婁 旸，宋殿友

(1.南京消防士官學(xué)校，江蘇 南京 211100； 2.天津理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300384)

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消防衛(wèi)星通信便攜站模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

婁 旸1，宋殿友2

(1.南京消防士官學(xué)校，江蘇 南京 211100； 2.天津理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300384)

為適應(yīng)新時期消防部隊信息化裝備教學(xué)的需要，解決實裝衛(wèi)星通信便攜站易損壞、價格昂貴、裝備數(shù)量少、教學(xué)考核不靈活等問題，以嵌入式技術(shù)、電子信息技術(shù)及通信技術(shù)為基礎(chǔ)，采用軟硬件相結(jié)合的方式，按照實際裝備一比一研制了消防衛(wèi)星通信便攜站模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議，利用WiFi技術(shù)代替衛(wèi)星通信，將每一臺模擬裝備接入局域網(wǎng)，實現(xiàn)了實際裝備的會議音視頻傳輸功能；利用SOPC技術(shù)擴展多個串口，實現(xiàn)了單臺設(shè)備模塊間的通信功能。

衛(wèi)星便攜站；模擬訓(xùn)練；網(wǎng)絡(luò)通信；嵌入式技術(shù)

隨著我國綜合國力的不斷增強，衛(wèi)星通信已漸漸成為消防部門使用的一種重要通信保障手段[1]。近年來，衛(wèi)星通信在消防部隊應(yīng)急救援中的作用日益提升，消防衛(wèi)星通信教學(xué)和訓(xùn)練的要求也在不斷提高，但是由于消防衛(wèi)星裝備造價昂貴，裝備數(shù)量較少，在教學(xué)訓(xùn)練過程中，使用實際設(shè)備需要向相關(guān)單位申請頻率資源，而且設(shè)備數(shù)量往往不能滿足訓(xùn)練人員的需求。同時，現(xiàn)在的衛(wèi)星通信訓(xùn)練還會受到地理位置和頻率等的限制，無法在室內(nèi)組織訓(xùn)練，造成訓(xùn)練效益較低。在這種情況下，消防衛(wèi)星通信模擬訓(xùn)練設(shè)備成為一種必不可少的訓(xùn)練設(shè)備[2-3]。

消防衛(wèi)星通信便攜站是一種機動衛(wèi)星通信手段，開發(fā)和使用消防衛(wèi)星通信便攜站模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，不僅經(jīng)濟而且安全可靠。同時，該系統(tǒng)以滿足便攜站操作員的模擬訓(xùn)練為目的，能夠真實地體現(xiàn)便攜站的操作流程，包括組裝、加電啟動、建立衛(wèi)星通信鏈路、音視頻設(shè)備應(yīng)用、衛(wèi)星主機數(shù)據(jù)查詢、無線單兵圖傳設(shè)備操作和攝像機操作等，使受訓(xùn)人員通過操作模擬仿真設(shè)備，實現(xiàn)各種課目訓(xùn)練及考核。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

消防衛(wèi)星通信便攜站模擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括模擬消防衛(wèi)星通信便攜站和模擬指揮中心兩部分組成，如圖1所示。其中，模擬消防衛(wèi)星通信便攜站主要由模擬圖傳雙向語音綜合平臺(包含模擬CDM570L和模擬5975)、模擬單兵圖傳發(fā)射機、衛(wèi)星天線和模擬尋星儀四部分組成。模擬圖傳雙向語音綜合平臺實現(xiàn)采集音視頻和與指揮中心以及其他綜合平臺互傳音視頻功能，同時，內(nèi)置先進的教學(xué)監(jiān)控單元，對學(xué)員的操作流程實施記錄，并傳輸?shù)侥M指揮中心。模擬單兵圖傳發(fā)射機實現(xiàn)將攝像機的音視頻和對講機語音傳輸?shù)侥M圖傳雙向語音綜合平臺。模擬衛(wèi)星天線包括衛(wèi)星天線和模擬饋源兩部分，模擬饋源感知模擬天線對星的方位角和俯仰角，然后傳到模擬圖傳雙向語音綜合平臺，并利用模擬尋星儀檢測對星程度，完成對星訓(xùn)練。模擬指揮中心包括裝有一套具有考核和管理消防衛(wèi)星通信便攜站模擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能的軟件的PC機和路由器，它主要完成對系統(tǒng)操作者的考核和為協(xié)助訓(xùn)練而擔負固定站和指揮中心部分功能，實現(xiàn)業(yè)務(wù)通聯(lián)，其內(nèi)部的考核軟件可自動為考核對象的操作進行評判和打分，并將考核成績存入數(shù)據(jù)庫。同時，模擬指揮中心還具有設(shè)置系統(tǒng)模擬故障的功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在技術(shù)實現(xiàn)上，采取基于寬帶的TCP/IP協(xié)議，利用WiFi技術(shù)，代替實際裝備的衛(wèi)星通信[4-6]；采用高精度陀螺儀傳感器感知天線對星的方位角和俯仰角，代替了利用衛(wèi)星信號強度進行對星的過程，從而實現(xiàn)了在效果上與實裝完全一致，但可以不受地形限制，不受系統(tǒng)帶寬資源限制，室內(nèi)室外都可以展開訓(xùn)練，組織訓(xùn)練方便、快捷，訓(xùn)練成本大大降低。同時，由于消防衛(wèi)星通信便攜站模擬訓(xùn)練系統(tǒng)制作成本低，維護修理簡單，參訓(xùn)人員可以反復(fù)練習(xí)，熟練操作，從而可以提高訓(xùn)練效果。

