何文彥HE Wen-yan；徐婷XU Ting；張勇ZHANG Yong

（①西安航光衛(wèi)星測控技術(shù)有限公司，西安 710100；②中國人民解放軍32181 部隊，西安 710035）

0 引言

在現(xiàn)代聯(lián)合特種任務(wù)中，衛(wèi)星導(dǎo)航裝備的定位、導(dǎo)航、授時等功能發(fā)揮著越來越無可替代的作用，其保障能力的優(yōu)劣很大程度上決定了衛(wèi)星導(dǎo)航裝備的完好性和特種效能[1]，而保障能力的提升主要依靠維修訓(xùn)練培訓(xùn)[2]，因此，有效的維修訓(xùn)練手段對衛(wèi)星導(dǎo)航裝備特殊行動尤為重要。傳統(tǒng)維修訓(xùn)練依托實裝進(jìn)行，存在實裝依賴性強(qiáng)、訓(xùn)練組織難、訓(xùn)練耗損大成本高等實際問題[3]，很難適應(yīng)裝備維修保障能力發(fā)展需求。新興維修訓(xùn)練基于虛擬維修進(jìn)行[4]，雖然解決了傳統(tǒng)維修訓(xùn)練手段受制于實裝數(shù)量、訓(xùn)練場地、訓(xùn)練效益等約束，仍存在無法進(jìn)行實地、實景沉浸式維修訓(xùn)練的問題[5]，對裝備維修保障能力提升有限。針對現(xiàn)階段衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練手段的現(xiàn)實約束，本論文提出采用仿真訓(xùn)練樣機(jī)+維修訓(xùn)練軟件相結(jié)合的方式，開發(fā)一款突破傳統(tǒng)維修訓(xùn)練及新興維修訓(xùn)練局限的新型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)裝備實物拆裝訓(xùn)練、裝備內(nèi)部構(gòu)造學(xué)習(xí)、故障仿真、模塊級故障分析與排查、故障維修等維修訓(xùn)練目的，解決衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練手段落后、維修訓(xùn)練效果不佳、維修保障能力欠缺等現(xiàn)實問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

新型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)主要針對衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練設(shè)計而成，系統(tǒng)主要組成包括：仿真訓(xùn)練樣機(jī)、維修訓(xùn)練軟件。系統(tǒng)以維修訓(xùn)練軟件為核心，將維修訓(xùn)練軟件及相應(yīng)數(shù)據(jù)庫部署至服務(wù)器上，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將仿真訓(xùn)練樣機(jī)、教員PC 機(jī)、學(xué)員PC 機(jī)相連，構(gòu)成局域網(wǎng)內(nèi)新型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)，替代實裝開展裝備拆裝訓(xùn)練、裝備內(nèi)部構(gòu)造學(xué)習(xí)、模塊級故障分析與排查、故障維修等訓(xùn)練科目。新型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)布局如圖1 所示，其中，仿真訓(xùn)練樣機(jī)內(nèi)部模塊電路采用微處理器進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計，并通過RJ45 網(wǎng)口與維修訓(xùn)練軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，識別維修訓(xùn)練軟件所下發(fā)故障指令或（故障）取消指令，然后通過自身MCU 微控制器實現(xiàn)故障仿真或故障取消的功能；維修訓(xùn)練軟件是新型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)的核心操控平臺，具備指令下發(fā)功能與訓(xùn)練考核功能，用于下發(fā)指定故障指令、生成隨機(jī)考核試卷、記錄并統(tǒng)計學(xué)員考核成績等。

