CN110136538A - 一种高空气象探测雷达模拟训练平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高空气象探测雷达模拟训练平台及方法，采用软硬结合的方式，软硬件之间实时交互，同步响应，能够实现操作方式、操作步骤、面板指示灯状态与实装雷达完全一致。结合实装雷达进行高空气象探测的方法步骤，通过建立雷达电磁场强度空间分布模型，能够实时计算出探空仪相对于雷达不同位置处的场强信息，实现探空仪的自动跟踪，与实装雷达操作完全一致.可以直接调用已有的历史探测资料和探空仪鉴定数据，自动从中提取探空数据和球坐标数据等探测相关信息，无需人为干预，提高了系统的可操作性。本发明可以对探测过程中的故障现象进行人为设置，达到培训学员发现并解决故障的能力，对故障处置的培训教学做到灵活可控。

Description

一种高空气象探测雷达模拟训练平台及方法

技术领域

本发明属于气象雷达技术领域，涉及一种高空气象探测雷达模拟训练平台及方法。

技术背景

当前我国气象台站所进行的高空气象探测是指利用探空气球携带无线电探空仪升空，由高空气象探测雷达定位和接收探测信号，对地面至35千米高空之间的气压、温度、湿度、风向和风速所进行的综合测定。高空气象探测雷达将探测信号输入终端计算机处理，由终端计算机打印出各高度上的气压、温度、湿度、风向和风速的数值和曲线图。高空气象探测由于技术含量高、精密仪器多，操作员想要熟练准确的掌握操作方法，必须进行大量的综合操作技能培训。目前的高空气象探测雷达综合操作技能培训普遍采用实装雷达进行，实装雷达综合操作技能培训存在训练任务重(实装雷达综合操作技能培训时，一个教学班按30人计算，每名学员培训4次，一次培训约需要2.5小时，一个教学班仅实装雷达综合操作技能培训大约需要300余小时，完成培训任务必须利用晚上、节假日时间)、实装器材损耗大(培训学员均为新手，对装备操作步骤、操作方法尚未完全掌握，且培训用装备的操作次数明显高于业务用装备，实装器材存在很大损耗)、制氢安全保障难度高(目前气象台氢气的来源主要有三种：化学制氢、水电解制氢以及采购罐装氢气，由于水电解制氢速度慢，不能满足培训所需氢气量，采购罐装氢气费用又较高，因此实装雷达综合操作技能培训一般采用化学制氢，随着氢气用量的增大，制氢安全保障难度高)、训练环境电磁干扰强(随着城市化发展，很多气象台基本处于城市边缘甚至城市中心区域，周边电磁干扰严重，对培训中雷达接收探空信号造成干扰)、无法进行故障处置训练(由于人为设置雷达故障、探空仪故障等会对装备、器材造成不可逆转的损耗，因此通过实装进行故障处置训练不现实，传统教学过程中只是通过教材讲授的方式来培养学员定位故障并排除故障的能力)等问题。

解放军炮兵学院研制的某型炮兵气象雷达模拟训练系统(靳树昌，郭祥宇.某型炮兵气象雷达模拟训练系统总体设计[J].兵工自动化，2011，30(3)：36-38.)，为了达到全仿真训练目的，采用Multigen Creator/Vega虚拟仿真技术，构建三维模拟训练场景；在气象车操作平台上，操作手利用与实装系统结构、界面完全相同的操作面板，可以根据显示相应的外部现象(示波器波形、探窄曲线、球坐标曲线、气象车视景仿真等)对气象雷达进行操作训练。基于ADO数据源技术方便了服务器端与数据库的连接，实现了数据库访问的便捷高效，在组网训练时利用TCP通信协议来实现系统的数据通信，以满足数据通信的可靠稳定：采用基于Vega/VC++6.0和ADO数据源技术机制实现了仿真软件的开发，初步达到了预期的训练效果。系统软件体系主要由模拟训练管理模块、模拟训练模块、组网模拟训练模块组成，系统框架如图1。但是，上述仿真系统存在以下问题：1、仿真度不高，采用纯软件模拟的方式，学员操作过程中，操作的对象只有计算机软件，导致系统仿真度不高，不能完全匹配实装器材的操作流程，导致模拟训练的效果与实装训练的效果之间存在差距。2、抓球逻辑不符，采用事先设定探空仪的逐秒位置信息，无其它角度跟踪辅助信息，跟踪过程中一旦出现丢球或旁瓣跟踪，操作员只能根据最后一秒正常的球坐标数据来抓球，这与实装雷达抓球不相符；3、系统可操作性差，在设置气球定位和气象要素值的想定场景时，需要手动或自动提取原始探测数据中的探空数据和球坐标数据，这项工作灵活度不高，操作起来繁琐且容易出错。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种高空气象探测雷达模拟训练平台及方法，本发明采用软硬结合的方式，软硬件之间实时交互，同步响应，能够实现操作方式、操作步骤、面板指示灯状态与实装雷达完全一致。本发明结合实装雷达进行高空气象探测的方法步骤，通过建立雷达电磁场强度空间分布模型，能够实时计算出探空仪相对于雷达不同位置处的场强信息，雷达根据探空仪在不同位置下的场强信息，实现对探空仪的自动跟踪，与实装雷达操作完全一致。本发明可以直接调用已有的历史探测资料和探空仪鉴定数据，自动从中提取探空数据和球坐标数据等探测相关信息，无需人为干预，提高了系统的可操作性。本发明可以对探测过程中的故障现象进行人为设置，通过设置故障类型、故障数量、故障出现时间、故障持续时间等，达到培训学员发现并解决故障的能力，对故障处置的培训教学做到灵活可控。

