CN106781836A

CN106781836A - 一种气象雷达模拟训练系统

Info

Publication number: CN106781836A
Application number: CN201611126678.XA
Authority: CN
Inventors: 陶海军; 邢立新; 张�杰; 杨静; 谢恺; 杨清文; 曲玉琨; 刘建军; 周全; 孙吉红; 王强
Original assignee: PLA MILITARY ACADEMY
Current assignee: PLA MILITARY ACADEMY
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明公开了一种气象雷达模拟系统，包括模拟操作模块、模拟训练管理模块、模拟训练模块；模拟训练模块划分为模拟数据接收单元、模拟数据处理单元、模拟示波器显示单元；所述模拟操作模块连接到模拟数据处理单元、模拟数据接收单元，模拟数据接收单元连接到模拟数据处理单元、模拟示波器显示单元以及模拟训练管理模块，所述模拟数据处理单元连接到模拟训练管理模块，所述模拟训练管理模块连接到模拟示波器显示单元。本发明相比现有技术具有以下优点：(1)解决气象雷达使用时存在的各种不足，达到和气象雷达使用相同的效果和培训熟练操作员的目的。(2)对模拟操作错误的实时提示和模拟使用结果的评估。

Description

一种气象雷达模拟训练系统

技术领域

本发明涉及一种训练系统，尤其涉及的是一种气象雷达模拟训练系统。

背景技术

目前气象雷达探测系统在使用过程中，存在以下不足：

(1)在人口密集、经济发达地区，气象雷达进行高空气象探测时必须释放探空仪，通常高度可达20000米以上，容易与当地民航飞机的飞行航道发生矛盾，极大地限制了气象雷达的日常使用与训练次数。

通常中型以上民航客机飞行高度大都在7000米至12000米之间。根据我国《航空飞行管制条例》第五章关于升放和系留气球的规定：

“三十三条：进行升放无人驾驶自由气球或者系留气球活动，必须经市级以上气象主管机构会同有关部门批准”。

“三十六条：升放无人驾驶自由气球，应当按照批准的申请升放，并及时向有关飞行管制部门报告升放动态；取消升放时，应当及时报告有关飞行管制部门”。

进行高空气象探测，必须使用无线电经纬仪，并配合数字式探空仪，而探空气球飞行高度通常在0到30000米。如果使用单位组织日常气象探测时，事先没能申报计划，没能与地方航空管制部门建立正常的协调和通报关系，使用过程中，探空气球飞行高度涵盖通用航空高度，并且属于不可控飞行，一旦出现意外，后果将不堪设想。

(2)数字探空仪掉落存在安全隐患

数字探空仪是一次性使用的高空气象探测仪器。该设备重约350克，探空仪由充满氢气的探空气球带到高空后，与无线电经纬仪相配合，可综合观测到地面至30000米范围内，不同高度的大气温度、压力、相对湿度和风向风速。

由于探空仪是一次性使用，探测结束后从30000米高空自由落体掉下，使用单位在居民区稠密的地区使用时存在安全隐患。据报道，四川某地就曾经发生过气象台发射的探空仪掉落至居民区的事故，对人民生命安全带来极大隐患。

(3)使用经济性差

探空仪每套售价在一千元左右，同时该设备属于精密仪器，掉地后不能再次使用。使用单位反映，如果频繁进行探测，仅放球一项，每年就需要大量经费支持，严重浪费物力、财力。

另外气象雷达探测系统造价昂贵，经常使用其进行气象探测，容易造成气象雷达磨损，增加气象雷达维护和保养费用。

(4)易受使用环境的限制

气象雷达探测系统使用必须在室外进行，每次使用要占用一定的使用场地，而且受天气情况影响较大。

为了解决上述问题，提出了研制气象雷达模拟训练系统的设想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种不受飞行管制影响、不存在安全隐患，并且使用费用低又不受使用环境限制的气象雷达模拟训练系统。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种气象雷达模拟系统，包括模拟操作模块、模拟训练管理模块、模拟训练模块；

模拟训练模块划分为模拟数据接收单元、模拟数据处理单元、模拟示波器显示单元；

所述模拟操作模块连接到模拟数据处理单元、模拟数据接收单元，模拟数据接收单元连接到模拟数据处理单元、模拟示波器显示单元以及模拟训练管理模块，所述模拟数据处理单元连接到模拟训练管理模块，所述模拟训练管理模块连接到模拟示波器显示单元。

作为具体的技术方案，所述模拟操作模块实现模拟气象雷达面板的功能，使操作员使用时就和面对气象雷达一样，进行基本的操作面板使用；

模拟训练管理模块为模拟训练的组织者提供了管理模拟训练的信息平台，模拟训练管理模块分为训练设置单元、数据管理单元、操作评估单元三个部分；

模拟训练模块为操作员提供模拟训练的实施平台。

作为具体的技术方案，所述训练设置单元包括选择题号、选择模拟训练方式、监听和显示用户连接、突发情况设置；

数据管理单元包括试题的录入、修改、数据的发送；

操作评估单元包括操作员的成绩管理、操作评估结果的显示与输出。

作为具体的技术方案，该模拟训练系统的开发环境采用Windows操作系统，采用Microsoft Access 2000进行数据库的开发和管理，采用面向对象的编程方法，使用VC++6.0为开发平台，采用VC++6.0提供的ADO访问技术对数据库进行快速操作。