2 樣機設(shè)計

2.1 模擬圖傳雙向語音綜合平臺

模擬圖傳雙向語音綜合平臺的設(shè)備架設(shè)計與實裝一致，模擬仿真的主要模塊為CMR5975、Vipersat CDM-570L和接口部件，包括控制通信設(shè)備、業(yè)務(wù)通信設(shè)備、寬帶調(diào)制解調(diào)單元、主機箱、按鍵、顯示屏、接頭、電源等。同時，內(nèi)置單片機控制板、工業(yè)主板、AP模塊以及WiFi模塊等電信號處理板塊，在軟件配合下實現(xiàn)具體功能。模擬圖傳雙向語音綜合平臺軟件功能主要分為兩部分，一部分基于高性能單片機實現(xiàn)，利用單片機的外圍驅(qū)動電路，通過C語言和匯編語言編程，主要實現(xiàn)按鍵、指示燈等狀態(tài)指示和邏輯控制功能，包含模擬CMR5975和模擬Vipersat CDM-570L等。另一部分軟件開發(fā)于Windows操作系統(tǒng)平臺上，主要實現(xiàn)音視頻傳輸和液晶顯示等功能：一方面，基于TCP/IP技術(shù)，利用AP模塊建立與模擬單兵圖傳發(fā)射機的音視頻傳輸通道，從而可以實現(xiàn)獲取單兵圖傳發(fā)射機傳來的信息，并可以在屏幕上顯示；另一方面，基于WiFi技術(shù)實現(xiàn)與模擬指揮中心的寬帶、窄帶和數(shù)據(jù)通信等各種功能，即可實現(xiàn)與模擬控制中心以及同類設(shè)備之間的音視頻交互，實現(xiàn)會議功能，會議界面如圖2所示。

圖2 模擬便攜站會議界面

同時，該平臺還具有教學(xué)功能。在該平臺軟件里面設(shè)置了專門的教學(xué)界面，并將常用的教學(xué)文檔和教學(xué)視頻拷貝到圖傳雙向語音綜合平臺，學(xué)員可以在該平臺下的教學(xué)界面通過液晶顯示器進行自主學(xué)習(xí)。

2.2 模擬單兵圖傳發(fā)射機

模擬單兵圖傳發(fā)射機外觀與實裝高度一致，尺寸比例為1∶1，內(nèi)置12 V/4Ah電池，能夠滿足設(shè)備連續(xù)工作2～2.5 h，若外接10 Ah電池，則可連續(xù)工作長達5～6 h；集成GPS接收機，可以通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過后方數(shù)據(jù)終端接收，實現(xiàn)人員定位和參數(shù)傳輸處理的功能。在內(nèi)部集成WiFi模塊，以實現(xiàn)和模擬語音綜合平臺音視頻傳輸。由于單兵圖傳發(fā)射機為鋰電池供電，因此采用低功耗的安卓操作系統(tǒng)作為軟件平臺，利用WiFi技術(shù)加入模擬語音綜合平臺內(nèi)的AP模塊的網(wǎng)段，從而建立通信鏈路，同時采用先進的視頻傳輸技術(shù)來模擬實現(xiàn)與模擬語音綜合平臺之間的音視頻傳輸?shù)雀鞣N功能。