本发明的具体技术方案如下：

一种高空气象探测雷达模拟训练平台，所述平台包括控制计算机以及多套模拟训练器；所述控制计算机用于模拟高空气象探测雷达运行过程并将运行数据发送到模拟训练器，并接收来自模拟训练器的操作数据；所述模拟训练器提供操作方法和操作步骤与实装雷达完全一致的模拟环境，其接收来自所述控制计算机的运行数据并将操作信息发送至所述控制计算机。

进一步地，所述控制计算机由教员进行操作。

进一步地，所述模拟训练器由学员进行操作。

进一步地，所述控制计算机模拟高空气象探测雷达的运行过程，其对包括大气状态、雷达跟踪情况、示波器跟踪亮线、距离波门显示在内的所有高空气象探测雷达运行过程中涉及的数据进行处理，具体涉及以下数据：实时探空数据，包括温度、气压和相对湿度数据；雷达状态数据，包括天线方位角及俯仰角；示波器的显示数据，包括角度跟踪亮线、测距波门、扫描基线、距离回波及基值测定亮线；主机柜面板指示灯状态控制数据；雷达工作故障模拟数据；发射机功率、频率、增益及斜距的控制数据；是否放球的控制数据；距离手/自动的控制数据；天线手/自动的控制数据；频率手/自动的控制数据；增益手/自动的控制数据；发射机开关的状态数据；基值测定的状态数据；摄像头视景画面的显示数据，所述画面中包括气球、探空仪、背景。

进一步地，所述模拟训练器包括主机柜、控制盒、串口服务器以及终端计算机，所述主机柜的面板与实装雷达主机柜的面板结构一致，所述终端计算机的终端软件与实装雷达终端计算机的终端软件完全一致。

进一步地，所述主机柜包括主控分机、显示分机、驱动分机以及终端接口板，其中主控分机负责各按钮状态、指示灯状态的数据采集与显示控制；显示分机用于控制示波器角度跟踪波形、距离跟踪波形的输出，完成示波器四条亮线和距离跟踪信号的模拟显示；驱动分机用于接收控制盒的手柄转动信息，进而转换为对雷达天线方位角、仰角的控制信号；终端接口板实现主机柜内部各分机信号的模拟，所述各分机信号包括按钮、指示灯状态。所述终端接口板采用CPU+FPGA方式，其用于根据高空气象探测雷达的状态生成不同的信号，生成的信号包括程序方波信号(上、下、左、右)、角距显示控制信号、粗扫触发脉冲、精扫触发脉冲、模拟产生距离回波脉冲、角跟踪信号电压、控制盒信号的采集和处理、雷达开关机开关量的检测信号和雷达状态显示灯开关量的输出信号等；所述串口服务器负责将主机柜、终端计算机上的串口端口转换成网口地址，便于进行数据交互。

进一步地，所述控制盒接收学员对控制盒手柄上、下、左、右四个方向的转动信息。

进一步地，所述终端计算机主要完成探测准备阶段数据录入、探测过程数据的接收、监控与处理等操作。

进一步地，所述高空气象探测雷达模拟训练平台采取分布式结构，软件部署在所述控制计算机和所述终端计算机上，其中所述控制计算机部署控制软件，所述终端计算机部署终端软件。

进一步地，所述控制软件包括模拟训练模块、模拟视景模块和考核评分模块，用于模拟大气状态、雷达跟踪情况、示波器跟踪亮线、距离波门显示等所有高空气象探测雷达运行过程中使用的数据。

进一步地，所述模拟训练模块包括施放参数设置模块、故障参数设置模块、数据发送模块、数据接收模块、数据处理模块、班级管理模块、教员管理模块和学员管理模块，其中所述参数设置模块负责对气球施放的各参数进行设置，包括选择探测原始资料、选择鉴定数据资料、设置基值测定数据、设置数据发送间隔等；所述故障参数设置模块包括故障类型、故障数量、故障出现时间、故障持续时间的设置，故障类型包括静态故障和动态故障，所述动态故障为探测实施过程中出现的故障，如丢球、信号干扰、距离丢失、数据异常、气球爆炸等；所述静态故障是雷达开机过程中出现的故障，如某指示灯异常，探空气球施放后，所述静态故障自动消失；所述数据发送模块负责将气象要素值、气球位置信息发送给终端计算机，以及将雷达状态信息发送给主机柜和终端计算机；所述数据接收角模块用于接收对主机柜、终端软件、控制盒的操作信息并进行处理；所述数据处理模块负责将数据接收模块的信息进行处理，并计算出需要发送的数据，交由数据发送模块发送给相应终端设备；所述班级管理模块负责对班级进行增加、修改、删除操作；所述教员管理模块负责对教员信息进行增加、修改、删除操作，并设置教员所带班级信息；所述学员管理模块负责对学员进行增加、修改、删除操作，并设置学员所属的班级信息。