圖1 新型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)布局圖

2 仿真訓(xùn)練樣機(jī)原型選型與設(shè)計要求

2.1 仿真訓(xùn)練樣機(jī)原型選型

衛(wèi)星導(dǎo)航裝備主要功能是接收衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號并進(jìn)行處理，獲取導(dǎo)航電文和必要的觀測量，實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位等功能[4]，因此衛(wèi)星導(dǎo)航裝備既具有常見無線電接收設(shè)備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理衛(wèi)星微弱信號的特性，其主要構(gòu)成單元同常見無線電接收設(shè)備，均包括天線、射頻、基帶、電源等。以衛(wèi)星導(dǎo)航裝備接收衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號為例，其中，天線單元的主要功能是接收來自衛(wèi)星的導(dǎo)航信號；射頻單元的功能是將衛(wèi)星的射頻信號轉(zhuǎn)換成較低功率的中頻信號，同時將中頻信號進(jìn)行放大，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便后續(xù)進(jìn)行數(shù)字化處理；基帶處理單元主要完成對導(dǎo)航電文的解調(diào)，進(jìn)行定位解算和導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出；電源單元的主要功能是為衛(wèi)星導(dǎo)航裝備不同部分供電。衛(wèi)星導(dǎo)航裝備主要組成單元如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航裝備主要組成單元圖

在新型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)中，仿真訓(xùn)練樣機(jī)原型選型需考慮以下因素：原型所支持衛(wèi)星業(yè)務(wù)服務(wù)模式全面、原型裝備內(nèi)部組成單元及實現(xiàn)原理典型、原型裝備應(yīng)用范圍廣泛、原型裝備維修保障頻度較高等。本論文所選型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備，所支持衛(wèi)星業(yè)務(wù)服務(wù)模式覆蓋RNSS及RDSS，業(yè)務(wù)服務(wù)模式全面；主要組成單元包括天線、射頻、基帶、電源等，在裝備組成單元及實現(xiàn)原理上具有典型代表性；具備定位、導(dǎo)航、通信等全面功能，配發(fā)量大、應(yīng)用廣泛；在現(xiàn)地支援業(yè)務(wù)中維修保障頻率也較高。

2.2 仿真訓(xùn)練樣機(jī)設(shè)計要求

仿真訓(xùn)練樣機(jī)要求以選型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備為原型，通過物理仿真建立與原型1:1 比例的仿真訓(xùn)練樣機(jī)實物；仿真訓(xùn)練樣機(jī)與實裝故障形成機(jī)理吻合，可通過指定網(wǎng)口接收維修訓(xùn)練軟件所下發(fā)故障指令，能夠完成裝備拆裝訓(xùn)練、裝備內(nèi)部構(gòu)造學(xué)習(xí)、裝備故障仿真、模塊級故障分析與排查等訓(xùn)練科目[6]。仿真訓(xùn)練樣機(jī)應(yīng)遵循以下設(shè)計要求。

①物理機(jī)理1:1 仿真要求。衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修保障專業(yè)集訓(xùn)與考核比武一般涉及以下內(nèi)容：基本拆裝工具使用、裝備拆解與裝備安裝流程規(guī)范、裝備拆裝過程安全注意事項、裝備內(nèi)部構(gòu)造學(xué)習(xí)及原理掌握等。依據(jù)集訓(xùn)與比武要求，仿真訓(xùn)練樣機(jī)需與選型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備物理機(jī)理保持一致，以1:1比例進(jìn)行仿真還原，方便維修保障人員在仿真訓(xùn)練樣機(jī)與衛(wèi)星導(dǎo)航裝備實裝之間無縫切換，通過仿真訓(xùn)練樣機(jī)實物操作訓(xùn)練，使維修保障人員能夠掌握衛(wèi)星導(dǎo)航裝備內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理、熟悉各部組件之間的裝配關(guān)系、熟練使用拆裝工具進(jìn)行裝備拆解與安裝操作、熟悉裝備拆裝過程安全注意事項等，從而切實提升衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練效果，為裝備維修保障打下堅實基礎(chǔ)，有力保障衛(wèi)星導(dǎo)航裝備特種效能的發(fā)揮。②故障仿真要求。傳統(tǒng)維修訓(xùn)練過程中，衛(wèi)星導(dǎo)航裝備出現(xiàn)故障具有很大偶然性，并且故障在修復(fù)后難以重現(xiàn)，這導(dǎo)致在衛(wèi)星導(dǎo)航裝備實裝上無法系統(tǒng)開展針對各類故障的檢測訓(xùn)練及維修訓(xùn)練，一旦衛(wèi)星導(dǎo)航裝備在戰(zhàn)場使用過程中出現(xiàn)突發(fā)故障，維修保障人員在缺乏有效訓(xùn)練的情況下將難以應(yīng)對，這種情況將極大降低衛(wèi)星導(dǎo)航裝備特種效能。新型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于可仿真重現(xiàn)選型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備所有常見故障現(xiàn)象，解決傳統(tǒng)維修訓(xùn)練過程中故障出現(xiàn)具有很大偶然性的問題和無法遍歷所有常見故障現(xiàn)象的問題。

