基于计算机网络的车载电台模拟训练系统设计与实现

彭 勇, 李 勃, 尤春兰

(1. 石家庄陆军指挥学院五大队， 河北 石家庄 050084； 2. 后勤学院后勤司令部工作系， 北京 100858)

近年来，随着我军装甲机械化部队车载通信装备信息化程度日益提高，车载指挥信息系统更新较快，根据装备特点、编制结构和战法运用尽快开展战术技术训练，使指挥信息系统尽快形成战斗力，已成为装甲机械化部队信息化建设中最迫切的问题之一。但是，长期大量动用实装进行车载指挥信息系统训练，装备损耗大，保障成本高，对训练场地要求高，特别是一些新型装备操作复杂、价格昂贵，一旦误操作，还有可能造成装备的损坏等，很难保证实装训练需求[1]。随着信息技术的迅猛发展，世界各国越来越重视运用现代计算机技术、网络技术和仿真技术开展模拟训练活动。利用这些技术，研制开发基于计算机网络的车载电台模拟训练系统，相比实装训练而言，经费投入少，可靠性高，施教组训便于开展，能较好地解决部队训练的实际问题，对提高信息化条件下部队的作战能力和训练效益具有十分重要的意义。

目前，随着部队大量新装备的列装，相关的一些通信模拟训练系统也随之出现。谢铁城等[2]研制的某型电台模拟训练系统由仿真电台终端、主控计算机、有线传输网络等组成，实现了利用有线网络模拟无线语音通信的功能。陈树新等[3]研制的基于网络环境的电台模拟训练系统由主控计算机、电台模拟器、话音交换器、数据传输网络等4个分系统组成，采用实物模拟仿真技术实现了电台全部操作和响应过程的模拟。张爱民等[4]研制的战术无线电台半实物仿真系统由仿真电台、电台网管服务器、导调服务器、有线传输网络等组成，以ARM11平台和Windows CE6.0嵌入式操作系统为基础，实现了战术无线电台的通信功能。

以上基于计算机网络设计的模拟训练系统均采用单片机技术模拟实装电台，系统功能的实现均需主控计算机或网络服务器的支持，系统成本相对较高。本文采用纯软件的形式实现实装车载电台的基本操作使用训练、组网通信训练、带有一定战术背景的通信指挥训练及通信对抗训练等功能，模拟电台的操作界面和操作方式与实装车载电台完全一致，造价低廉，可靠性高，易于功能拓展，便于安装使用，可成建制、大规模用于部队的通信训练。

1 系统的设计思路及框架结构

1.1 系统的设计思路

为了使模拟训练系统具有训练成本低、仿真程度高、系统容错性好以及不产生电磁辐射等特点，系统采用现有计算机和网络技术，利用计算机模拟实装车载电台及车内通话器的外形结构、各项功能和操作效应，实现操作使用仿真，比如利用模拟电台进行开关旋钮预置、电台工作参数置定、频率更换、功率更换、电台收信与发信转换、车内外通话转换等；利用计算机网络的信息传输模式模拟实装车载电台的无线通信模式，实现语音通信仿真，比如利用模拟电台组织实施与实装车载电台相同的各级指挥网路车际之间的指挥通信练习；采用噪声模拟、随机抽样等方法构建电磁干扰模型，实现带有干扰条件的通信对抗训练，比如可根据训练需要灵活选择干扰的类型、强度和功率，对网内的模拟电台实施通信干扰；利用采编好的实景视频战术情况模拟实际战场环境和战术背景，引导各级指挥员实施带有战术背景的通信指挥训练，比如在训练准备时，依据指挥通信练习的战术想定，设计和编辑所需要的各种战场战术情况，在训练过程中适时播放，用于指导指挥员根据显示的战术情况进行灵活处置，操作使用电台、车内通话器，实施带有战术背景的指挥通信训练或带有干扰条件的通信对抗训练。这种训练模式将极大丰富和改进军事训练的手段、方式和方法，实现简单、经济、实用的训练保障，提高训练效益。

1.2 系统的框架结构

该系统主要由有线局域网络、计算机终端和模拟训练系统软件3部分组成，系统的物理结构如图1所示，各个计算机终端通过网线连接到以太网交换机组成局域网。在训练过程中，安装了模拟训练系统软件的计算机终端根据训练需要，通过调用其中的功能模块，既可以充当模拟电台，也可以充当干扰台；既可以实施单个模拟电台的操作使用训练，也可以组成不同的网路实施车内外通信训练；既可以实施带有战术背景的指挥通信训练，也可以实施带有干扰条件的通信对抗训练。

