控管理单元还分别与角误差仿真单元、时统仿真单元连接，所述角误差仿真单元和时统仿真单元分别连接综合控制单元。

进一步地，所述操控按键板上主要有手轮码盘E1、手轮码盘E2、单杆天线操纵器RP1、手轮换档SA1、手轮换档SA2、显示器和操控按键板。

一种船载雷达伺服操作手捕获跟踪模拟训练系统的使用方法，它包括以下内容：

待机：待机方式是控制系统上电缺省工作方式和故障返回方式，在众多的工作方式下待机方式有最高优先级；

速度手控：甲板速度手控由操纵杆产生速度指令对天线实施速度控制，操纵杆具有自复位功能，它可控制天线的AZ和EL转动速度，手动单杆操作器控制天线速度可分为两档高速档和低速档，由开关控制，当手动单杆回零时天线AZ和EL速度均为零。手动单杆操纵器安装在操作台的面板上；

位置手控：位置控制依据位置指令来源和操作使用的差异，位置手控分为位置指向、位置增量两种方式；

位置指向：位置指令由面板的键盘直接输入，主要用于在甲板坐标系内天线的大角度调转，使天线准确地停在预定的位置；

位置增量：位置指令来自位置手轮，手轮设计有快、慢档位；操作手通过转动手轮输入位置指令，在大地坐标系或甲板坐标系内控制天线位置；主要用于天线位置的精密调整；

数字引导：实时数字引导是指天线控制单元实时接收监控计算机发送的理论轨道数据，控制天线随动于该指令数据；数字引导的数据来源于轨道预报软件；在数字引导工作方式下，可以叠加手轮进行中心修正，用于修正由于T0不准确或角度不准引起的理论轨道偏差；

自动搜索扫描：天线将按照操作手预设的速度和方式以当前位置为中心在一定区域内进行搜索，以便及时、快速地发现和捕获目标；

互引导：多个天线控制子系统实时相互传送角度信息进行互引导，在数引和互引导方状态下手轮具有中心修正功能；

自动跟踪和记忆跟踪：天线控制子系统接收来自主接收机的误差信号，经过数字滤波、校正和放大后，驱动天线朝误差减小的方向转动。

进一步地，位置手控中，手轮码盘安装在控制台的上操作台的面板，它控制天线在甲板坐标系和大地坐标系中的位置增量；方位轴和俯仰轴的位置增量由两个手轮码盘控制，手轮码盘的极性为：顺时针转动，使天线方位轴顺时针转动，天线俯仰轴抬头；逆时针转动，使天线方位轴逆时针转动，天线俯仰轴低头；在手轮内侧有变档开关，在甲板手轮或大地手轮工作方式下，转动开关，可进行手轮快慢档切换，可供不同需要时进行选择。

进一步地，自动跟踪和记忆跟踪中，目标的捕获可以是人工捕获，也可以是自动捕获。在自动捕获状态，当信号电平超过捕获门限后，控制系统将由除待机方式以外的任何方式自动转入自跟踪。在跟踪过程中，如果信号电平降落到捕获门限以下，天线将以目标丢失前的运动轨迹滑行运动，即进入记忆跟踪方式，记忆方式灯亮，一旦发现目标，重新进入自跟踪。如果在设定的滑行时间内没有发现目标，天线将自动转入其他工作方式。

进一步地，还包括光学跟踪，光学跟踪的工作原理、目标捕获方式和控制流程同自动跟踪工作方式，光学跟踪误差信号来自微光电视。

进一步地，ACU操控管理单元具有多通道跟踪能力，自动跟踪和光学跟踪两种跟踪通道的相互切换，可以是人工切换，也可以是自动切换，自动切换准则是按预设的优先级选择，切换优先级从高到低依次为：自动跟踪、数字引导、光学跟踪。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种船载雷达伺服操作手捕获跟踪模拟训练系统及其使用方法，模拟训练平台的人机交互接口需与在用设备完全一致，替代传统跟踪过境星、同步星方式等训练手段，解决原有的训练频次低、保障要求高、制约因素多等客观问题，为伺服岗位的人员训练提供训练场景；同时通过平台搭建，创立一套岗位教学平台，包括原理介绍、案例学习、故障模拟、极限条件测试等，解决不能随意改变技术状态的问题，进一步加强伺服岗位人员训练的设备保障；具备过境目标模拟、同步目标模拟、岗位操作教学、岗位原理介绍、故障仿真模拟等功能；本发明通过模拟训练建立，使伺服操作手的岗位训练脱离真实天线、外部环境、综合保障、过境资源等外部制约，达到提升操作手的岗位训练效率目的。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的ACU工业控制计算机单元的原理示意图。

