楊光子鑒 劉曉光

（航天恒星科技有限公司 北京 100086）

1 引言

隨著衛(wèi)星接收機(jī)動站（以下簡稱機(jī)動站）現(xiàn)代化程度不斷提高，技術(shù)越來越復(fù)雜［1］，對操作維護(hù)人員的能力素質(zhì)要求也越來越高；單純通過理論教學(xué)或?qū)嵮b系統(tǒng)開展業(yè)務(wù)訓(xùn)練的傳統(tǒng)模式已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)化、體系化業(yè)務(wù)訓(xùn)練要求。

但目前機(jī)動站大多依托實(shí)裝開展訓(xùn)練業(yè)務(wù)，功能相對單一；理論教學(xué)、實(shí)裝操作、人員考核相互獨(dú)立，無法滿足教學(xué)、訓(xùn)練、考核相協(xié)同的要求；而且實(shí)裝訓(xùn)練無法解決對設(shè)備磨損大、人力成本投入高、訓(xùn)練效果統(tǒng)計(jì)困難、效費(fèi)比低［2］等問題。

為了推動業(yè)務(wù)訓(xùn)練工作正規(guī)化建設(shè)，為參訓(xùn)人員開展理論教學(xué)考核、實(shí)操訓(xùn)練考核供一個實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練平臺；本文針對機(jī)動站當(dāng)前及未來模擬訓(xùn)練需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套集理論教學(xué)、實(shí)裝操作、考核評估為一體的機(jī)動站模擬訓(xùn)練系統(tǒng)（以下簡稱模擬訓(xùn)練系統(tǒng)），全面提高學(xué)員理論素養(yǎng)和業(yè)務(wù)水平；能為動站培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、技術(shù)過硬的專業(yè)人才和管理人才，實(shí)現(xiàn)充分發(fā)揮機(jī)動站業(yè)務(wù)應(yīng)用效能的目標(biāo)。

2 設(shè)計(jì)需求

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)基于仿真與實(shí)裝相結(jié)合［3］、教學(xué)與操作相融合的思想設(shè)計(jì)，應(yīng)用仿真技術(shù)、Spring MVC 等關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)；能適應(yīng)多專業(yè)、多層次、多系統(tǒng)的信息交互［4］接口，滿足多種應(yīng)用模式和場景下的綜合訓(xùn)練要求，其基本需求歸納如下：

1）能適應(yīng)不同層次崗位學(xué)員的多樣化教學(xué)訓(xùn)練的需求；

2）能開展裝備操作維護(hù)、故障排除診斷、系統(tǒng)任務(wù)流程等內(nèi)容的學(xué)習(xí)訓(xùn)練；

3）支持模擬訓(xùn)練到實(shí)裝應(yīng)用的無縫連接，便于學(xué)員迅速將學(xué)習(xí)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)裝操作能力；

4）對外接口滿足通用性和兼容性要求，便于與其他訓(xùn)練仿真系統(tǒng)開展業(yè)務(wù)交流。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件組成

硬件按照部署位置分為兩類，一類部署在教學(xué)考核機(jī)房內(nèi)（以下簡稱機(jī)房），另一類部署在模擬訓(xùn)練方艙內(nèi)（以下簡稱方艙）；機(jī)房機(jī)房和方艙之間用光纖連接實(shí)現(xiàn)信息交互；方艙通過信號轉(zhuǎn)接機(jī)箱內(nèi)光纖配線架接入光端機(jī)，能實(shí)現(xiàn)和其他訓(xùn)練仿真系統(tǒng)聯(lián)合訓(xùn)練任務(wù)。

圖1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1）教學(xué)考核機(jī)房

機(jī)房是理論教學(xué)和考試的場所，適應(yīng)不同層次崗位業(yè)務(wù)人員的多樣化理論學(xué)習(xí)的要求；機(jī)房按功能劃分為教學(xué)考核和業(yè)務(wù)支撐兩個功能區(qū)，不同功能區(qū)之間進(jìn)行隔斷。業(yè)務(wù)支撐區(qū)內(nèi)一組機(jī)柜，教學(xué)考核服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（與方艙共用）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等部署在機(jī)柜上；教學(xué)考核區(qū)主要包括：教師PC、學(xué)員PC、多媒體數(shù)控一體機(jī)等，機(jī)房內(nèi)部布局如圖2所示。