2 系统的设计方案

2.1 电台通信模块的设计

根据设计思路，电台通信模块的主要功能有2个：1)实现对电台外观及各种操作效应的仿真；2)实现对电台语音的实时采集、传输和播放的功能仿真。因此，该模块由5部分组成：人机交互逻辑控制、语音采集与处理、动态编码与数据打包、用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)组播传输、数据解包与语音播放。其框架结构如图2所示。

2.1.1 人机交互逻辑控制

系统采用Visual C++语言和计算机图形学技术，在计算机显示器上仿真实装车载电台的外观和各种操作效应。在人机交互过程中，通过触摸或鼠标点击方式来完成对模拟电台的各种操作，通过对各开关旋钮的不同状态进行参数赋值，仿真实装车载电台的逻辑控制。

图1 系统物理结构

图2 电台通信模块的框架结构

2.1.2 语音采集与处理

为了提高语音采集、处理及传输的连续性与实时性，系统采用多缓冲区技术和低级音频采集与播放技术[5]，以环形缓冲区存放已采集的语音数据，使得语音采集不发生断续，每个缓冲区的大小为628 Bytes，缓冲区数量为5个，语音数据的采样率为11 025 Hz；采用低级音频函数，允许用户直接控制音频设备，通过调用低级音频函数，可以实时地采集语音数据，并对接收到的语音数据进行播放。

系统启动后，模拟电台的语音采集端(系统利用麦克风模拟实装工作帽的送话器)始终在工作，直到模拟训练系统退出运行为止。系统对模拟语音信号进行实时不间断的采集，将模拟语音信号进行模/数转换、量化，以数字语音数据储存于语音缓冲队列中。当模拟电台处于发信状态且一个语音缓冲区已采满时，此语音缓冲区数据连同本地模拟电台状态参数交给打包模块进行数据打包。打包后的语音数据通过组播方式，广播到网络中的接收端(此时，语音的采集、发送、播放并发进行)。当模拟电台处于收信状态时，所采集的语音信号不发送、不播放。语音采集开始后的语音处理流程如图3所示。

图3 语音采集处理流程

2.1.3 动态编码与数据打包

为实现组网通信和局域网内多用户不同网路同时组网，将本地模拟电台工作种类、工作方式、信道参数、收/发状态等参数进行编码处理，按语音采集时间顺序赋予每个数据包一个帧序编码。电台参数编码、帧序编码与UDP协议头文件共同组成组播数据的报头，报头再和语音缓冲区中的语音数据组成组播数据，最后组播数据交给打包模块进行数据打包。组播数据格式如图4所示。

图4 电台通信模块组播数据格式

2.1.4 组播通信

模拟大规模分组实时语音通信网的难点是：要能够根据电台设置的参数，模拟出不同的通信信道，并且信道间既保持相互无干扰又能实现语音流畅。采用实时语音组播通信技术是一个很好的解决办法。组播通信技术实施分布式控制，把通信逻辑功能分散于各个终端(不依赖于中心控制)，以组播地址模拟电台的通信信道，通过传输封装有电台工作参数的数据包，实现工作参数相同电台之间的通信联络。采用组播通信技术，一个组播地址对应一个通信信道，整个网络可设置足够多的组播地址，这样就能够满足大规模分组组网要求。与中心控制方式相比，这种组播通信分布式控制技术的实现，使得有线网络通信更加具有无线通信点对点、终端到终端的特性，模拟通信可不受服务器的控制、网段的限制等。

组播通信技术采用UDP协议完成模拟电台的数据传输。UDP协议是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传输服务。UDP协议使用IP层提供的服务，把从应用层得到的数据从一台主机上的某个应用程序传送给网络上的另一台主机上的某个应用程序[6]。这一协议不但可以实现一点对多点的数据广播，还可以实现网内用户的分组。与基于C/S结构的传输控制协议(Transmission Control Protocol, TCP)不同，UDP协议提供无连接的数据包传输，对网络的资源占用较少，网络时延也较小，能够有效地节约网络带宽、降低网络负载。其缺点是不能完全保证数据传输的可靠性，存在语音包丢失和误传的可能性；但经过长期反复的测试，在局域网内使用UDP协议进行语音通信，其丢包和误码率都很低，完全可以胜任组播通信的需求[7-8]。

系统设置了2个封装有UDP协议的控件——NMUDP1控件和NMUDP2控件，分别负责语音数据包的发送与接收。只有模拟电台在发信状态，数据包发送部分才工作，通过调用NMUDP1控件的SendBuffer方法，将数据包以组播的方式发送到局域网上；在模拟电台开始工作后，NMUDP2控件始终处于等待接收数据包状态，当从网络上收到数据包时，激发NMUDP2收到包事件。

2.1.5 收信端数据解包与语音播放

当模拟电台收到组播数据包后，首先对数据包进行解包处理，提取报头，通过相应的通信模拟模型(如图5所示)与本地参数进行对比，以确定是否对数据进行处理。当报头与本地参数匹配时，将帧序码与语音数据存入缓冲区，缓冲区中的语音数据按帧序码进行适当排序；对于不匹配的数据包，则直接丢掉而不存入缓冲区。