作为具体的技术方案，所述数据处理单元用于将接收到的信息进行处理，形成模拟的气象数据，并输出发送到各保障单位，它由气象数据、数据显示、数据修正、数据输出、发送气象数据和信息交换6个子单元组成。

作为具体的技术方案，编制计算机气象数据的实施步骤如下：

①根据气象雷达的探测数据，给出计算机气象数据各气层中点高度上的气象诸元值，包括风向、风速、气温、气压和相对湿度；

②根据计算机气象数据各气层高度上的气温(℃)数据，查表得各气层高度上的气温对应的饱和蒸汽压(Pa)；

③计算水蒸汽压；

④计算虚温；

⑤按照计算机气象数据对各气象诸元的精度要求，对风向、风速、虚温、气压数据进行处理；

⑥把处理好的数据：风向、风速、虚温、气压填写到计算机气象数据的各气层中；

数据显示子单元含探空数据显示、球坐标数据显示、气象数据报文显示；

数据修改子单元含有探空数据修改、探空数据自动修改、球坐标数据修改、地面气象数据修改、测站坐标和原始数据恢复六种内容；

信息交换子单元包含有自由报文、注册内容；

数据输出子单元为：当计算机气象数据计算完毕后的输出保存；

示波器显示单元完成类示波器的功能。

作为具体的技术方案，该模拟训练系统的工作过程如下所述：

首先将大量具有代表性的气象参数数据组，建立试题数据库或者根据实际探测数据的变化规律，随机生成探测数据，数据存储进模拟训练管理模块的数据管理单元，利用模拟训练管理模块进行管理；

系统开始运行后，首先根据管理者的要求，通过模拟操作模块调用训练设置单元设定的题号、难度设置等信息，从数据库中读取相应的数据，完成程序变量的初始化过程；

然后启动计时器，按计时器从数据管理单元读取相应的数据发送到数据接收单元，数据接收单元根据接收的数据，通过示波器显示单元显示一定的雷达跟踪和控制状态，然后显示相应的外部现象，达到外观上与真实系统的工作情况完全相同，通过数据的不断发送，产生气球在空中连续飞行现象的模拟，操作员像面对气象雷达一样通过模拟操作模块对此进行判断和处理；

探测结束后，通过数据处理单元进行模拟结果的数据处理，并生成气象数据；

模拟训练管理模块的操作评估单元分别从模拟数据接收单元和模拟数据处理单元得到数据，进行实时错误操作提示和记录操作过程，并对操作结果进行定量成绩评估，评估结果通过模拟示波器显示单元进行显示。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)解决气象雷达使用时存在的各种不足，达到和气象雷达使用相同的效果和培训熟练操作员的目的。模拟训练系统在不用放气球的情况下模拟气象雷达探测系统的使用过程，达到与气象雷达相同的使用效果，完整、真实地再现了气象雷达探测系统工作的全过程，模拟使用的每一步动作都需要操作员操作完成，可以很好满足培训操作员的目的。模拟原气象雷达的控制面板作为系统的操作控制面板，可以使操作员熟练掌握气象雷达的操作技巧。

(2)对模拟操作错误的实时提示和模拟使用结果的评估。

模拟训练系统实时跟踪模拟操作全过程，对操作数据实时存储比较，在不影响使用过程的情况下，对操作错误实时提示，同时实时记录操作的各个要素，依据评估标准，对操作结果进行自动评估。

附图说明

图1是使用本发明气象雷达模拟系统的模拟器的组成框图；

图2是本发明气象雷达模拟系统的总体框架图；

图3是本发明气象雷达模拟系统的功能模块图；

图4是本发明气象雷达模拟系统的工作流程图；

图5是实施例中的角度波形图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1所示，气象雷达模拟器包括主机、模拟中频分机、模拟显示分机、车通、模拟监控分机、模拟信息处理机，以及网络交换机，模拟中频分机、模拟显示分机、车通、模拟监控分机、模拟信息处理机，以及网络交换机均连接到主机。

气象雷达模拟器的硬件结构与现有气象雷达的完全一致，结构牢固，散热、电屏蔽性能好。气象雷达模拟器中各部件用螺钉固定在机壳内，满足抗振要求。

本发明气象雷达模拟训练系统的改进点在于，采取仿真方式，为气象雷达操作员提供一个从外观视觉到操作过程均与气象雷达一致的模拟操作平台。其使用的硬件操作平台如上所述，与现有气象雷达的硬件操作平台完全一致。

如图2所示，本发明气象雷达模拟系统包括模拟操作模块、模拟训练管理模块、模拟训练模块。

其中各模块在自身功能的实现上是封装的，彼此之间通过接口协调工作。这样的结构无论是对模拟训练系统的调试还是维护都有着极其重要的意义。

其中，模拟操作模块主要实现模拟气象雷达面板的一些功能，使操作员使用时就和面对气象雷达一样，进行基本的操作面板使用，熟练掌握气象雷达面板的操作要领，达到和气象雷达相同的使用效果。