2.3 模擬衛(wèi)星天線

模擬衛(wèi)星天線，由模擬天線和模擬饋源組成，采用等比例制作，實現(xiàn)外觀與實裝天線完全一致，以便實現(xiàn)對學(xué)員的拆裝訓(xùn)練。在饋源里安裝先進的陀螺儀傳感器，利用先進的陀螺儀傳感器感知天線對星的方位角和俯仰角，感知角度的誤差在±1度范圍內(nèi)，并將該數(shù)據(jù)傳送到模擬尋星儀內(nèi)的CPU，模擬尋星儀對傳來的信息進行顯示。該傳感器集成高精度的陀螺儀、加速度計、地磁場傳感器，同時，模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動態(tài)環(huán)境下準確輸出模塊的當前姿態(tài)，卡爾曼濾波的數(shù)學(xué)模型為[7]：

(1)

式(1)中，xn為n時刻陀螺儀的狀態(tài)量，yn為n時刻陀螺儀的測量量，wn為n時刻陀螺儀的輸入噪聲，vn為n時刻陀螺儀的觀測噪聲，Φnn-1為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

卡爾曼濾波模型是建立在已知隨機信號數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，適用于時變非平穩(wěn)時間序列的數(shù)字濾波。最終，該傳感器姿態(tài)測量精度可達0.01度，穩(wěn)定性極高。

2.4 模擬尋星儀

模擬尋星儀采用嵌入式技術(shù)，設(shè)計一套基于高性能微控制器的嵌入式系統(tǒng)，利用內(nèi)部控制器的串口與天線上的陀螺儀傳感器通信，實現(xiàn)了與實裝尋星儀的顯示、按鍵和尋星等完全一致的操作。

2.5 模擬指揮中心

基于Visual C++和平臺開發(fā)模擬指揮中心教學(xué)軟件系統(tǒng)，該軟件具有考核、訓(xùn)練和模擬故障功能，并將該軟件安裝在一臺高性能的具有無線路由器的計算機上，組成了模擬指揮中心。它主要完成對系統(tǒng)操作者的考核和為協(xié)助訓(xùn)練而擔負固定站和指揮中心部分功能，實現(xiàn)業(yè)務(wù)通聯(lián)，其內(nèi)部的考核軟件可自動為考核對象的操作進行評判和打分，并將考核成績存入數(shù)據(jù)庫模擬指揮中心擔負訓(xùn)練中需要的固定站、指揮中心和服務(wù)器的三重角色。訓(xùn)練功能的界面與實裝的會議終端軟件界面一致，實現(xiàn)了部分與訓(xùn)練有關(guān)的功能。在該界面下，中心可以與多個便攜站進行音視頻通聯(lián)，實現(xiàn)會議模式。實現(xiàn)方法為：所有的模擬圖傳雙向語音綜合平臺具有WiFi功能，并都處于模擬指揮中心的路由器所設(shè)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，從而建立起了互通的鏈路，在實現(xiàn)上，我們采用所有模擬圖傳雙向語音綜合平臺都單獨與模擬指揮中心音視頻通聯(lián)，然后，模擬指揮中心將從各個模擬圖傳雙向語音綜合平臺得到視頻流進行處理，并整合到一個界面上，然后再回傳給各個模擬圖傳雙向語音綜合平臺，從而實現(xiàn)了會議功能。同時，在訓(xùn)練模式下，模擬指揮中心可以設(shè)置模擬圖傳雙向語音綜合平臺所在的地理位置，從而可以在同一個地方實現(xiàn)模擬多個地方的對星訓(xùn)練過程。

考核功能采取一對多的模式，即模擬指揮中心每次可以考核多臺模擬圖傳雙向語音綜合平臺，模擬指揮中心根據(jù)模擬圖傳雙向語音綜合平臺傳來的學(xué)員考點操作信息自動打分。在考核過程中，主要完成學(xué)員考核申請應(yīng)答、考試時間設(shè)置、考核步驟打分及考核過程中學(xué)員的操作步驟顯示功能。在考核結(jié)束后，輸出考核成績界面，在考核成績界面下，可以實現(xiàn)對考核成績表的打印、頁面顯示大小、頁寬調(diào)節(jié)及翻頁等功能。