图5 通信模拟模型结构

在网络接收中，当出现数据包丢失时，利用相邻语音包的自相似性，通过重播上一个语音包的方法来实现数据包丢失的恢复。采用定时处理的方法，在规定时间段内如果没收到数据，则定时器处理事件被激发，进行丢包恢复处理。

对于语音播放端而言，播放的语音可分为3种：本地的录音数据(实现耳机侧音)、从网络上接收的语音数据以及模拟实装车载电台的各种噪音数据。无论是哪种语音数据，在播放前都要存放在指定大小、指定格式的数据缓冲区中。播音时，只要将相应的数据区指针赋给标志语音数据缓冲区结构体变量的相关成员，然后调用语音低级播放API函数进行播放即可(利用耳机模拟实装工作帽的受话器)。由于存在噪音与语音的混音，因此，噪音的播放取决于本地模拟电台的静噪开关设置，当静噪开关为On时，不播放噪音；当静噪开关为Off时，播放噪音。

2.2 通信干扰模块的设计

现代战场上的电磁环境变得越来越复杂，复杂电磁环境已经成为现代战场的重要特征与突出表现。系统采用噪声模拟、随机抽样等方法，提供了一个模拟的通信干扰电磁环境，按照相关规定设置了施加干扰的方法、时间和强度等，其干扰效果与目前部队的实装干扰器材基本一致。通信干扰如图6所示。为了使模拟的干扰环境尽可能地逼真，系统对干扰信号的种类进行了区分，构建了包括调制干扰、脉冲干扰和组合干扰等在内的多种干扰类型，并按照干扰强度规则分别建立了强干扰模块、中等干扰模块和弱干扰模块。另外，根据电台俘获效应，建立了通信对抗“通”与“断”规则，营造了逼真的模拟电磁环境。

图6 通信干扰示意图

俘获效应是指在调频无线电中，当同一频率上有2个或多个无线电信号时，接收端表现出的强信号抑制弱信号的现象。根据这一原理，确定了通信对抗“通”与“断”规则，制作了4个模块，即大功率干扰模块、大功率通信模块、小功率干扰模块、小功率通信模块，这4个模块的信号强度模拟设计按此顺序从大到小依次排列，对于同一级别的通信信号，采用随机抽样的方法确定服务对象，在相同频率上赋予“干扰台”具有“功率优先”的特殊功能。具体表现是：当通信方位于“小功率”通信时，干扰台“小功率”干扰，可中断通信方的通信信号；当通信方位于“大功率”通信时，干扰台“小功率”干扰，不能中断通信方的通信信号；当通信方位于“大功率”通信时，干扰台“大功率”干扰，能够中断通信方的通信信号。

2.3 战术情况演播模块的设计

战术情况演播模块的主要功能是：采用采编过的视频短片来模拟实际战场环境和战术情况，为各级指挥员的通信指挥训练提供一个可视的虚拟战场环境，增强训练的针对性和逼真性。该模块包括训练方案的编辑与生成、训练的组织与实施2部分，如图7所示。其中，训练方案的编辑与生成的功能是：以通信指挥训练的战术想定为依据，编辑和生成所需要的各种战场情况显示方案，供训练时使用。训练的组织与实施的功能是：在通信指挥训练过程中，适时播放编辑好的视频方案，用于指导指挥员根据显示的视频战术情况操作使用模拟电台，完成车内外的通信指挥。战术情况视频画面在屏幕上置顶显示，可放大、缩小，位置可拖拽，与模拟电台集成在一起，互不影响。

图7 战术情况演播模块结构

为实现视频战术情况训练方案的编辑和生成，系统采用Visual C++语言和计算机图形学技术，设计人机交互界面和实现各种操作功能。为满足通信指挥训练的需要，系统预置了200多个视频战术情况，并采用Access数据库技术建立了视频战术情况数据库，以实现对各种视频信息和方案的存储。采用ADO.Net技术连接数据库。ADO(ActiveX Data Object)技术定义了ADO对象，使程序开发得到简化，保证了对数据库各种操作的正确性和稳定性[9]。在同一个网路内实施训练时，由主播台通过网络发出控制指令来控制网内所有终端视频战术情况的同步播放。为保证组网训练时各终端显示的战场情况同步、流畅，避免视频在线播放出现停顿、不同步等情况，系统将视频数据库分装在各显示终端，采用基于TCP/IP协议的Winsock控件来实现对各显示终端视频战术情况的同步控制。