进一步地，考核评分模块负责对学员的一次操作过程进行自动评分，包括评分细则、评分实现。

进一步地，所述终端软件包括放球软件、数据处理软件、模拟摄像头软件和答卷提交软件，用于学员对雷达状态、数据资料进行监控与处理。多套训练器分别运行所述终端软件，供学员完成训练内容。其中所述放球软件与所述数据处理软件与实装雷达的放球软件与数据处理软件完全一致，实现雷达状态、气象数据的监控与处理；所述模拟摄像头软件负责显示雷达摄像头的模拟图像信息；所述成绩提交软件用于学员提交本次探测处理后的资料以及出现的静态故障信息。

进一步地，所述模拟训练平台还包括交换机以及通信电缆，用于所述模拟训练器与所述控制计算机之间的通信。

进一步地，所述高空气象探测雷达模拟训练平台包含三种网络连接方式，分别为RJ45网口、RS232串口以及专用馈线接口，所述控制计算机、所述串口服务器与所述终端计算机的成绩提交软件之间采用RJ45网口方式进行通信，所述串口服务器与所述主机柜、所述终端计算机的模拟摄像头、放球软件之间采用RS232方式进行通信，所述控制盒与所述主机柜之间通过专用馈线连接。

本发明进一步提供一种基于上述高空气象探测雷达模拟训练平台的高空气象探测模拟方法，所述高空气象探测模拟方法流程如下：

①启动控制计算机上的控制软件；

②在控制软件中选择登录教员；

③控制计算机通过配置的参数信息得到原始数据，原始数据包括三个阶段数据，分别是地面准备阶段、基值测定阶段和探测实施阶段；

④读取鉴定证数据文件；

⑤控制计算机从原始数据中提取原始角度距离数据，作为当前角度距离数据；

⑥控制计算机判别是否存在角度距离故障信息，如果存在则继续执行，如果不存在则跳转到步骤⑩；

⑦控制计算机获取角度距离故障数据，更新当前角度距离数据为角度距离故障数据；

⑧选择操作模拟训练器的学员；

⑨启动模拟训练器的守候线程数组；

⑩控制计算机判别是否存在人为控制雷达天线转动的操作信息，包括通过终端软件和控制盒控制天线的操作信息，如果不存在，则跳转到步骤

控制计算机获取人为设置的角度距离数据，更新当前角度距离数据为人为设置的角度距离数据；

控制计算机获取探空数据，作为当前探空数据；

控制计算机判别是否存在探空故障信息，如果不存在，则跳转到步骤

控制计算机获取探空故障数据，更新当前探空数据为探空故障数据；

控制计算机通过串口服务器将当前角度距离数据和当前探空数据分别发送给主机柜和终端计算机；

主机柜接收到当前角度数据后，通过示波器显示角度跟踪信息；

主机柜接收到当前距离数据后，通过示波器显示距离跟踪信息；

终端计算机接收到当前角度数据后，通过放球软件显示角度监控信息；

终端计算机接收到当前距离数据后，通过放球软件显示距离监控信息；

终端计算机接收到当前探空数据后，通过放球软件显示探空监控信息。

进一步地，所述模拟方法还包括考核评分步骤，所述考核评分步骤流程如下所示：

①控制计算机获取当前登录的学员信息，并发送给终端计算机的答卷提交模块；

②终端计算机将当前登录学员信息以及答卷发送给控制计算机；

③控制计算机根据学员提交答卷内容，进行考核评分。

本发明能够得到以下有益效果：

1、本发明采用软硬结合的方式，软硬件之间实时交互，同步响应，能够实现操作方式、操作步骤、面板指示灯状态与实装雷达完全一致。通过建立雷达电磁场强度空间分布模型，能够实时计算出探空仪相对于雷达不同位置处的场强信息，雷达根据探空仪在不同位置下的场强信息，实现对探空仪的自动跟踪，与实装雷达操作完全一致。

2、本发明可以直接调用已有的高空探测资料和探空仪鉴定数据，模拟训练系统自动从中提取探空数据和球坐标数据等探测相关信息，无需人为干预，提高了系统的可操作性。

3、高空气象探测雷达模拟训练平台与高空气象探测雷达的终端软件和地面准备设备共同使用，实现对高空气象探测系统的探空仪进行地面准备、雷达操作、雷达与探空仪的配合调整操作；能够对目标的捕捉和跟踪、探测过程的监控进行全过程的模拟训练；能够模拟探空仪在基值测定和探空仪施放升空后发送给雷达的21个字节的温度、气压和湿度探空数据；能够使用实装雷达的终端数据处理软件对探测数据进行处理操作；能够进行雷达故障设置和处理训练；能够扩充模拟训练方案及相关数据资料；能够对高空气象探测雷达模拟操作过程进行效果评价并给予综合评分和成绩统计。

4、本发明采用软硬结合的模拟仿真技术，通过研究场强模拟、角度跟踪、距离跟踪、探空码数据反解、探测故障模拟等技术，达到不使用雷达实装、不释放探空气球、不产生电磁干扰即可实现对高空气象探测进行全程仿真训练的目的，达到装备的实景化训练。