同時，模擬指揮中心還具有設(shè)置系統(tǒng)模擬故障的功能。在圖傳雙向語音綜合平臺和單兵圖傳發(fā)射機中添加故障模擬模塊，利用單片機和工控板相結(jié)合的方式，通過軟件控制實現(xiàn)模擬常見的硬件故障。當接收到模擬指揮中心發(fā)來的模擬故障命令后，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬故障。當學(xué)員正確查找、排除故障并進行反饋后，取消故障。

3 試驗測試

系統(tǒng)測試如圖3所示，消防衛(wèi)星通信便攜站模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和實裝設(shè)備進行了功能和外觀的比較測試，測試結(jié)果如表1和表2所示。

圖3 系統(tǒng)測試圖

測試項目天線拼裝設(shè)備連線對星音視頻設(shè)備應(yīng)用無線單兵圖傳設(shè)備操作結(jié)果一致一致一致一致一致

表2 外觀測試

同時，我們在實驗室內(nèi)對系統(tǒng)進行了性能測試，測試結(jié)果如表3所示，表中結(jié)果項為設(shè)備正常工作的情況。

表3 性能測試

從測試結(jié)果可知，該模擬系統(tǒng)在功能和外觀上與實際裝備一致，滿足訓(xùn)練要求，并可實現(xiàn)從模擬設(shè)備訓(xùn)練無障礙過渡到實裝設(shè)備的訓(xùn)練。同時，模擬設(shè)備性能達到了訓(xùn)練環(huán)境的要求，滿足在不同環(huán)境下的長時間訓(xùn)練考核。

4 結(jié)論

系統(tǒng)實現(xiàn)后, 其先進性和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：

4.1 基于寬帶網(wǎng)絡(luò)通信, 并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，便于系統(tǒng)進一步擴容和開發(fā)；系統(tǒng)子模塊間通過串口點對點通信，簡化了硬件結(jié)構(gòu)。

4.2 模擬系統(tǒng)外形與實裝等比例仿真且操作一致，可以無障礙過渡到實裝訓(xùn)練。

4.3 可以模擬實裝常見故障，讓學(xué)員進行故障排查訓(xùn)練，從而進一步提高學(xué)員對設(shè)備的維護能力以及應(yīng)急處理能力。

4.4 利用教學(xué)考核管理軟件在網(wǎng)絡(luò)上對學(xué)員進行考核, 使得考核更加科學(xué)合理。

目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于公安消防部隊士官學(xué)校，大大提高了課程的教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)上取得了良好效果。

[1] 丁舒羽,郭陽.衛(wèi)星通信在消防應(yīng)急中的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技,2015(5):9-11.

[2] 張德文.一種衛(wèi)星便攜站模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2014(23):28-29.

[3] 焦楷哲,程培源,劉滔,等.國外軍用虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究[J].飛航導(dǎo)彈,2013(6):61-63.

[4] 田安紅,付承彪.基于Socket的網(wǎng)絡(luò)通信過程的研究[J].曲靖師范學(xué)院學(xué)報,2013,32(6):45-47.

[5] 段守福,楊凱.機載通信模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].火力與指揮控制,2011,36(5):149-152.

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[7] 陳晨,趙文宏.基于卡爾曼濾波的MEMS陀螺儀漂移補償[J].機電工程,2013，30(3):311-313.

(責任編輯 馬 龍)

On the Design and Application Simulation Training System for Portable Fire Satellite Communication Station

LOU Yang1, SONG Dianyou2

(1.NanjingFireSergeantTrainingSchool,JiangsuProvince211100,China; 2.SchoolofElectronicsInformationEngineering,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China)

To meet the current needs of information equipment teaching of firefighting forces and to solve the problems with a mounting satellite communication portable station with a expensive price, which is easily damaged, and not flexible in teaching assessment and so on. Therefore, a simulation training system for portable fire satellite communication station was developed on the basis of embedded technology, electronic information technology and communication technology, by using the combination of software and hardware and in accordance with the real equipment. Based on the TCP/IP protocol, the system realizes the conference audio and the video transmission function of actual equipment by using WiFi technology instead of satellite communication and making each simulation-equipment connect to LAN; by using SOPC technology to expand multiple serial ports,and the communication function between single device modules is realized.

satellite portable station; simulation training; network communication; embedded technology

2016-07-23

婁旸(1982— )，女，江蘇興化人，講師，博士； 宋殿友(1980— )，男，天津人，講師，博士。

D631.6; TN927.2

A

1008-2077(2016)10-0014-04