圖2 教學(xué)考核機(jī)房內(nèi)部布局圖

2）訓(xùn)練考核方艙

方艙功能和布局與實(shí)裝類似，通過軟硬件結(jié)合的方式為用戶提供了貼近實(shí)裝系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練環(huán)境，并能仿真模擬從創(chuàng)建跟蹤接收計(jì)劃、天線捕獲衛(wèi)星下傳信號到數(shù)據(jù)接收，并生成圖像產(chǎn)品的全流程。方艙為6m標(biāo)準(zhǔn)艙，艙內(nèi)分為工作艙和設(shè)備艙，工作艙內(nèi)右側(cè)上方安裝配電箱，往左依次安裝5 套顯控臺位，顯控臺包含10 臺顯示器（上下雙屏），顯控臺下各配置一套工作站；設(shè)備艙部署兩套機(jī)柜，機(jī)柜內(nèi)安裝UPS、服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備。

3.2 軟件組成

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的的軟件組成包括綜合管理軟件、數(shù)據(jù)管理軟件、監(jiān)控管理仿真軟件、天線操控仿真軟件、天線3D 仿真軟件軟件、數(shù)據(jù)記錄仿真軟件、記錄快視仿真軟件、數(shù)據(jù)處理仿真軟件、產(chǎn)品生產(chǎn)仿真軟件、教學(xué)管理軟件、考核評估軟件，共計(jì)11個軟件配置項(xiàng)，如圖4所示。

綜合管理軟件主要負(fù)責(zé)完成用戶及角色權(quán)限的分配管理，根據(jù)教學(xué)計(jì)劃向?qū)W員推送教學(xué)講義和視頻課程；并能對學(xué)員的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行跟蹤和評測。

數(shù)據(jù)管理軟件主要負(fù)責(zé)對業(yè)務(wù)知識庫、試題庫、產(chǎn)品庫的更新、查詢、修改、刪除等操作：業(yè)務(wù)知識庫包括視頻課程、培訓(xùn)講義等，為培訓(xùn)任務(wù)提供知識支撐；試題庫包括試題和試卷，通過基于動態(tài)試題難度參數(shù)的智能組卷算法的設(shè)計(jì)策略［5］，為教學(xué)成果測評提供試題支撐；產(chǎn)品庫為模擬訓(xùn)練以及任務(wù)仿真提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 訓(xùn)練考核方艙內(nèi)部布局圖

教學(xué)管理軟件主要負(fù)責(zé)提供自主學(xué)習(xí)平臺和交互式教學(xué)平臺，支持學(xué)員完成自主學(xué)習(xí)、自測考試；提供學(xué)員進(jìn)出課程參與一對多的講師在線授課的通道，學(xué)員可隨時(shí)進(jìn)入和離開電子課堂，學(xué)員的平臺操作界面與講師的教學(xué)講義、講板畫面保持同步。

考核評估軟件主要負(fù)責(zé)對考生的考核結(jié)果進(jìn)行評估，能夠提供自動以及人工兩種方式，對考核結(jié)果進(jìn)行審核，并給出相應(yīng)評價(jià)；在進(jìn)行團(tuán)體考核后，能夠進(jìn)行批量考題審核，快速完成考核結(jié)果的生成［6］。

圖4 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)信息流程示意圖

訓(xùn)練考核分系統(tǒng)軟件由實(shí)裝系統(tǒng)軟件裁剪、移植，其大部分功能和接口與實(shí)裝系統(tǒng)軟件相似；實(shí)裝系統(tǒng)天線由天線3D 仿真軟件替代，該軟件采用Unity3D 軟件對三維天線模型進(jìn)行編程，對于方位/俯仰角度、方位/俯仰轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可控，從而實(shí)現(xiàn)天線在執(zhí)行任務(wù)的各個階段的三維效果展示；且不會因人員誤操作等原因造成天線結(jié)構(gòu)件損。

3.3 接口設(shè)計(jì)

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)娜W(wǎng)絡(luò)化；其中，角色及權(quán)限信息、教考計(jì)劃、教考數(shù)據(jù)、操作錄屏、教考結(jié)果通過WebService 協(xié)議實(shí)現(xiàn)服務(wù)調(diào)用，仿真數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)、方位/俯仰角度和轉(zhuǎn)速通過TCP 協(xié)議傳輸，聯(lián)合訓(xùn)練計(jì)劃、跟蹤接收計(jì)劃、引導(dǎo)文件、圖像產(chǎn)品通過FTP傳輸。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 天線操控仿真