附图说明

图1是现有技术中某型炮兵气象雷达模拟训练系统框架。

图2是本发明高空气象探测雷达模拟训练平台硬件组成图。

图3是本发明高空气象探测雷达模拟训练平台软件组成图。

图4是故障管理子界面。

图5是高空气象探测雷达模拟训练平台通信接口。

图6是气象数据传输流程图。

图7是考核评分数据流程图。

图8是高空气象探测雷达模拟训练平台实施流程。

图9是高空气象探测雷达模拟训练平台终端接口板框图。

图10是雷达天线方向图球坐标系示意图。

图11是等方位角和等天顶角间隔点在单位球面上投影示意图。

图12是反距离加权法示意图。

图13是雷达场强分布图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的具体参数设置等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。

如图2所示，一种高空气象探测雷达模拟训练平台，所述平台包括控制计算机以及n套模拟训练器，n为大于等于1的整数，每套模拟训练器包括主机柜、控制盒、串口服务器以及终端计算机。

控制计算机用于模拟高空气象探测雷达运行过程并将运行数据发送到模拟训练器，并接收来自模拟训练器的操作数据，由教员进行操作，实现对各模拟训练器数据的发送、接收处理，是整个模拟训练平台的核心部分；控制计算机控制雷达状态数据的产生，所述雷达状态数据包括：天线方位角、俯仰角；示波器显示，包括角跟踪亮线、测距波门、扫描基线、距离回波、基测亮线；主机柜面板指示灯状态；雷达工作故障状态(终端软件显示的故障)；发射机功率；频率；增益；斜距；是否放球；距离手自动；天控手自动；频控手自动；增益手自动；发射机开关；基测状态；摄像头视景画面，包括气球、探空仪、背景。

模拟训练器提供一个操作方法和操作步骤与实装雷达完全一致的模拟环境，学员操纵模拟训练器的步骤方法与实装完全一致，模拟训练器包括主机柜、控制盒、串口服务器以及终端计算机。其中：

主机柜负责面板上各硬件按钮操作、面板指示灯状态的模拟。主机柜面板完全采用实装雷达的结构，其包括主控分机、显示分机、驱动分机以及终端接口板，其中主控分机负责各按钮状态、指示灯状态的数据采集与控制显示；显示分机用于控制示波器角跟踪波形、距离跟踪波形的输出，完成示波器四条亮线和距离跟踪信号的模拟显示；驱动分机用于接收控制盒的手柄转动信息，进而转换为对雷达天线方位角、仰角的控制；终端接口板实现主机柜内部各分机信号(按钮、指示灯状态)的模拟；

控制盒接收学员对控制盒手柄上、下、左、右四个方向的转动信息；

终端计算机主要完成探测准备阶段数据录入，探测过程数据的接收、监控与处理等操作；

串口服务器负责将主机柜、终端计算机上的串口端口转换成网口地址，便于进行数据交互。

所述模拟训练平台还包括交换机以及通信电缆，用于所述模拟训练器与所述控制计算机之间的通信。

高空气象探测雷达模拟训练平台采取分布式结构，如图3所示，软件部署在控制计算机和终端计算机上，其中控制计算机部署控制软件，终端计算机部署终端软件，终端软件包括放球软件、数据处理软件、模拟摄像头软件和答卷提交软件共四个软件。控制计算机运行所述控制软件，用于模拟大气状态、雷达跟踪情况、示波器跟踪亮线、距离波门显示等所有高空气象探测雷达运行过程中使用的数据。多套训练器的终端计算机分别运行终端软件，供学员完成训练内容。

所述控制软件部署在控制计算机上，实现对各模拟训练器数据发送、接收的处理等，其包括施放参数设置模块、故障参数设置模块、数据处理模块、数据发送模块、数据接收模块、班级管理模块、教员管理模块、学员管理模块和考核评分模块，其中参数设置模块负责对气球施放的各参数进行设置，包括选择探测原始资料、选择鉴定数据资料、设置基值测定数据、数据发送间隔等；故障参数设置模块包括故障类型的选择和故障发生时间的设置，故障类型包括静态故障和动态故障，静态故障如某指示灯异常，动态故障如丢球、信号干扰、距离丢失、数据异常、气球爆炸等；数据处理模块负责对数据接收模块接收到的信息进行处理，并计算出需要发送的数据，交由数据发送模块发送给对应的模拟训练器；数据发送模块负责将气象要素值、气球位置信息发送给终端计算机，以及将雷达状态信息发送给主机柜和终端计算机；数据接收模块用于接收对主机柜、终端软件、控制盒的操作信息并进行处理；班级管理模块负责对班级进行增加、修改、删除操作；教员管理模块负责对教员信息进行增加、修改、删除操作，并设置教员所带班级信息；学员管理模块负责对学员进行增加、修改、删除操作，并设置学员所属的班级信息；考核评分模块负责对终端计算机提交的答卷进行评分。

所述故障参数设置模块中，可设置的故障包括动态故障与静态故障，动态故障为放球过程中出现的故障，静态故障是雷达开机过程中出现的故障，模拟训练平台设定：放球后，静态故障自动消失，不能带故障施放探空仪。