图3为本发明的ACU操控管理单元的结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为图3的后视图。

图6为图3的内部示意图。

图7为本发明的系统主界面示意图。

实施方式

为更好地理解本发明的技术方案，以下将结合相关图示作详细说明。应理解，以下具体实施例并非用以限制本发明的技术方案的具体实施态样，其仅为本发明技术方案可采用的实施态样。需先说明，本文关于各组件位置关系的表述，如A部件位于B部件上方，其系基于图示中各组件相对位置的表述，并非用以限制各组件的实际位置关系。

实施例1

参见图1-图6，图1绘制了一种船载雷达伺服操作手捕获跟踪模拟训练系统的系统结构示意图。如图所示，本发明的一种船载雷达伺服操作手捕获跟踪模拟训练系统，它包括ACU工业控制计算机单元、ACU操控管理单元和天线仿真单元，所述ACU操控管理单元连接ACU工业控制计算机单元，所述ACU工业控制计算机单元连接天线仿真单元，所述ACU操控管理单元还分别与角误差仿真单元、时统仿真单元连接，所述ACU工业控制计算机单元、天线仿真单元、角误差仿真单元和时统仿真单元分别连接综合控制单元，所述综合控制单元连接有数据记录单元。

所述ACU工业控制计算机单元简称ACU工控机，是模拟训练系统的控制中心，它包括CPU主板，CPU主板通过CPCI总线连接无源母板，所述无源母板连接电源，所述CPU主板通过CPCI总线分别连接显示卡、A/D采集卡、通讯卡、D/A输出卡和硬盘，所述显示卡连接显示器，所述通讯卡通过RS422接口连接上位机，通过RS485接口连接驱动装置，D/A输出卡也连接至驱动装置。

所述ACU操控管理单元包括操控管理板、24V直流电源、操控按键板、手轮、手杆、手轮手杆高低速切换开关、电源滤波器和电源总开关，所述操控管理板包括用于ACU接收、解调、放大外围信号的电路板，主要信号有操控按键板工作方式信号、操控按键板点灯信号、手杆信号、方位俯仰手轮信号、速度高低档切换信号等。所述操控按键板上主要有手轮码盘E1、手轮码盘E2、单杆天线操纵器RP1、手轮换档SA1、手轮换档SA2、显示器和操控按键板等。

所述天线仿真单元采用天线转动平台，包括可升降三角支架、方位俯仰型天线转台和天线面三部分，天线转动平台采用铝合金材料，驱动装置选用永磁同步电机，具备水平自动限位调节功能，输入电压采用24VAC，水平最大旋转角度250°，垂直±35°，水平最大转速7°/S、垂直2°/S。天线转动平台可以演示天线转动变化过程，为新入人员训练建立天线转动的动态变化过程。

所述ACU操控管理单元有多种工作方式，详述如下：

（1）待机

待机方式是控制系统上电缺省工作方式和故障返回方式，在众多的工作方式下待机方式有最高优先级。

（2）速度手控

甲板速度手控是一种常用的大角度调转方式，也可以用于手动跟踪。在此方式下，由操纵杆产生速度指令对天线实施速度控制。操纵杆具有自复位功能，它可控制天线的AZ和EL转动速度，手动单杆操作器控制天线速度可分为两档高速档和低速档，由开关控制，当手动单杆回零时天线AZ和EL速度均为零。手动单杆操纵器安装在操作台的面板上。

表1 手动单杆操作方法

（3）位置手控

位置控制是最常用的方式之一，依据位置指令来源和操作使用的差异，位置手控分为位置指向、位置增量两种方式。

手轮码盘安装在控制台的上操作台的面板，它控制天线在甲板坐标系和大地坐标系中的位置增量。方位轴和俯仰轴的位置增量由两个手轮码盘控制，手轮码盘的极性为：顺时针转动，使天线方位轴顺时针转动，天线俯仰轴抬头；逆时针转动，使天线方位轴逆时针转动，天线俯仰轴低头。在手轮内侧有变档开关，在甲板手轮或大地手轮工作方式下，转动开关，可进行手轮快慢档切换，可供不同需要时进行选择。