3 系统的应用及效果

系统按照车载电台基础训练、通信指挥训练和通信对抗训练的多重需求进行了统一设计和综合研制，实现了对车载电台的操作使用方法、通信指挥功能以及通信对抗功能的逼真模拟，提高了利用现有计算机网络资源组织实施通信指挥训练和通信对抗训练的灵活性和实用性。

在模拟电台通信中，从发信方按下发信按钮开始，发信方每隔27 ms向收信方发送一个语音数据包，数据包的大小为628 Bytes。在速率为100 Mbit/s的局域网中，1 bit的数据发送占用10-8s，网络延时极小。因此，产生通话延迟的主要因素是语音信号的录音(27 ms)、播放(27 ms)过程延时和程序处理的延时。经过实际测试，通信延迟为175 ms，实时性强；并且在采样率为11 025 Hz、采用PCM方式16位量化的规格进行采样与播放时，音质达到有线电话音质，能清晰分辨出发话人的语音特征。

系统在实时语音组播技术的支持下，逼真地仿真了实装车载电台的通信功能，仿真结果表明：该系统能在几千个信道上实施定频、调频、明语及密语通信等，通信双方语音交互延时小于200 ms，实时性强；其通信方式、组网结构和通信效果与实装车载电台通信基本一致。

系统采用噪声模拟、随机抽样等方法，提供了一个模拟的通信干扰电磁环境，其干扰效果与目前部队的实装干扰器材基本一致，满足了在干扰条件下进行通信对抗训练的需求，增强了通信对抗能力。

4 结论

基于计算机网络的车载电台模拟训练系统以计算机局域网为支撑，以实时语音组播等技术为核心，以计算机图形仿真技术为手段，在计算机终端上模拟出车载电台的操作界面及实时通信的交互效果。通过局域网将相对独立的各单机模拟训练系统互联起来，构成了一个大规模、多参与者的对等式实时交互通信模拟训练系统，实现了“受训者—模拟电台—训练环境”之间的交互。系统经过长时间的开发测试，已通过专家验收并交付实际使用。经实践证明，该系统具有以下特点。

1) 综合性强。系统集车载电台的基本操作使用训练、组网通信训练、带有一定战术背景的通信指挥训练及通信对抗训练于一体，具有功能全面、模拟逼真、经济实用和安全可靠等特点。

2) 仿真性强。模拟电台严格按实装的界面、功能及操作规程进行建模和仿真，能满足分级组网、多场所、大规模、跨网段统一组织实施通信模拟训练的需求；通信干扰部分严格按相关规定构建，包括干扰方法、类型和强度在内的各种干扰模型，能满足多种干扰条件下实施通信对抗模拟训练的需求；实景视频战术情况部分按照装甲机械化部队遂行攻防战斗任务中通常要处置的战术情况进行拍摄、剪辑，用户可根据通信战术想定对视频短片进行灵活组合，制定可行的演播方案。

3) 模块化程度高。系统采用模块化和综合集成的方法进行开发建设，各模块间耦合性弱、独立性强。各模块既可单独使用，也可根据不同的训练需求进行综合、网络化使用。

4) 施教组训方便。只要具备计算机和局域网络，安装了系统软件，就可以进行训练。与实装训练相比，该系统更加经济，施教组训更加便于开展，保证了训练时间，提高了训练效果。

因此，该系统的实现在改善装甲机械化部队的通信指挥训练条件、改革训练手段、提高训练效益等诸多方面具有很强的参考价值。

参考文献：

[1] 董志明，王凯，彭文成，等. 新型指控通信装备仿真训练系统设计与实现[J]. 系统仿真学报，2010，22(1)：93-95.

[2] 谢铁城，达新宇，刘芸江，等. 某电台网络模拟训练系统的设计与实现[J]. 计算机测量与控制，2010，18(5)：1151-1153.

[3] 陈树新，温祥西，邓妍. 基于网络环境的电台模拟训练系统设计与实现[J]. 科学技术与工程，2008，8(15)：4335-4338.

[4] 张爱民，辛广辉，郑振华. 战术无线电台半实物仿真系统设计与实现[J]. 信息技术，2012(10)：144-146.

[5] 石志强，张占军，唐世庆，等. 基于C/S模型的模拟电台通信训练系统研究[J]. 装甲兵工程学院学报，2004，18(3)：54-58.

[6] 王卫红，李晓明. 计算机网络与互联网[M]. 北京：机械工业出版社，2010：150-151.

[7] 张爱民. Windows CE下的VoIP实现技术研究[J]. 单片机与嵌入式系统，2011(11)：72-73.

[8] 禹华钢，周安栋，刘宏波. 多线程语音通信在模拟电台通信中的应用[J]. 火力与指挥控制，2010，35(3)：42-45.

[9] 叶安胜，周晓清. ADO.NET通用数据库访问组件构建与应用[J]. 现代电子技术，2009(18)：102-104.