在菜单栏或者工具栏中点击“故障管理”按钮可进入故障管理子界面，如图4所示：

本界面左侧列表框内是放球过程中将出现的动态故障，共有探空飞点、信号不稳、跟踪丢球和距离回波丢失四类，分别说明如下：

探空飞点：从设定的时间点开始连续出现3秒的探空飞点(即异常探空数据)，由于探空数据的发送间隔为1.3秒左右，因此设置1次探空飞点故障，可能存在2-3个探空飞点数据。

信号不稳：从设定的时间点开始出现随机的呈正弦起伏的4条亮线信号，同时出现探空数据丢失现象，持续时间约为45秒。

跟踪丢球：在设定的时间点开始，雷达天线的方位和俯仰出现随机的较大变化，此故障将导致雷达角跟踪产生异常从而出现丢球现象。

距离回波丢失：在设定的时间点出现距离回波丢失的故障，即跟踪波门出现异常，距离自动跟踪失效。持续时间约为45秒，或者持续到学员发现此故障后进行拉回操作后消失(拉回是指距离波门超过300米后再被拉回，未超过300米即被拉回不立即消失)。

以上4类故障为放球过程中的动态故障，可多次重复设置，设置后点击“应用”按钮立即生效。请注意在考核过程中尽量不要在整分钟数值时设置故障，以免因为故障数据影响学兵成绩，另外故障的产生时间是随探空码一起发送的，由于探空码为非整秒发送，因此可能有约2秒的误差。

界面右侧为静态故障，包括主机柜面板灯显示故障和硬件故障，直接点击即可设置其故障状态。静态故障在放球开始前存在，一旦开始放球，静态故障消失。(不允许带故障放球)

当故障信息设置完毕之后，可以点击“保存宏”将其保存为宏配置文件，点击“导入宏”可以导入已经设置好的故障信息。

考核评分模块负责对学员的一次操作过程进行自动评分，包括评分细则、评分实现。

终端软件部署在控制计算机上，用于学员对雷达状态、数据资料进行监控与处理。包括放球软件、数据处理软件、模拟摄像头软件以及答卷提交软件，其中放球软件与数据处理软件与实装雷达完全一致，实现雷达状态、气象数据的监控与处理；模拟摄像头软件负责显示雷达摄像头的模拟图像信息；成绩提交软件用于学员提交本次探测处理后的资料以及出现的静态故障信息。

高空气象探测雷达模拟训练平台各软件、硬件的连接方式如图5所示：

高空气象探测雷达模拟训练平台包含三种网络连接方式，分别为RJ45网口、RS232串口以及专用馈线接口，控制计算机、串口服务器以及终端计算机的成绩提交软件之间采用RJ45网口方式进行通信，串口服务器与主机柜、终端计算机的模拟摄像头、放球软件间采用RS232方式进行通信，控制盒与主机柜之间通过专用馈线连接。

本发明进一步提供一种基于上述高空气象探测雷达模拟训练平台的高空气象探测模拟方法，如图6-7所示，所述高空气象探测模拟方法流程如下：

①启动控制计算机上的控制软件；

②在控制软件中选择登录教员；

③控制计算机通过配置的参数信息得到原始数据，原始数据包括三个阶段数据，分别是地面准备阶段、基值测定阶段和探测实施阶段；

④读取鉴定证数据文件；

⑤控制计算机从原始数据中提取原始角度距离数据，作为当前角度距离数据；

⑥控制计算机判别是否存在角度距离故障信息，如果存在则继续执行，如果不存在则跳转到步骤⑩；

⑦控制计算机获取角度距离故障数据，更新当前角度距离数据为角度距离故障数据；

⑧选择操作模拟训练器的学员；

⑨启动模拟训练器的守候线程数组，包括6个线程，线程名称及功能如表1所示；

⑩控制计算机判别是否存在人为控制雷达天线转动的操作信息，包括通过终端软件和控制盒控制天线的操作信息，如果不存在，则跳转到步骤

控制计算机获取人为设置的角度距离数据，更新当前角度距离数据为人为设置的角度距离数据；

控制计算机获取探空数据，作为当前探空数据；

控制计算机判别是否存在探空故障信息，如果不存在，则跳转到步骤

控制计算机获取探空故障数据，更新当前探空数据为探空故障数据；

控制计算机通过串口服务器将当前角度距离数据和当前探空数据分别发送给主机柜和终端计算机；

主机柜接收到当前角度数据后，通过示波器显示角度跟踪信息；

主机柜接收到当前距离数据后，通过示波器显示距离跟踪信息；

终端计算机接收到当前角度数据后，通过放球软件显示角度监控信息；

终端计算机接收到当前距离数据后，通过放球软件显示距离监控信息；

终端计算机接收到当前探空数据后，通过放球软件显示探空监控信息。

表1 控制软件守候线程数组信息

所述模拟方法还包括考核评分步骤，如图8所示：所述考核评分步骤流程如下所示：

①控制计算机获取当前登录的学员信息，并发送给终端计算机的答卷提交模块；

②终端计算机将当前登录学员信息以及答卷发送给控制计算机；

③控制计算机根据学员提交答卷内容，进行考核评分。

终端接口板是模拟训练器的核心硬件，采用CPU+FPGA方式，其根据高空气象探测雷达的状态生成不同的信号，生成的信号包括程序方波信号(上、下、左、右)、角距显示控制信号、粗扫触发脉冲、精扫触发脉冲、模拟产生距离回波脉冲、角跟踪信号电压、控制盒信号的采集和处理、雷达开关机开关量的检测信号和雷达状态显示灯开关量的输出信号等。实现框图如图9所示。