表2 手轮换档与手杆换档选择方法

（4）位置指向

位置指令由面板的键盘直接输入，主要用于在甲板坐标系内天线的大角度调转，使天线准确地停在预定的位置。

（5）位置增量

位置指令来自位置手轮，手轮设计有快、慢档位。操作手通过转动手轮输入位置指令，在大地坐标系或甲板坐标系内控制天线位置。主要用于天线位置的精密调整，如手动跟踪等。在数引和互引导工作方式下，手轮具有中心修正功能。

（6）数字引导

实时数字引导是指天线控制单元实时接收监控计算机发送的理论轨道数据，控制天线随动于该指令数据。数字引导的数据来源于轨道预报软件。在数字引导工作方式下，可以叠加手轮进行中心修正，用于修正由于T0不准确或角度不准引起的理论轨道偏差。在跟踪通道出现异常时，数字引导是一种有效的工作方式。

（7）自动搜索扫描

扫描是常用的辅助工作方式，主要用于在等待点捕获目标。在该方式下，天线将按照操作手预设的速度和方式以当前位置为中心在一定区域内进行搜索，以便及时、快速地发现和捕获目标。

（8）互引导

多个天线控制子系统实时相互传送角度信息进行互引导。在数引和互引导方状态下手轮具有中心修正功能。

（9）自动跟踪和记忆跟踪

自动跟踪是最主要的工作方式，在此方式下，天线控制子系统接收来自主接收机的误差信号，经过数字滤波、校正和放大后，驱动天线朝误差减小的方向转动。

目标的捕获可以是人工捕获，也可以是自动捕获。在自动捕获状态，当信号电平超过捕获门限后，控制系统将由除待机方式以外的任何方式自动转入自跟踪。在跟踪过程中，如果信号电平降落到捕获门限以下，天线将以目标丢失前的运动轨迹滑行运动，即进入记忆跟踪方式，记忆方式灯亮，一旦发现目标，重新进入自跟踪。如果在设定的滑行时间内没有发现目标，天线将自动转入其他工作方式。

记忆跟踪方式只在自跟踪方式下有效。

（10）光学跟踪

光学跟踪都是一种辅助跟踪方式，其工作原理、目标捕获方式和控制流程同自动跟踪工作方式，光学跟踪误差信号来自微光电视。

ACU操控管理单元具有多通道跟踪能力，自动跟踪和光学跟踪两种跟踪通道的相互切换，可以是人工切换，也可以是自动切换，自动切换准则是按预设的优先级选择，切换优先级从高到低依次为：自动跟踪、数字引导、光学跟踪。

参见图7，本发明的一种船载雷达伺服操作手捕获跟踪模拟训练系统及其使用方法，具备了时统模拟、角度模拟、角误差仿真、飞行器轨道模拟预报、按键操控模拟、手动跟踪训练及精度统计系统模拟、相位异常模拟等7项功能。

1、时统模拟单元

时间频率统一系统为测量设备及配套设备提供统一的时间和频率标准，确保测控设备之间的时间同步，保证测量数据的正确有效。

系统通过计算机程序定时中断输出20Hz、40Hz定时脉冲，为ACU软件平台及ACU操控管理单元提供同步时统，保证时序同步，信息传输稳定可靠。

2、角度模拟单元

在跟踪模拟训练系统中没有真实结构的角度采集单元，需要设计人员通过软件仿真出虚拟的角度数据供ACU软件平台的跟踪系统使用。因此，角度模拟单元是模拟训练系统的基础，也是非常重要的一环。角度模拟单元是通过Delphi软件编程的虚拟数据仿真，力求同真实结构的角度采集单元产生的角度保持一致。

3、角误差仿真单元

相位异常模拟分为和路和差路模拟，都是根据实测天线方向图量化成表格，编辑装订成为数据查找表。角度模拟和路处理软件根据方位、俯仰偏移值在相位模拟查找表中查找对应的衰减值控制方位、俯仰信号电平，差路模拟软件查找产生对应的角误差电压驱动天线对准目标。