模拟训练管理模块是模拟训练系统的一个重要模块，它为模拟训练的组织者提供了管理模拟训练的信息平台。模拟训练管理模块体现了模拟训练组织的一般过程和基本特点，模拟训练管理模块又分为训练设置单元、数据管理单元、操作评估单元三个部分。

训练设置单元包括选择题号、选择模拟训练方式(单人训练、多人训练)、监听和显示用户连接、突发情况设置(雷达旁瓣抓球，频率漂移，可以随时设置)。

数据管理单元包括试题的录入、修改、数据的发送等。

操作评估单元包括操作员的成绩管理、操作评估结果的显示与输出等。评估项目有放球前调整时间、跟踪气球时间、警告次数、错误次数、突发情况调整时间、总评等。

模拟训练模块是模拟训练系统的一个重要模块，它主要为操作员提供模拟训练的实施平台。它为操作员创建了一个操作模拟训练的训练环境，通过该模块，操作员可以完成气象雷达的操作模拟训练，熟练掌握气象雷达的操作技巧。模拟训练模块又划分为数据接收单元、数据处理单元、示波器显示单元。

该模拟训练系统软件可以在不放气球的情况下模拟气象雷达的使用过程，达到与气象雷达相同的使用效果，完整、真实地再现了气象雷达探测实施的全过程，模拟训练的每一步动作都需要操作员操作完成，可以很好满足训练操作员能力的目的。模拟训练系统同时具备对错误操作情况实时提示和对操作结果进行定量成绩评估的功能，使操作员更准确地掌握操作动作。

模拟训练系统可以实现多人同时进行操作使用，解决操作时人机比例矛盾突出的问题。

该模拟训练系统的软件开发环境采用目前普遍使用的Windows操作系统，采用Microsoft Access 2000进行数据库的开发和管理，采用面向对象的编程方法，使用先进的软件开发工具VC++6.0为开发平台，采用VC++6.0提供的ADO访问技术对数据库进行快速操作。另一方面，模拟训练系统的模拟训练管理模块、模拟数据接收单元等是分布在不同的计算机节点上，相互之间通过局域网互联，相互间要进行快速的数据通讯以完成实时模拟训练任务。

如图3所示，所述模拟操作模块连接到模拟数据处理单元、模拟数据接收单元，模拟数据接收单元连接到模拟数据处理单元、模拟示波器显示单元以及模拟训练管理模块，所述模拟数据处理单元连接到模拟训练管理模块，所述模拟训练管理模块连接到模拟示波器显示单元。

数据接收单元的主要功能是：控制、显示雷达的状态；设置频率、增益以及天线的位置等；实时接收、显示探空数据、探空曲线、球坐标数据和球坐标曲线；与模拟示波器显示单元配合，实现跟踪气球模拟训练和其它操作。

数据处理单元用于将接收到的信息进行处理，形成模拟的气象数据，并输出发送到各保障单位。它由气象数据、数据显示、数据修正、数据输出、发送气象数据和信息交换等6个子单元组成。

其中，编制计算机气象数据的实施步骤如下：

③计算水蒸汽压；

④计算虚温；

⑤按照计算机气象数据对各气象诸元的精度要求，对风向(精确到10mil)、风速(精确到0.1m/s)，虚温(精确到0.1K)、气压(精确到0.1mm)等数据进行处理；

⑥把处理好的数据：风向、风速、气温(虚温)、气压填写到计算机气象数据的各气层中。

数据显示子单元含探空数据显示、球坐标数据显示、气象数据报文显示等。

数据修改子单元含有探空数据修改、探空数据自动修改、球坐标数据修改、地面气象数据修改、测站坐标和原始数据恢复等六种内容。

信息交换子单元包含有自由报文、注册等内容。

数据输出子单元为：当计算机气象数据计算完毕后，需要时，可以打印输出保存。

示波器显示单元完成类示波器的功能，它把接收到的数据根据天线的方位，按照一定的数学模型计算出实际应该的幅值，在示波器窗口显示出来。操作员可以根据示波器窗口上的波形来判断天线的方位，并通过调整命令随时调整天线的方位和仰角，以使天线能准确地跟踪到气球。

模拟主控模块用于把各种处理程序结合在一起，统一调度；设置公共参数；设置雷达观测方式；根据观测方式的不同，启动相应的接收程序。它由接收、模拟数据处理、经纬仪、标定、站址、串口连接、拷贝、撤收、退出等9个子单元组成。

同时参阅图4，该模拟训练系统的工作过程如下所述：

然后启动计时器，按计时器从数据管理单元读取相应的数据发送到数据接收单元，数据接收单元根据接收的数据，通过示波器显示单元显示一定的雷达跟踪和控制状态，然后显示相应的外部现象(示波器波形，探空曲线、球坐标曲线等)，达到外观上与真实系统的工作情况完全相同，通过数据的不断发送，就可以产生气球在空中连续飞行现象的模拟，操作员像面对气象雷达一样通过模拟操作模块对此进行判断和处理；

