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

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(jì)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(shí)期消防部隊(duì)信息化裝備教學(xué)的需要，解決實(shí)裝衛(wèi)星通信便攜站易損壞、價(jià)格昂貴、裝備數(shù)量少、教學(xué)考核不靈活等問(wèn)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(shí)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(tái)模擬裝備接入局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際裝備的會(huì)議音視頻傳輸功能；利用SOPC技術(shù)擴(kuò)展多個(gè)串口，實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)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(guó)綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)，衛(wèi)星通信已漸漸成為消防部門(mén)使用的一種重要通信保障手段[1]。近年來(lái)，衛(wèi)星通信在消防部隊(duì)?wèi)?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(jià)昂貴，裝備數(shù)量較少，在教學(xué)訓(xùn)練過(guò)程中，使用實(shí)際設(shè)備需要向相關(guān)單位申請(qǐng)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(shí)，現(xiàn)在的衛(wèi)星通信訓(xùn)練還會(huì)受到地理位置和頻率等的限制，無(wú)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(jī)動(dòng)衛(wèi)星通信手段，開(kāi)發(fā)和使用消防衛(wèi)星通信便攜站模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，不僅經(jīng)濟(jì)而且安全可靠。同時(shí)，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(shí)地體現(xiàn)便攜站的操作流程，包括組裝、加電啟動(dòng)、建立衛(wèi)星通信鏈路、音視頻設(shè)備應(yīng)用、衛(wèi)星主機(jī)數(shù)據(jù)查詢(xún)、無(wú)線單兵圖傳設(shè)備操作和攝像機(jī)操作等，使受訓(xùn)人員通過(guò)操作模擬仿真設(shè)備，實(shí)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(yǔ)音綜合平臺(tái)(包含模擬CDM570L和模擬5975)、模擬單兵圖傳發(fā)射機(jī)、衛(wèi)星天線和模擬尋星儀四部分組成。模擬圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)實(shí)現(xiàn)采集音視頻和與指揮中心以及其他綜合平臺(tái)互傳音視頻功能，同時(shí)，內(nèi)置先進(jìn)的教學(xué)監(jiān)控單元，對(duì)學(xué)員的操作流程實(shí)施記錄，并傳輸?shù)侥M指揮中心。模擬單兵圖傳發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)將攝像機(jī)的音視頻和對(duì)講機(jī)語(yǔ)音傳輸?shù)侥M圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)。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(duì)星的方位角和俯仰角，然后傳到模擬圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)，并利用模擬尋星儀檢測(cè)對(duì)星程度，完成對(duì)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(jī)和路由器，它主要完成對(duì)系統(tǒng)操作者的考核和為協(xié)助訓(xùn)練而擔(dān)負(fù)固定站和指揮中心部分功能，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)通聯(lián)，其內(nèi)部的考核軟件可自動(dòng)為考核對(duì)象的操作進(jìn)行評(píng)判和打分，并將考核成績(jī)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)上，采取基于寬帶的TCP/IP協(xié)議，利用WiFi技術(shù)，代替實(shí)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(duì)星的方位角和俯仰角，代替了利用衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)星的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了在效果上與實(shí)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(kāi)訓(xùn)練，組織訓(xùn)練方便、快捷，訓(xùn)練成本大大降低。同時(shí)，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(hù)修理簡(jiǎn)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(jī)設(shè)計(jì)

2.1 模擬圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)

模擬圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)的設(shè)備架設(shè)計(jì)與實(shí)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(jī)箱、按鍵、顯示屏、接頭、電源等。同時(shí)，內(nèi)置單片機(jī)控制板、工業(yè)主板、AP模塊以及WiFi模塊等電信號(hào)處理板塊，在軟件配合下實(shí)現(xiàn)具體功能。模擬圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)軟件功能主要分為兩部分，一部分基于高性能單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)的外圍驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程，主要實(shí)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(kāi)發(fā)于Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)上，主要實(shí)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(jī)的音視頻傳輸通道，從而可以實(shí)現(xiàn)獲取單兵圖傳發(fā)射機(jī)傳來(lái)的信息，并可以在屏幕上顯示；另一方面，基于WiFi技術(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)與模擬控制中心以及同類(lèi)設(shè)備之間的音視頻交互，實(shí)現(xiàn)會(huì)議功能，會(huì)議界面如圖2所示。

圖2 模擬便攜站會(huì)議界面

同時(shí)，該平臺(tái)還具有教學(xué)功能。在該平臺(tái)軟件里面設(shè)置了專(zhuān)門(mén)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(yǔ)音綜合平臺(tái)，學(xué)員可以在該平臺(tái)下的教學(xué)界面通過(guò)液晶顯示器進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

2.2 模擬單兵圖傳發(fā)射機(jī)