4、飞行器轨道模拟预报单元

飞行器轨道模拟也是瞬时轨道模拟，岗位人员配置好所有需要设置的参数之后就可以进入瞬时轨道模拟。

瞬时轨道模拟的轨道数据是通过开发的瞬时轨道计算软件提供的轨道进行的模拟。

瞬时轨道软件是运用Delphi软件平台编辑，通过从互联网下载的双行卫星根数，可以实时预报即将经过跟踪测量点的相应轨道。

岗位人员点击『轨道计算』，弹出轨道计算界面设置对话框，在参数设置栏对经纬度等参数进行设置，点击『加载TLE文件』，选择过境目标，点击『预报』，在左下方显示预报结果，再点击『实时数引』，在界面右下方则出现预报的实时目标方位和俯仰角度值及距离。

5、按键操控模拟单元

“按键操控模拟”软件主要研究基于航天测控伺服系统及Delphi编程方法，利用现有的伺服操作按键板，设计一套专门提供伺服操作手训练的按键操作训练系统，设计分为固定组合训练、随机训练、晋级训练和竞赛训练统计正确率等方式。

使用方法：通过图2【选择分组】选项，选择不同的按键组合，共有五种选项，前三组是固定的按键组合，选择“自定义”后，可以在文本文件中输入不同的按键组合，选择“随机”选项后，软件会自动生成一个随机的按键组合。通过【伺服操作手】选项，选择不同的操作手，操作手的名字会显示在软件上。通过点击开始按钮，开始计时，通过软件界面提示的按键，进行相应的按键操作，若按键正确，界面下方相应的面板显示绿色，反之显示红色。软件左上角显示按键的正确次数和总次数，总次数达到三十次后，计时停止。点击【成绩】按钮，可显示自己的用时和正确率。

6、手动跟踪训练及精度统计系统模拟单元

“手动跟踪训练及精度统计系统模拟”软件主要研究基于航天测控伺服系统及Delphi编程方法，设计成为专门提供伺服操作手训练的伺服操作手手动跟踪训练及精度统计系统。通过模拟航路设备送出数引数据，导航软件模拟一定船摇角度，测控系统伺服操作手采用手动跟踪方式，跟随数引运动，实时统计数引偏差大于某阈值总时间方式进行，并自动打分。

7、相位异常模拟单元

相位异常故障模拟原则上在数据源上处理，一般可以在正常速度数据源上叠加含一种故障现象或者几种故障现象的数据来实现，故障数据可以通过监控界面上的专门通道编辑生成，监控软件把正常数据源与含一个故障现象或者几个故障现象叠加后的数据下发给跟踪信号处理单元。

（1）方位、俯仰极性相反

“方位、俯仰极性相反”故障模拟，在角跟踪系统标校完毕后，监控故障模拟窗口可以设置一个含相位极性非正常翻转的角度数据，在需要进行该故障模拟时监控软件后台把这个非正常翻转的角度值叠加后的参数发送给对应单元，角跟踪系统表现的就是一个类似极性翻转的故障现象，例如本身应该正偏出负电压，负偏出正电压，结果相反。

（2）任意相位角度值异常设置

“任意相位角度值异常设置”故障模拟，在监控故障模拟窗口设置一个含相位偏离异常的角度数据，且这个偏离值可以设置，在需要进行该故障模拟时监控软件后台把这个非正常的含有相位偏离的角度值叠加后的参数发送给对应单元，角跟踪系统表现的就是一个类似相位偏离异常的故障现象，如果预设的偏离值小于正常调整值，则天线调不到位，如果大于正常调整值，天线可能出现大的震动或者飞车，除非去掉叠加的异常数据源。

（3）任意定向灵敏度值异常设置

“任意定向灵敏度值异常设置”故障模拟，在监控故障模拟窗口设置一个含定向灵敏度异常的角度数据，在需要进行该故障模拟时监控软件后台把这个非正常定向灵敏度的角度值叠加后的参数发送给对应单元，角跟踪系统表现的是一个类似定向灵敏度异常的故障现象，要么角度调整不到位，要么调整超过正确值，除非去掉叠加的异常数据源。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。