在模拟训练系统中采用两种方法模拟探测数据，一种是将真实探测数据存入数据库建立试题库，另一种是在真实探测数据的基础上产生随机探测数据。

模拟探测数据一般包括探空数据和球坐标数据两种数据。其中球坐标数据包括时间(分、秒)、仰角(度)、方位角(度)、斜距(米)、气压高度(米)，探空数据包括时间(分、秒)、温度(摄氏度)、气压(百帕)、湿度(％相对湿度)和高度(位势高度)(米)。

在对气象探测模拟的过程中，我们希望在实际探测数据的基础上可以随机产生模拟的探测数据，不仅使用实际探测的数据.为此我们用线性乘同余法设计了一个伪随机数发生器，并在模拟的过程中采用该伪随机数发生器与Visual C++的srand()和rand()两函数结合起来的方法，用于产生探测数据。

主要模型：线性同余算法是使用最为广泛的伪随机数产生器。该算法含有4个参数：模数M(M>0)、乘数a(0≤a<M)、增量c(0≤c<M)、初值即种子(Seed)X₀(0≤X₀<M)。使用迭代公式：

X_i＝(aX_i-1+c)modM

(5.1)

ξ_i＝X_i/M，i＝1，2，3，…

(5.2)

上式中，序列{ξ_i}在区间[0，1]上服从均匀分布，{X_n}是随机数序列，如果M，a，c，X₀都是整数,则产生的随机数序列{X_n}也都是整数,且0≤X_n<M。只要满足条件0≤X_n，X_n+1<M，则由它产生的序列必具有周期性。变量a，c，M都是常量，其中a是乘子，c是增量，M是模，X₀是密钥，也是种子的初始值。如果c≠0，此线性同余法称为混合同余法，否则称为乘同余法。从上式可知，如果知道a，c，M，X₀的值，那么这个随机数序列就可以计算出来。线性同余法产生的随机数序列具有周期性，其最大周期为M。

在线性同余法中，变量a、c、M和初值X₀的选择对随机数序列有很大的影响。为使统计特性最优以及随机数序列有最大周期，a、c、M、x₀的选取应该符合以下准则：

(1)初值X₀对序列{X_n}的周期没有影响，对其统计特性的影响也不大，一般取不小于M^1/2/100的奇数。

(2)为了保证序列没有很大的周期，使其产生的随机数尽可能的接近于真随机数，M应取尽可能大的素数，但M不能大于2^e，e是计算机尾部字长。如果M不取素数，那么序列{X_n}的右半部分的随机性非常不好。

(3)乘子a对随机数的性能影响很大，特别不能随意，一般应在区间(M^1/2,M-M^1/2)之内。

(4)增量c对随机数序列的影响较小，一般取c为奇数，

为了使线性同余法有最大周期的充要条件是：

(1)如果对M的所有素数因子p，均成立a≡1(mod p)，即a＝p*k+l，k≥0。

(2)当M为4的倍数时，还应成立a≡1(mod 4)。

(3)c同M互素(即c和M的最大公因数为1)。

当满足以上几个条件后，线性同余法产生的随机数具有最大周期，而且产生的随机数具有均匀性好、独立性好等特点。

从实际经验来看，当M＝2³¹-1，a＝16087或630360016时得到的随机数ξ_i的均匀性和独立性较好，因而得到广泛应用。

这里采用把线性乘同余法与Visual C++的srand()和rand()两函数结合起来的方法。其做法是用srand()函数确定开始产生随机数的起始点，然后通过rand()函数来产生初值X₀，随后由(5.1)，(5.2)式就可得到随机变量系列ξ_i。其中ξ_i为0～1之间的有理数，按照时间间隔产生随机数，气象数据和球坐标数据随时间的增加，按照实际探测的数据变化的规律，数据单位时间减少或增加ξ_i或n*ξ_i(n为某个整数)，形成一组新的气象数据或球坐标数据，但是又符合实际探测数据的变化规律。本文产生的随机探测数据只是用于模拟训练。

具体的，为了达到仿真实际操作使用的目的，模拟训练系统不仅要模拟气象雷达的常规工作过程而且要根据使用需要产生一些突发情况，使操作者能够熟练掌握操作要领。模拟训练系统应具备一些突发情况的设计：

(1)放球前数据录入模拟设计

放球前必须在数据管理单元中输入三种资料：

①探空仪鉴定证：将要施放的探空仪的鉴定证必须存放在数据管理单元中中。

②湿敏电阻活化值：即通过探空仪检测箱测得的湿敏电阻数据。

③放球前气象站地面数据：即简易气象仪在放球前测得的数据。

模拟训练系统调用数据管理单元中预先输入的探空仪序列号及探空仪参数(“Q”、“A”、“C”、“I”、“J”、“K”、“D”)，在文本框中显示。使用前给定湿敏电阻的D5、D4、D3、D2、D1、D0的湿度参数值，操作员与文本框中的D行参数对照，倘若不一致，就借助给定的湿敏电阻湿度参数D5～D0的值修改文本框中的“D”行六个参数。