终端板使用RS232串口连接到串口服务器上，经由串口服务器将串口数据转换为网络数据与管理计算机进行通讯，发送主机柜面板上的按键状态和控制盒手柄电压给管理计算机，接收来自管理计算机的各控制信号控制主机柜面板上各灯的显示和示波器信号的显示。

本发明采用软硬结合的方式，硬件各按钮的操作方式、操作步骤，面板指示灯状态与实装完全一致，同时硬件各状态与模拟训练系统的各操作进行实时交互，同步响应。

各按钮的操作步骤及面板指示灯的工作状态如下：

(一)按下UPS面板上的电源键“ON”3秒钟以上，使UPS电源工作于不间断输出状态。

作用：保证雷达具有稳定的220V电压，以及市电断电后还能保证雷达工作半小时以上。

(二)接通计算机显示器和主机电源，运行“放球软件”。

作用：放球软件主要用于地面准备参数输入以及放球过程的监控。

(三)按下驱动分机上的“总电源”开关，按键上方红色指示灯亮。

作用：开启雷达的总电源。

(四)按下主控分机上“主机电源”，“主机电源”小面板上的“110V交流”红色指示灯亮，+5V、-5V、+15V、-15V、+12V绿色指示灯亮；驱动分机上“E告警”、“A告警”红色指示灯亮，总电源小面板上+15V绿色指示灯亮。

作用：为主动分机供电，主控分机主要由中放解调单元、状态显示单元、距离测量单元、终端接口单元、自检解码单元、天线控制单元、仰角数据单元、方位数据单元、主机电源等组成，这些单元在实装雷达中主要完成探空仪发送数据的接收、解码，雷达方位角仰角的控制以及距离测量等。在本模拟训练平台中这些子单元已无实际意义，仅为保持与实装的外观一致，但是主机电源按键是有作用的。

(五)接通示波器电源开关，电源指示灯亮，调整辉度、聚焦旋钮，示波器上应有清晰的四条亮线。

作用：示波器用于观察四条亮线(角度跟踪，即判断雷达是否对准探空仪)，以及距离跟踪(即获取雷达与探空仪之间的距离)。

(六)接通驱动分机上“驱动”电源开关后，按键上方红色指示灯亮，“E告警”、“A告警”红色指示灯灭，“E准备好”、“A准备好”绿色指示灯亮。

作用：用于控制雷达的方位角仰角驱动功能。

(七)接通“发射”电源开关，按键上方红色指示灯亮，+12V、+28V、+45V绿色指示灯亮。点击雷达放球软件界面上“发射机”按键，“功率”指示表应指示发射功率数值。

作用：用于开启雷达的发射功能，开启后，雷达会自动探测与探空仪之间的距离。

其中(三)至(七)为雷达主机柜的操作。

本发明结合实装雷达捕捉探空仪的方法步骤，通过建立雷达电磁场强度空间分布模型，能够实时计算出探空仪相对于雷达不同位置处的场强信息，雷达根据探空仪在不同位置下的场强信息，实现探空仪的自动跟踪，与实装雷达操作完全一致。。

雷达电磁场场强空间分布模型的建立分为以下两步：

第一步：建立雷达天线方向图模型

雷达天线立体方向图采用以O为原点的球坐标系表示(图10)，其中O为雷达天线原点，XOY为雷达天线口径面，OZ为雷达天线电轴方向；为球坐标系中一点，点P′为点P在XOY平面的投影，其中r为相对场强，θ为天顶角，为方位角(从OX方向出发，沿逆时针方向，OP′转动的角度)，OZ方向为天顶角0°，OX方向为方位角0°。

等方位角和等天顶角间隔点在球坐标单位球面上的投影点如图11所示，其中为等方位角间隔；∠AOB＝∠COD＝∠EOF，为等天顶角间隔；ABDC 4点在同一平面上，且连线为等边梯形，同理CDFE连线也为等边梯形，ABDC面与CDFE面不在同一平面。插值计算场强时，方位角和天顶角间隔为0.5°，将等边梯形ABDC和CDFE作为正方形处理，将相邻的ABDC面与CDFE面视为同一平面。

第二步：采用反距离加权法进行差值

采用反距离加权法(Inverse Distance Weight，IDW)进行插值时，将插值点到4个格网顶点的距离倒数为权的加权平均值作为插值点的场强值。IDW插值法思想是：与插值点距离最近的格网顶点对插值点场强的贡献最大，网格顶点对插值点的贡献与两点距离成反比。

由图12可见，设正方形网格4个顶点分别为A(o1，e2，f1)、B(o2，e2，f2)、C(o2，e1，f3)和D(o1，e1，f4)，o1、o2为方位角，e1、e2为天顶角，f1、f2、f3、f4为场强，P为网格内任意插值点，根据反距离加权法的定义，插值点P的相对场强为：