模擬單兵圖傳發(fā)射機(jī)外觀與實(shí)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(zhǎng)達(dá)5～6 h；集成GPS接收機(jī)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過(guò)后方數(shù)據(jù)終端接收，實(shí)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(shí)現(xiàn)和模擬語(yǔ)音綜合平臺(tái)音視頻傳輸。由于單兵圖傳發(fā)射機(jī)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(tái)，利用WiFi技術(shù)加入模擬語(yǔ)音綜合平臺(tái)內(nèi)的AP模塊的網(wǎng)段，從而建立通信鏈路，同時(shí)采用先進(jìn)的視頻傳輸技術(shù)來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)與模擬語(yǔ)音綜合平臺(tái)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(shí)現(xiàn)外觀與實(shí)裝天線完全一致，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員的拆裝訓(xùn)練。在饋源里安裝先進(jìn)的陀螺儀傳感器，利用先進(jìn)的陀螺儀傳感器感知天線對(duì)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(duì)傳來(lái)的信息進(jìn)行顯示。該傳感器集成高精度的陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器，同時(shí)，模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)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(shí)刻陀螺儀的狀態(tài)量，yn為n時(shí)刻陀螺儀的測(cè)量量，wn為n時(shí)刻陀螺儀的輸入噪聲，vn為n時(shí)刻陀螺儀的觀測(cè)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(jī)信號(hào)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，適用于時(shí)變非平穩(wěn)時(shí)間序列的數(shù)字濾波。最終，該傳感器姿態(tài)測(cè)量精度可達(dá)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(jì)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(shí)現(xiàn)了與實(shí)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(tái)開(kāi)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(tái)高性能的具有無(wú)線路由器的計(jì)算機(jī)上，組成了模擬指揮中心。它主要完成對(duì)系統(tǒng)操作者的考核和為協(xié)助訓(xùn)練而擔(dān)負(fù)固定站和指揮中心部分功能，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)通聯(lián)，其內(nèi)部的考核軟件可自動(dòng)為考核對(duì)象的操作進(jìn)行評(píng)判和打分，并將考核成績(jī)存入數(shù)據(jù)庫(kù)模擬指揮中心擔(dān)負(fù)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(shí)裝的會(huì)議終端軟件界面一致，實(shí)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(gè)便攜站進(jìn)行音視頻通聯(lián)，實(shí)現(xiàn)會(huì)議模式。實(shí)現(xiàn)方法為：所有的模擬圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)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(shí)現(xiàn)上，我們采用所有模擬圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)都單獨(dú)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(gè)模擬圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)得到視頻流進(jìn)行處理，并整合到一個(gè)界面上，然后再回傳給各個(gè)模擬圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)了會(huì)議功能。同時(shí)，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(yǔ)音綜合平臺(tái)所在的地理位置，從而可以在同一個(gè)地方實(shí)現(xiàn)模擬多個(gè)地方的對(duì)星訓(xùn)練過(guò)程。

考核功能采取一對(duì)多的模式，即模擬指揮中心每次可以考核多臺(tái)模擬圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)，模擬指揮中心根據(jù)模擬圖傳雙向語(yǔ)音綜合平臺(tái)傳來(lái)的學(xué)員考點(diǎn)操作信息自動(dòng)打分。在考核過(guò)程中，主要完成學(xué)員考核申請(qǐng)應(yīng)答、考試時(shí)間設(shè)置、考核步驟打分及考核過(guò)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(jī)界面，在考核成績(jī)界面下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)考核成績(jī)表的打印、頁(yè)面顯示大小、頁(yè)寬調(diào)節(jié)及翻頁(yè)等功能。

同時(shí)，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(yǔ)音綜合平臺(tái)和單兵圖傳發(fā)射機(jī)中添加故障模擬模塊，利用單片機(jī)和工控板相結(jié)合的方式，通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)模擬常見(jiàn)的硬件故障。當(dāng)接收到模擬指揮中心發(fā)來(lái)的模擬故障命令后，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬故障。當(dāng)學(xué)員正確查找、排除故障并進(jìn)行反饋后，取消故障。

3 試驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)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(shí)裝設(shè)備進(jìn)行了功能和外觀的比較測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

圖3 系統(tǒng)測(cè)試圖

測(cè)試項(xiàng)目天線拼裝設(shè)備連線對(duì)星音視頻設(shè)備應(yīng)用無(wú)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(cè)試

同時(shí)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示，表中結(jié)果項(xiàng)為設(shè)備正常工作的情況。

表3 性能測(cè)試

從測(cè)試結(jié)果可知，該模擬系統(tǒng)在功能和外觀上與實(shí)際裝備一致，滿足訓(xùn)練要求，并可實(shí)現(xiàn)從模擬設(shè)備訓(xùn)練無(wú)障礙過(guò)渡到實(shí)裝設(shè)備的訓(xùn)練。同時(shí)，模擬設(shè)備性能達(dá)到了訓(xùn)練環(huán)境的要求，滿足在不同環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練考核。

4 結(jié)論

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后, 其先進(jìn)性和優(yōu)勢(shì)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(kù)，便于系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)容和開(kāi)發(fā)；系統(tǒng)子模塊間通過(guò)串口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。

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

4.3 可以模擬實(shí)裝常見(jiàn)故障，讓學(xué)員進(jìn)行故障排查訓(xùn)練，從而進(jìn)一步提高學(xué)員對(duì)設(shè)備的維護(hù)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(duì)學(xué)員進(jìn)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(duì)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(yáng).衛(wèi)星通信在消防應(yīng)急中的應(yīng)用[J].無(wú)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(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2014(23):28-29.

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

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

[6] 趙冬梅.衛(wèi)星通信與無(wú)線接入技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用[J].技術(shù)進(jìn)展,2014(11):40-44.

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

(責(zé)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