“T0”、“R0”文本框中显示的数据是软件预先设定的初值。模拟系统调用数据库中预先设定的值。放球前，操作者用键盘输入湿敏电阻基测时所得的T0、R0值替换，这里湿敏电阻基测的T0，R0值使用前事先给定。

文本框“T”、“P”、“U”、“WD”、“WS”供放球前5分钟，通过模拟操作模块输入由简易气象仪测得的温度(T)、气压(P)、湿度(U)、风向(WD)和风速(WS)数据，在操作使用中，“T”、“P”、“U”、“WD”、“WS”的值都事先给定。

“放球高度”文本框供预先设置放球高度(米)用。一旦用鼠标点击方法设置了放球高度，气象数据接收程序在气球升到规定高度后进行提示，确认后退出接收。

选择框“Locked”为锁定框，即锁定输入的探空仪参数，无需点击，放球时软件自动锁定。如果修改过D参数，点击“Locked”。

(2)探测前的检查调整模拟设计

探测前的检查调整过程主要是对雷达初始状态的检查与调整，使雷达处于最佳工作点，从而保证雷达在探测过程中所得到的探测数据的准确性。该过程主要包括两方面的内容，一是雷达标定，目的是使标定后的雷达的仰角方向为0度，即与所在点的地平面平行；水平方向为0度，即雷达指向正北。二是最佳工作点的设置，包括设置正确的频率点以及适当的增益。

①雷达标定

雷达寻北定向角Z的测定采用雷达瞄准镜和光学经纬仪对瞄的方法。完成后，用键盘将该标定方向上的坐标方位角数据α输入到模拟主控模块。由模拟主控模块根据输入的雷达与经纬仪对瞄时的原始角数据A₁、E₁以及从倾斜仪中自动录取的倾角数据Y、X，计算出雷达的寻北定向角Z。在模拟训练系统中，数据α、A₁、E₁、Y、X都由模拟训练管理模块每次训练前随机给定。

②设置最佳工作点

雷达标定后，将雷达对准放球方向，也就是使示波显示模块所显示的四条亮线等高。这时按照下述方法调整主界面中雷达状态项中所显示的频率和增益数值：

在频率、增益处于手动状态时，按增、减少数字，从而完成对频率、增益的调节，频率调节的范围为L波段，增益的调节范围为0～200(等于200时不再增加，等于零时不再减小)；当频率和增益处于“自动状态”时，按键，则栏内数字无反应，表示在此状态下频率和增益不能调整。

模拟训练系统在模拟操作使用开始时，假设随机设置一个范围在L波段内的固定频点值。手动调整频率时，当频率向着设定的固定频点变化时，示波器上的测角视频信号逐渐变好(信号清晰，顶端饱和)，当频率远离设定的固定频率点变化时，示波器上的测角视频信号逐渐变差(信号模糊，顶端虚暗)，当手动调整频率到与设定的频率点值相差在±0.5之内时，改为自动频率控制，则频率能自动调整到设定的频率点上，此时示波器上视频信号最好(信号清晰，顶端饱和)，当手动调整频率到与设定的频率点值相差超过±0.5时，改为自动频率控制，这时频率不能自动调整到设定的频率点上，此时示波器上视频信号较差，且屏幕上跳出“误操作：未调好手动频率前转换自动”的提示，并记为误操作一次。若在频率自动控制状态下调整频率，则屏幕跳出“警告：频率自动控制状态下不能调整频率的”提示，并记为警告一次。

手动调整增益时，当增益数值越大时，示波器上的测角视频信号幅度越大；当增益数值越小时，示波器上的测角视频信号幅度越小。每变化一增益数值，测角视频信号的幅度变化约30MV，探空信号幅度亦相应变化。当手动增益转换为自动增益调整时，测角视频信号幅度稳定在4V左右。若在增益“自动”状态下调整增益，则屏幕跳出“警告：增益自动控制状态下不能调整增益”的提示，并记为警告一次。

当频率、增益等雷达状态调整好后，将频率、增益均置为“自动”控制状态。模拟训练系统要根据频率与增益的不同数值，同步显示相应的现象，包括主界面上的频率增益数值，示波器上四条亮线的变化。并检查操作员在将频率手动/自动状态设置为自动后确定的频率值与真值的差值，如果差值较大，则频率不能自动转变到真值，如果差值较小则可以自动转变。同时自动记录最佳工作状态调整好的时间反馈到模拟训练管理模块。

(3)放球操作模拟设计

上述准备工作做好后，当听到放球发令员发出的“放球”口令，工作室内操作员应立即单击模拟数据接收单元中“Start”按钮，此时施放气球时间栏显示放球时间；累计放球时间栏时钟自动清零，并开始累计放球时间。