式(1)中，k为距离的幂，也称为拟合度，一般情况下k取值1或2；di(i∈N，1≤i≤4)为插值点P到4个网格点的“网格距离”。式(1)中网格距离di公式为：

至此，完成以雷达天线为原点的电磁场场强环境的构建。

作用：用于判断雷达是否对准探空仪。

如何捕捉探空仪的：

雷达场强如图13所示，底部中间位置为雷达天线所在位置，正上方为雷达抛物面的法线方向，实线为波束，代表雷达发射电磁波的场强大小，法线方向的波束为主瓣，其余为旁瓣，主瓣的场强要远大于旁瓣的场强。探空仪如果位于雷达法线方向上，即图示的中间正上方，则雷达馈源四个接收点强度一致，示波器四条亮线长度相同，雷达对准探空仪；如果雷达没有对准探空仪，则会有两种情况，一是探空仪位于主瓣范围内，但不是法线方向上，雷达馈源四个接收点强度不相同，示波器四条亮线长度不一致，二是探空仪位于旁瓣范围内，雷达馈源四个接收点强度很弱，示波器四条亮线长度很短或只有四个亮点。因此通过雷达场强的大小，可以判断雷达对准探空仪，从而确定探空仪在空中的方位角和仰角。

以下结合操作实例对发明进行进一步阐述

实例1：平台初次使用时配置实例(以配置一台控制计算机+2套模拟训练器为例)

第一步：将系统硬件通过相应连接方式进行互联，按照图3所示示意图连接各硬件。

第二部：配置各端口的通信地址，各终端地址配置如下：

第三步：打开控制计算机的控制软件，使用默认管理员账号“admin”和密码“123456”登录，建立账号为“张三”的教员以及相应密码，建立班级为“1班”的班级信息，并指定教员“张三”为班级“1班”的授课教员。

第四步：退出系统。

实例2：教员配置模拟模拟训练参数实例

第一步：打开控制计算机的控制软件，使用教员账号“张三”登录系统。

第二步：依次打开“管理”-“学员管理”菜单，选择班级“1班”，录入“1班”的学员信息，如姓名“学员一”，对应学号“0101”，姓名“学员二”，对应学号“0102”。

第三步：选择模拟训练器1，设置探测原始数据文件、鉴定数据文件、系统参数、故障信息，选择操作模拟训练器1的学员“学员一”。

第四步：选择模拟训练器2，设置探测原始数据文件、鉴定数据文件、系统参数、故障信息，选择操作模拟训练器1的学员“学员二”。

第五步：等待“学员一”和“学员二”进行地面准备。

实例3：学员一操作模拟训练器实例

第一步：学员一操作模拟训练器一，依次打开模拟训练器一的终端计算机、终端计算机的放球软件、主机柜电源。

第二步：学员一记录放球软件和主机柜面板上的静态故障信息。

第三步：学员一依次进行探空仪开箱、外观检查、基值测定、浸泡电池组、信号调整以及探空仪装配，完成探空仪的地面准备工作。

第四步：学员一通知教员可以进行放球操作，教员下达“准备，1...2...3...放球”的口令后，教员迅速按下控制软件中模拟训练器一的“放球”键，学员一同时按下终端计算机放球软件的“放球”键，根据模拟摄像头软件界面、示波器波形等信息，完成探空仪的捕捉。

第五步：学员一进行探测的监控，对教员“张三”设置的特定时刻出现的特定故障信息进行处理，球炸后，将雷达天线的方位角仰角转动到一定角度，退出放球软件，关闭主机柜电源。

第五步：学员一打开终端计算机数据处理软件，进行资料处理，完毕后退出数据处理软件。

第六步：学员一打开终端计算机的答卷提交软件，在界面上选择开机过程中记录的静态故障信息，选择本次探测并处理后的数据资料文件，点击“提交”按钮，将答卷信息提交给控制软件。

实例4：学员二操作模拟训练器实例

第一步：学员二操作模拟训练器二，依次打开模拟训练器二的终端计算机、终端计算机的放球软件、主机柜电源。

第二步：学员二记录放球软件和主机柜面板上的静态故障信息。

第三步：学员二依次进行探空仪开箱、外观检查、基值测定、浸泡电池组、信号调整以及探空仪装配，完成探空仪的地面准备工作。

第四步：学员二通知教员可以进行放球操作，教员下达“准备，1...2...3...放球”的口令后，教员迅速按下控制软件中模拟训练器二的“放球”键，学员二同时按下终端计算机放球软件的“放球”键，根据模拟摄像头软件界面、示波器波形等信息，完成探空仪的捕捉。

第五步：学员二进行探测的监控，对教员“张三”设置的特定时刻出现的特定故障信息进行处理，球炸后，将雷达天线的方位角仰角转动到二定角度，退出放球软件，关闭主机柜电源。

第五步：学员二打开终端计算机数据处理软件，进行资料处理，完毕后退出数据处理软件。

第六步：学员二打开终端计算机的答卷提交软件，在界面上选择开机过程中记录的静态故障信息，选择本次探测并处理后的数据资料文件，点击“提交”按钮，将答卷信息提交给控制软件。