3 維修訓(xùn)練軟件設(shè)計要求及架構(gòu)

3.1 維修訓(xùn)練軟件設(shè)計要求

考慮衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練實際使用場景，維修訓(xùn)練軟件采用方便、靈活、易擴(kuò)展、易維護(hù)的B/S 架構(gòu)。維修訓(xùn)練軟件遵循面向?qū)ο笤O(shè)計原則，采用前后端分離開發(fā)模式，方便部署，服務(wù)端負(fù)責(zé)主要事務(wù)邏輯處理；前端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)渲染、交互請求、少量事務(wù)邏輯處理等。維修訓(xùn)練軟件最主要的功能是：以可視化形式為仿真訓(xùn)練樣機(jī)下發(fā)指定故障指令、生成隨機(jī)試卷完成維修訓(xùn)練考核功能[2]，因此，維修訓(xùn)練軟件應(yīng)遵循以下設(shè)計要求。

①下發(fā)指定故障指令要求。衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修過程一般是：分析故障原因、定位故障部組件、確定故障類型、拆卸故障部組件予以維修或更換，由此可見，維修過程實質(zhì)是一個定位故障、拆卸、維修、再裝配的過程。而這一系列維修步驟的前提，是衛(wèi)星導(dǎo)航裝備發(fā)生故障。仿真訓(xùn)練樣機(jī)無法自主發(fā)生故障，需要維修訓(xùn)練軟件為其下發(fā)指定故障指令，仿真訓(xùn)練樣機(jī)接收故障指令后，仿真重現(xiàn)指定故障現(xiàn)象。仿真訓(xùn)練樣機(jī)接收指定故障指令后，通過自身主控MCU 微控制器與電源單元MCU 微控制器交互，實現(xiàn)指定故障現(xiàn)象的仿真復(fù)現(xiàn)，方便維修保障人員針對性進(jìn)行常見故障現(xiàn)象的檢測訓(xùn)練及維修訓(xùn)練。因此，下發(fā)指定故障指令的要求，是維修訓(xùn)練軟件必須具備的功能。②訓(xùn)練考核要求。新型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)除了提供維修訓(xùn)練的實踐場景外，還具備訓(xùn)練考核功能，以“故障現(xiàn)象定位、故障檢測點定位、故障維修步驟規(guī)范化操作”的比武答題方式為維修保障人員排故能力提供科學(xué)量化的評估依據(jù)，達(dá)到“以考檢訓(xùn)、以考促訓(xùn)”的目的。依據(jù)維修訓(xùn)練軟件功能要求，設(shè)計其功能模塊包括：衛(wèi)星導(dǎo)航裝備管理、系統(tǒng)設(shè)置、成績管理統(tǒng)計、訓(xùn)練維修答題、考核維修答題；設(shè)計其系統(tǒng)使用角色包括：教員、學(xué)員；其中，教員具備衛(wèi)星導(dǎo)航裝備管理、系統(tǒng)設(shè)置、成績管理統(tǒng)計等功能，學(xué)員具備訓(xùn)練維修答題、考核維修答題等功能。衛(wèi)星導(dǎo)航裝備管理包括下發(fā)故障、取消故障、查找裝備、裝備狀態(tài)歸類等功能，系統(tǒng)設(shè)置包括裝備編號設(shè)置、裝備IP 設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)上報IP 設(shè)置等功能，成績管理統(tǒng)計包括考核維修出題、考核成績管理、考核詳情查看等功能，訓(xùn)練維修答題包括訓(xùn)練維修出題、訓(xùn)練維修答題、訓(xùn)練詳情查看等功能，考核維修答題包括考核維修答題、考核詳情查看等功能。維修訓(xùn)練軟件功能模塊如圖3 所示。