天線的位置指向是信號鏈路功率仿真運(yùn)算和信號頻譜圖形仿真的基礎(chǔ)，因此仿真天線的位置指向及變化就具有非常重要的意義。在實(shí)際設(shè)備中，軸角編碼器將從旋轉(zhuǎn)變頻器采集的軸角信號［7］，轉(zhuǎn)化為位置信息后，通過ACU 和ADU 控制電機(jī)驅(qū)動傳動設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，傳動設(shè)備將軸轉(zhuǎn)速反饋到旋轉(zhuǎn)變頻器形成閉環(huán)。天線位置反饋鏈路是按照圖5所示進(jìn)行的。

圖5 訓(xùn)練考核分系統(tǒng)位置反饋鏈路示意圖

1）天線軸系運(yùn)動仿真

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)變壓器、軸角編碼器等位置反饋及解碼系統(tǒng)，無法通過反饋鏈路解算天線位置。本文天線伺服原理和控制算法［8］，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的速比、實(shí)時(shí)計(jì)算的控制電壓（采用PID 算法）、系統(tǒng)的采樣時(shí)間，得到位置變化的關(guān)系式：

PCur=PLast+K*T*VOut

其中：PCur為當(dāng)前采樣周期角度；PLast為上一采樣周期角度；K 為速比，本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)取K=2°/V*S；T 為表示采樣周期，本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)取T=0.05，即50ms；VOut為表示天線控制單元輸出的控制電壓。

2）驅(qū)動器工作仿真

模擬驅(qū)動器輸出電壓：根據(jù)模擬ACU 控制軟件傳來的加電/下電、釋放/抱閘狀態(tài)，控制輸出電壓的輸出，并將輸出的電壓推送給模擬編碼器模塊進(jìn)行計(jì)算實(shí)時(shí)指向角度。

模擬天線控保邏輯：根據(jù)天線的機(jī)械角度，計(jì)算出當(dāng)前天線的限位狀態(tài)，以及模擬天線在各種限位狀態(tài)下的運(yùn)行狀態(tài)，如預(yù)限位時(shí)天線仍舊可以轉(zhuǎn)動，終限位時(shí)天線不能轉(zhuǎn)動。

此模塊將由一系列的輸入輸出函數(shù)組成，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃如表1。

表1 模擬驅(qū)動器模塊實(shí)現(xiàn)方案

4.2 信號頻譜仿真

天線仿真信號包括X 頻段仿真信號和S 頻段仿真信號，這兩種仿真信號均由底噪和接收信號合成。

電磁環(huán)境譜是直接從實(shí)裝設(shè)備上截取的底噪數(shù)據(jù)，當(dāng)天線指向不同的區(qū)域時(shí)會有不同的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有著固定的點(diǎn)數(shù)和帶寬，X 頻段帶寬一般是500MHz，S 頻段帶寬為100MHz；信號波形譜是由Matlab 仿真出來，一般是200～1000 個點(diǎn)，帶寬從0.5k～2M不等。

由于這兩種譜分辨率不同，所以不能直接合成，需要縮放到相同的分辨率再進(jìn)行合成。按照接收機(jī)顯示視窗內(nèi)固定顯示1000 個點(diǎn)計(jì)算，也就是說，要把兩個譜都按照接收機(jī)設(shè)置的帶寬分辨率進(jìn)行縮放，再按照接收機(jī)設(shè)置的頻率范圍進(jìn)行裁剪，最終合成為當(dāng)前接收機(jī)顯示帶寬內(nèi)的頻譜。

4.3 跟蹤接收仿真

在實(shí)際裝備系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)接收來自跟蹤接收機(jī)解調(diào)出的誤差電壓，并將其折算成誤差角度進(jìn)行跟蹤環(huán)路閉環(huán)，從而到達(dá)穩(wěn)定跟蹤。在仿真系統(tǒng)中，由于跟蹤接收機(jī)解調(diào)算法復(fù)雜，我們采用簡單化處理，根據(jù)當(dāng)前位置與理論指向位置的誤差，反推出誤差電壓，最后疊加一個正弦噪聲信號，得出最終的誤差信號。