(4)跟踪气球模拟设计

在模拟训练系统中，以模拟训练管理模块发送模拟探测数据的方法模拟雷达的接收探空信号及跟踪过程。当操作员调整天线角度时，自动将当前角度值与模拟训练管理模块数据库中当前时刻气球所在的角度真值比较，计算出差值，根据这一差值控制四条亮线的高低变化。

跟踪气球模拟的过程就是要求操作者通过观察示波器上四条亮线的变化操作雷达在最短时间内使四条亮线等高，其模拟过程如下：

天线控制处于“手动”，放球后操作者应调整接收主界面中的仰角、方位角按钮，同时观察模拟示波器显示模块的四条亮线，在最短时间内使四条亮线等高，即高低误差角、方位误差角均小于0.5度。此时将天线手动转换为“自动”，则在1秒内应自动将天线的仰角、方位角连续变化到该时刻的真值，并记录从放球开始到到达此状态的时间，若该时间超过2分钟，则屏幕应跳出“误操作：手动跟踪失败”的提示，并记误操作一次。

同时注意观察显示器中的温、湿、压曲线变化，误码显示、示波器四条亮线有无异常发生和显示器左上角频率误差表头指示。如有变化，应立即置手动频调状态或手动天线控制状态，进行调整，不至丢球。跟球过程中，根据需要在主画面窗口中分别点击相应按钮，便可以显示探空数据、探空数据曲线、球坐标数据、球坐标数据曲线和高度、气压、温度、风向、风速等气象要素。

(5)天线转动情况模拟设计

首先确定接收模块软件界面中“天线手动/自动切换”选项处于“手动”，否则，调节方位角、仰角按钮，天线方位角、仰角不动，同时屏幕跳出“警告：天线自动情况下不能手动驱动雷达”，的提示，并记为警告一次。

当调节右边三角按钮时，主画面上的“天线仰角、方位角”项中的方位角显示数字随之增加，天线方位角画面顺时针转动，雷达天线向上抬高。当调节左边三角按钮时，主画面上的“天线仰角、方位角”项中的方位角显示数字随之减小，天线方位角画面逆时针转动，雷达天线向下降低。

在调节增减按钮时，当天线仰角达到90度或-2度时应分别出现提示栏“注意：天线限位”。

(6)主窗口界面显示设计

在模拟数据接收单元软件平台上，应该能够让操作者实时看到当前控制区数据，并且一定时间内的数据以曲线形式动态的显示出来。这样，不但能形象的反映当前数据，而且能够看到当前数据与以前数据的联系，还能够看出各种数据的变化趋势。主要显示探空数据、探空数据曲线、球坐标数据、球坐标数据曲线、气象要素等五类数据及曲线。

①显示探空数据

用鼠标单击模拟数据接收单元主界面中的显示探空数据按钮，主窗口显示实时接收到的探空仪数据，显示共分五项；时间(分、秒)、温度(摄氏度)、气压(百帕)、湿度(％相对湿度)和高度(位势高度)(米)。

②显示探空数据曲线

用鼠标单击模拟数据接收单元主界面中的显示探空曲线按钮，主窗口显示实时接收到的探空曲线。界面中，上(红)、中(蓝)、下(绿)三条横坐标分别为温、压、湿坐标，纵坐标为时间坐标，红、蓝、绿三条纵向曲线分别为温、压、湿曲线。

③显示球坐标数据

用鼠标单击模拟数据接收单元主界面中的球坐标数据按钮，主窗口显示球坐标数据，显示共分五项：时间(分、秒)、斜距(米)、仰角(度)、方位角(度)、高度(几何高度)(米)。

④显示球坐标数据曲线

用鼠标单击模拟数据接收单元主界面中的球坐标数据曲线按钮，主窗口显示球坐标数据曲线，界面中，上(红)、中(蓝)、下(绿)三条横坐标分别为斜距、仰角和方位角坐标，纵坐标为时间。横坐标中的斜距是根据距离的变化而动态变化。

⑤显示气象要素

用鼠标单击模拟数据接收单元主界面中的气象要素按钮，主窗口显示实时高度、气压、温度、风向、风速等气象要素，显示共分六项：时间(分、秒)、高度(位势高度)(米)、气压(毫米)、温度(摄氏度)、风向、风速(米/秒)。

(7)示波器显示模拟设计

完成类似示波器的功能，它把接收到的数据根据天线的方位和频率增益，计算出实际的幅值和信号强弱，在示波器窗口显示出来。操作员可以根据示波器窗口上的波形数据来判断探空仪(即气球)的方位角、仰角，接收信号的强弱，并通过调整命令随时调整天线的方位角、仰角、频率、增益，以使天线能准确地跟踪到气球。

示波器显示模块同步显示四条亮线，表征探空仪的角度信息，波形如图5，从左到右分别对应雷达的上、下、左、右四个方向，即左边两条亮线对应仰角(地平面为0度)，右边两条亮线对应方位角(北极为0度)。四条亮线随雷达的角度变化而变化，当雷达仰角大于探空仪所在位置的仰角时，上亮线(第一条亮线)长于下亮线(第二条亮线)，操作者应点击接收模块主界面的仰角按钮，使雷达仰角变小；当雷达方位角大于探空仪所在位置的方位角时，即雷达偏右时，右亮线(第四条亮线)长于左亮线(第三条亮线)，操作者应点击接收模块主界面的方位角按钮，使雷达方位角变小。当四条亮线等高时，表示雷达正好对准探空仪所在的方向，即雷达抓住了目标。