圖3 維修訓(xùn)練軟件功能模塊圖

3.2 維修訓(xùn)練軟件架構(gòu)

基于維修訓(xùn)練軟件所具備功能，設(shè)計其邏輯架構(gòu)包括：數(shù)據(jù)庫層、接口協(xié)議層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用展示層。其中，數(shù)據(jù)庫層是整個維修訓(xùn)練軟件中最底層、最基礎(chǔ)的部分，完成數(shù)據(jù)存儲功能和數(shù)據(jù)訪問操作，包括對數(shù)據(jù)庫配置文件的加載以及SQL語句的構(gòu)建和解析操作；接口協(xié)議層承擔(dān)維修訓(xùn)練軟件、仿真訓(xùn)練樣機(jī)兩者之間協(xié)議實現(xiàn)的橋梁，負(fù)責(zé)二者之間完成數(shù)據(jù)交互的工作，包括故障指令下發(fā)接口、故障狀態(tài)上報接口；業(yè)務(wù)邏輯層的職責(zé)是按預(yù)定的業(yè)務(wù)邏輯處理應(yīng)用展示層提交的請求，包括處理下發(fā)故障指令子層、處理故障狀態(tài)上報指令子層；應(yīng)用展示層的職責(zé)是數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，包括教員角色用戶所使用的衛(wèi)星導(dǎo)航裝備管理、系統(tǒng)設(shè)置、訓(xùn)練成績管理統(tǒng)計等界面，也包括學(xué)員角色用戶所使用的訓(xùn)練維修答題、考核維修答題等界面。維修訓(xùn)練軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 維修訓(xùn)練軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

采用新型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練測試試驗，測試內(nèi)容包括：①采用仿真訓(xùn)練樣機(jī)，進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航裝備正常工作狀態(tài)檢查訓(xùn)練，驗證是否與衛(wèi)星導(dǎo)航裝備實裝具有相同的操作效果；②采用仿真訓(xùn)練樣機(jī)，進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航裝備拆裝訓(xùn)練，驗證是否達(dá)到實裝拆裝訓(xùn)練效果；③采用仿真訓(xùn)練樣機(jī)，進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航裝備內(nèi)部構(gòu)造學(xué)習(xí)，驗證是否達(dá)到實裝內(nèi)部構(gòu)造學(xué)習(xí)效果；④利用維修訓(xùn)練軟件，為仿真訓(xùn)練樣機(jī)下發(fā)指定故障現(xiàn)象，進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航裝備故障仿真測試，驗證是否具有同實裝相同的故障現(xiàn)象；⑤采用仿真訓(xùn)練樣機(jī)，進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航裝備故障分析與排查，驗證是否具有同實裝相同的故障檢測訓(xùn)練效果；⑥采用維修訓(xùn)練軟件，驗證其是否具備隨機(jī)出題能力、訓(xùn)練答題功能、考核答題功能等。

測試結(jié)果表明，新型衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)通過對仿真訓(xùn)練樣機(jī)設(shè)計和維修訓(xùn)練軟件開發(fā)，能夠完成衛(wèi)星導(dǎo)航裝備工作狀態(tài)檢查、裝備拆裝訓(xùn)練、裝備內(nèi)部構(gòu)造學(xué)習(xí)、裝備故障現(xiàn)象仿真、故障分析與排查等維修訓(xùn)練目的，同時具備隨機(jī)出題、訓(xùn)練答題、考核答題等維修訓(xùn)練考核能力，實現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航裝備故障分析、故障判斷、故障檢測、故障排查維修等全過程智能化訓(xùn)練，解決了衛(wèi)星導(dǎo)航裝備維修訓(xùn)練手段欠缺、維修保障能力落后等現(xiàn)實問題，對提高衛(wèi)星導(dǎo)航裝備特種能力，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益和特種研究意義。