圖6 訓(xùn)練考核分系統(tǒng)頻譜仿真算法流程圖

仿真工作流程舉例：約定定向靈敏度K=0.12即1mil（0.06°）出0.5V的誤差電壓。方位當(dāng)前位置與方位理論指向誤差為0.24°，則仿真計(jì)算出的理論誤差電壓為2V。

隨機(jī)噪聲表達(dá)式為Asin（rand*pi/180），rand 為0～360之間的隨機(jī)數(shù)，A=0.2。例如rand=45，隨機(jī)噪聲取值為0.2V。

疊加理論位置誤差電壓及隨即噪聲，得出最終的誤差電壓值為2.2V，最終ACU 以2.2V 誤差電壓做自跟蹤閉環(huán)。

圖7 自動跟蹤原理示意圖

4.4 Java EE技術(shù)體系

教學(xué)考核分系統(tǒng)客戶端使用Google瀏覽器，免去安裝的問題，便于維護(hù)、升級和管理；數(shù)據(jù)庫選用達(dá)夢（版本），并采用入下圖所示Java EE技術(shù)體系，使得教學(xué)考核分系統(tǒng)能跨平臺使用。

Java EE 包括界面層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層；界面層應(yīng)用jQuery、Echarts等技術(shù)，增強(qiáng)瀏覽器界面可視化顯示效果及事件處理能力；數(shù)據(jù)層通過JPA、dbdeploy、pdfbox等工具對教學(xué)類數(shù)據(jù)（人員信息、教案、試題等）、過程類數(shù)據(jù)（教考情況統(tǒng)計(jì)等）、結(jié)果類數(shù)據(jù)（教學(xué)、考試、訓(xùn)練結(jié)果等）、關(guān)系數(shù)據(jù)等進(jìn)行持久化管理。

業(yè)務(wù)邏輯層采用的Spring MVC 框架是一個開放源代碼的J2EE 應(yīng)用程序框架［9］，由Rod Johnson發(fā)起，是針對bean 的生命周期進(jìn)行管理的輕量級容器［10］（lightweight container）。Spring 解決了開發(fā)者在J2EE 開發(fā)中遇到的許多常見的問題，提供了功能強(qiáng)大IOC、AOP及Web、MVC等功能［11］。

圖8 教學(xué)考核分系統(tǒng)Java EE結(jié)構(gòu)

5 工程實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

目前，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)已交付用戶，機(jī)房和方艙的布局如圖2和圖3所示。該系統(tǒng)不僅能根據(jù)學(xué)員情況，精細(xì)化制定及調(diào)整教考計(jì)劃，提高了培訓(xùn)開展效率和靈活性［12］；還具備教考業(yè)務(wù)制定、過程監(jiān)視、閉環(huán)追蹤及成果輸出的功能，節(jié)省了人工統(tǒng)計(jì)和管理的人力成本和時(shí)間成本。

此外，該系統(tǒng)通過軟硬件結(jié)合的方式為用戶提供了貼近實(shí)裝系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練環(huán)境，操作過程中能得到像實(shí)際系統(tǒng)一樣的人機(jī)交互真實(shí)反饋，具備成熟度高，可靠性高的特點(diǎn)；支持全流程、全設(shè)備、全科目、全方位的考察，得到了用戶好評。

6 結(jié)語

本文基于衛(wèi)星使用方希望通過訓(xùn)練培訓(xùn)提升衛(wèi)星接收機(jī)動站操作人員理論知識和專業(yè)技能水平的迫切需求，設(shè)計(jì)了一種集理論教學(xué)和實(shí)裝操作為一體的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)；該系統(tǒng)滿實(shí)現(xiàn)了以理論學(xué)習(xí)和設(shè)備實(shí)操模擬訓(xùn)練相結(jié)合的目標(biāo)；提高了業(yè)務(wù)人員應(yīng)變能力、故障處理能力，縮短了故障響應(yīng)時(shí)間；填補(bǔ)了衛(wèi)星接收機(jī)動站裝備訓(xùn)練領(lǐng)域缺少專業(yè)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的空白，彌補(bǔ)了過去只能依托于實(shí)裝開展業(yè)務(wù)訓(xùn)練工作的不足。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的實(shí)用性和操作性，后續(xù)可以接入VR 仿真系統(tǒng)以提高系統(tǒng)真實(shí)度；或擴(kuò)展與其他訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的接口，實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)全流程模擬訓(xùn)練。