(8)数据处理功能的模拟设计

放球结束后，计算机退出气象模拟数据接收单元并自动进入模拟数据处理单元。执行模拟数据处理程序，或者用鼠标单击模拟主控模块中的数据处理按钮，均进入模拟数据处理单元。模拟的内容主要包括数据显示、数据修改、形成气象数据、发送气象数据、信息交换等等。

(9)对模拟操作错误的实时提示和模拟训练结果的评估设计

模拟训练系统实时跟踪模拟操作全过程，对操作数据实时存储比较，在不影响使用过程的情况下，对操作错误实时提示，同时实时记录操作的各个要素，对操作结果进行评估。

(10)用于难度设置的几种突发情况的设计

①雷达旁瓣抓球

当雷达处于“自动”状态时，雷达可能产生旁瓣抓球的现象，即雷达不是用主波跟踪目标，而是用旁瓣跟踪目标，相当于雷达在水平或仰角方向上突然跃变了15度。表现的外部现象是：主界面中的角度跟踪状态栏内，表征雷达角度的数值和图像，向同一方向跃变了15度；仰角旁瓣情况完全类似。此外示波器上，表征发生旁瓣所在的两条亮线同时降为另一方向上两条亮线高度的2/3，此时手动调节雷达角度，发生旁瓣方向上的两条亮线的变化规律与正常情况下恰好相反，例如，发生方位旁瓣，则示波器上第3、4条亮线高度变为第1、2条亮线高的2/3，增大方位角，则第4条亮线变短，第3条亮线变长。(正常情况下，应该是第3条亮线变短，第4条亮线变长)但在主界面上显示正常。当发生旁瓣现象时，操作员应该立即将雷达状态由天线自动改为天线手动，并迅速控制雷达向发生跃变的反方向移动15度，使雷达恢复正常。若在1分钟内，未做此项操作，或1分钟后，雷达仍然未对准目标，则记录误操作一次。

模拟系统要在管理者设定的时间与方向上，产生旁瓣抓球现象。并根据操作员的相应操作，显示与正常状态下完全相反的现象，并在雷达恢复主瓣抓球后，自动恢复正常状态，同时记录操作员的误操作次数和时间(操作员并不知道需要调整多长时间，雷达才能恢复主瓣抓球。他必须依靠示波器上的现象来判断。)。

②频率漂移

探空仪升空后因温度变化大，频率有所漂移，可以观察到接收模块主界面左上角频率误差表头指示会左右摇摆，误差指示偏离中心时，操作员应立即置手动频调状态工作，在10秒内将频率指针调回中心，不至丢球，否则记误操作一次。

模拟训练管理模块采用面向对象的软件开发工具Visual C++6.0作为平台，采用ADO(ActiveX Data Object)访问技术对数据库进行快速操作。采用Microsoft Access2000建立微机平台下的操作习题库。

Visual C++6.0提供的数据库访问技术主要有以下5种:ODBC(Open DatabaseConnectivty)、MFC ODBC(Microsoft Foundation Classes ODBC)、DAO(Data AccessObjects)、OLE DB(Object Link and Embedding Database)、ADO(ActiveX DataObjects)。本发明中模拟训练管理模块的数据访问技术采用的是ADO。

网络通信的数据走向一般分为两种，一种是从模拟训练管理模块下发到其它模块的下行数据，另一种是从其它上传到模拟训练管理模块的上行数据。为了保证一些公共信息和数据从模拟训练管理下行到各个模块数据的同步性，本发明中，对服务器的下行数据采用基于UDP/IP的广播方式进行传输，为了保证其它模块上行到模拟训练管理模块数据的独立性，本发明中，我们对每个模块进行单独命名注册。我们对其它模块的上行数据采用基于TCP/IP的点对点方式进行传输。这两种通信方式都可以用WinSocket编程以多线程方式实现。

对操作员模拟操作结束以后的成绩评定分两种方法，一是通过记录的操作过程在操作结束后进行的跟踪复演，使操作员能直观的观看到自己的训练情况；另一种方法是通过对操作过程中的累计误操作、警告和操作时间进行计算，对操作员的操作过程进行打分评定，定量地评估操作水平。这里采用的是第二种方法。

评估标准是：(1)任何时刻只要显示跟球操作失败，成绩计为0分；(2)放球前调整模拟30秒内为优，30秒～1分钟为良，1分钟～2分钟为及格，超过2分钟为0分；(3)跟踪气球模拟训练时刻评估标准同(2)；(4)警告、误操作次数累计超过5次为0分，2次内为优，2～4次为良，5次为及格；(5)把每一时刻的成绩累加后取平均，作为此次跟踪的成绩。