实例5：考核评分实例

第一步：教员“张三”在控制软件中，依次点击“考评”-“评分”，在弹出的界面上，选择“学员一”提交的答卷，系统自动给出“学员一”本次探测操作的扣分项，以及最终得分。

第二步：教员“张三”在控制软件中，依次点击“考评”-“评分”，在弹出的界面上，选择“学员二”提交的答卷，系统自动给出“学员一”本次探测操作的扣分项，以及最终得分。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种高空气象探测雷达模拟训练平台，其特征在于，所述平台包括控制计算机以及多套模拟训练器；所述控制计算机模拟高空气象探测过程，其将运行数据发送到模拟训练器并接收来自模拟训练器的数据；所述模拟训练器用于提供操作方法和操作步骤与实装雷达完全一致的模拟环境，其接收来自所述控制计算机的运行数据并将学员操作信息发送至所述控制计算机。

2.根据权利要求1所述的高空气象探测雷达模拟训练平台，其特征在于，所述模拟训练器包括主机柜、控制盒、串口服务器以及终端计算机，所述主机柜的面板与实装雷达面板结构一致，所述控制盒用于接收学员对控制盒手柄上、下、左、右四个方向的转动信息；所述终端计算机用于完成探测准备阶段数据的录入，探测过程数据的接收、监控与处理。

3.根据权利要求2所述的高空气象探测雷达模拟训练平台，其特征在于，所述控制计算机上部署控制软件，用于对大气状态、探空仪及地面雷达运行过程进行模拟。

4.根据权利要求2所述的高空气象探测雷达模拟训练平台，其特征在于，所述终端计算机上部署终端软件，多套模拟训练器分别运行终端软件，供学员完成训练内容；所述终端软件包括放球软件、数据处理软件、模拟摄像头软件和答卷提交软件。

5.根据权利要求3所述的高空气象探测雷达模拟训练平台，其特征在于，所述控制软件实现对所有模拟训练器的数据发送、数据接收处理；所述控制软件包括模拟训练模块、模拟视景模块和考核评分模块。

6.根据权利要求5所述的高空气象探测雷达模拟训练平台，其特征在于，所述模拟训练模块包括施放参数设置模块、故障参数设置模块、数据发送模块、数据接收模块、数据处理模块、班级管理模块、教员管理模块以及学员管理模块；班级管理模块用于负责对班级进行增加、修改、删除操作；教员管理模块用于负责对教员信息进行增加、修改、删除操作，并设置教员所带班级信息；学员管理模块用于负责对学员进行增加、修改、删除操作，并用于设置学员所属的班级信息。

7.根据权利要求2所述的高空气象探测雷达模拟训练平台，其特征在于，所述控制计算机、所述串口服务器以及所述终端计算机的成绩提交软件之间采用RJ45网口方式进行通信，所述串口服务器与所述主机柜、所述终端计算机的模拟摄像头、放球软件间采用RS232方式进行通信，所述控制盒与所述主机柜之间通过专用馈线连接。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的高空气象探测雷达模拟训练平台的高空气象探测模拟方法，其特征在于，所述高空气象探测模拟方法流程如下：

①启动控制计算机上的控制软件；

②在控制软件中选择登录教员；

③控制计算机通过配置的参数信息得到原始数据，原始数据包括三个阶段数据，分别是地面准备阶段、基值测定阶段和探测实施阶段；

④读取鉴定证数据文件；

⑤控制计算机从原始数据中提取原始角度距离数据，作为当前角度距离数据；

⑥控制计算机判别是否存在角度距离故障信息，如果存在则继续执行，如果不存在则跳转到步骤⑩；

⑦控制计算机获取角度距离故障数据，更新当前角度距离数据为角度距离故障数据；

⑧选择操作模拟训练器的学员；

⑨启动模拟训练器的守候线程数组；

⑩控制计算机判别是否存在人为控制雷达天线转动的操作信息，包括通过终端软件和控制盒控制天线的操作信息，如果不存在，则跳转到步骤

控制计算机获取人为设置的角度距离数据，更新当前角度距离数据为人为设置的角度距离数据；

控制计算机获取探空数据，作为当前探空数据；

控制计算机判别是否存在探空故障信息，如果不存在，则跳转到步骤

控制计算机获取探空故障数据，更新当前探空数据为探空故障数据；

控制计算机通过串口服务器将当前角度距离数据和当前探空数据分别发送给主机柜和终端计算机；

主机柜接收到当前角度数据后，通过示波器显示角度跟踪信息；

主机柜接收到当前距离数据后，通过示波器显示距离跟踪信息；

终端计算机接收到当前角度数据后，通过放球软件显示角度监控信息；

终端计算机接收到当前距离数据后，通过放球软件显示距离监控信息；

终端计算机接收到当前探空数据后，通过放球软件显示探空监控信息。

9.根据权利要求8所述的高空气象探测模拟方法，其特征在于，所述模拟方法还包括考核评分步骤，所述考核评分步骤流程如下所示：

①控制计算机获取当前登录的学员信息，并发送给终端计算机的答卷提交模块；

②终端计算机将当前登录学员信息以及答卷发送给控制计算机；

③控制计算机根据学员提交答卷内容，进行考核评分。