模拟训练管理模块实时跟踪操作过程，实时记录操作结果，依据评估标准，自动得出评估结果，实现了评估的自动化和智能化，解决了以往训练只能依靠人工经验定性评估，难以定量评估的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种气象雷达模拟系统，其特征在于，包括模拟操作模块、模拟训练管理模块、模拟训练模块；

2.根据权利要求1所述的一种气象雷达模拟系统，其特征在于，所述模拟操作模块实现模拟气象雷达面板的功能，使操作员使用时就和面对气象雷达一样，进行基本的操作面板使用；

模拟训练模块为操作员提供模拟训练的实施平台。

3.根据权利要求2所述的一种气象雷达模拟系统，其特征在于，所述训练设置单元包括选择题号、选择模拟训练方式、监听和显示用户连接、突发情况设置；

数据管理单元包括试题的录入、修改、数据的发送；

4.根据权利要求1所述的一种气象雷达模拟系统，其特征在于，该模拟训练系统的开发环境采用Windows操作系统，采用Microsoft Access 2000进行数据库的开发和管理，采用面向对象的编程方法，使用VC++6.0为开发平台，采用VC++6.0提供的ADO访问技术对数据库进行快速操作。

5.根据权利要求1所述的一种气象雷达模拟系统，其特征在于，所述数据处理单元用于将接收到的信息进行处理，形成模拟的气象数据，并输出发送到各保障单位，它由气象数据、数据显示、数据修正、数据输出、发送气象数据和信息交换6个子单元组成。

6.根据权利要求5所述的一种气象雷达模拟系统，其特征在于，编制计算机气象数据的实施步骤如下：

③计算水蒸汽压；

④计算虚温；

信息交换子单元包含有自由报文、注册内容；

示波器显示单元完成类示波器的功能。

7.根据权利要求1所述的一种气象雷达模拟系统，其特征在于，该模拟训练系统的工作过程如下所述：

8.根据权利要求7所述的一种气象雷达模拟系统，其特征在于，所述随机生成探测数据的方法为：在实际探测数据的基础上，用线性乘同余法设计了一个伪随机数发生器，并在模拟的过程中采用该伪随机数发生器与Visual C++的srand()和rand()两函数结合起来的方法，用于产生探测数据。

9.根据权利要求8所述的一种气象雷达模拟系统，其特征在于，线性同余算法含有4个参数：模数M(M>0)、乘数a(0≤a<M)、增量c(0≤c<M)、初值即种子(Seed)X₀(0≤X₀<M)，使用迭代公式：

X_i＝(aX_i-1+c)modM

(5.1)

ξ_i＝X_i/M，i＝1，2，3，…

(5.2)

上式中，序列{ξ_i}在区间[0，1]上服从均匀分布，{X_n}是随机数序列，如果M，a，c，X₀都是整数,则产生的随机数序列{X_n}也都是整数,且0≤X_n<M。只要满足条件0≤X_n，X_n+1<M，则由它产生的序列必具有周期性，变量a，c，M都是常量，其中a是乘子，c是增量，M是模，X₀是密钥，也是种子的初始值，如果c≠0，此线性同余法称为混合同余法，否则称为乘同余法，从上式可知，如果知道a，c，M，X₀的值，那么这个随机数序列就可以计算出来，线性同余法产生的随机数序列具有周期性，其最大周期为M；

在线性同余法中，变量a、c、M、x₀的选取应该符合以下准则：

(1)初值X₀对序列{X_n}的周期没有影响，对其统计特性的影响也不大，一般取不小于M¹ ^/2/100的奇数；

(2)为了保证序列没有很大的周期，使其产生的随机数尽可能的接近于真随机数，M应取尽可能大的素数，但M不能大于2^e，e是计算机尾部字长；

(3)乘子a在区间(M^1/2,M-M^1/2)之内；

(4)增量c为奇数，

使线性同余法有最大周期的充要条件是：

(1)如果对M的所有素数因子p，均成立a≡1(mod p)，即a＝p*k+l，k≥0；

(2)当M为4的倍数时，还应成立a≡1(mod 4)；

(3)c同M互素，即c和M的最大公因数为1；

这里采用把线性乘同余法与Visual C++的srand()和rand()两函数结合起来的方法，其做法是用srand()函数确定开始产生随机数的起始点，然后通过rand()函数来产生初值X₀，随后由(5.1)，(5.2)式得到随机变量系列ξ_i，其中ξ_i为0～1之间的有理数，按照时间间隔产生随机数，气象数据和球坐标数据随时间的增加，按照实际探测的数据变化的规律，数据单位时间减少或增加ξ_i或n*ξ_i，n为某个整数，形成一组新的气象数据或球坐标数据，但是又符合实际探测数据的变化规律。

10.根据权利要求1所述的一种气象雷达模拟系统，其特征在于，网络通信的数据走向分为两种，一种是从模拟训练管理模块下发到其它模块的下行数据，另一种是从其它上传到模拟训练管理模块的上行数据，对服务器的下行数据采用基于UDP/IP的广播方式进行传输，对其它模块的上行数据采用基于TCP/IP的点对点方式进行传输。