航天測控模擬訓練系統(tǒng)構建方法探析

張 威，馬 宏，吳 濤

（航天工程大學電子與光學工程系，北京 101416）

航天測控系統(tǒng)是整個航天工程的重要組成部分，是航天發(fā)射、衛(wèi)星在軌長期管理、空間資源運用、變軌返回、深空探測等空間活動的天地聯(lián)系唯一手段，是進出空間、利用空間、控制空間的基本支撐，肩負著維護國家空間資產重大責任，關系著航天任務成敗與否，也是航天技術重點發(fā)展的領域之一。航天測控系統(tǒng)涉及到航天器運行的方方面面，測控系統(tǒng)設備多、運用流程復雜，對相應的崗位人員要求非常高[1]。如何更好地完成對航天測控系統(tǒng)崗位人員的訓練，是航天測控人才培養(yǎng)中面臨的一個重要問題。

為完成對航天器不同飛行階段的有效覆蓋，航天測控系統(tǒng)所涉及的部門、人員和設施設備眾多，專業(yè)技術性強，指揮協(xié)調和臨機決策難度大。若將實裝系統(tǒng)直接應用于對測控人才的培訓，需要調動大批人員、設備和物資，不但準備時間長、成本高，還會影響到測控設備的使用壽命。此外，隨著航天發(fā)射任務和在軌航天器數(shù)量的持續(xù)增加，航天測控系統(tǒng)本身的任務已十分繁重。即使在測控任務空檔期，組織訓練也存在很大的困難。此外，限于院校本身的特點，直接配備最新的測控設備用于教學訓練，從經濟、效益和設備更新上都存在不小的實現(xiàn)難度。

隨著軟硬件技術的不斷發(fā)展成熟，采用模擬仿真的方式構建航天測控模擬訓練系統(tǒng)，完成航天測控崗位訓練，給航天測控崗位人才培養(yǎng)帶來新的思路和方法[2]。航天測控模擬訓練系統(tǒng)既能夠模擬現(xiàn)有的測控設備，也具有一定的超前性，模擬即將批量應用的測控設備；既可以訓練、驗證新測控設備的使用、管理和維護方法，也可以演練、驗證新型測控任務的組織實施流程；既可以單獨進行訓練，又可以與航天發(fā)射、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星遙感等系統(tǒng)聯(lián)合訓練。

但航天測控模擬訓練系統(tǒng)的構建并不只是一比一復刻現(xiàn)有的測控系統(tǒng)，而是要針對不同的訓練對象、訓練情景、訓練目的進行建設。因此，本文針對航天測控模擬訓練系統(tǒng)構建方法進行研究，首先分析模擬訓練系統(tǒng)的構建原則，包括訓練層次、受訓對象、訓練要素等，然后對模擬訓練系統(tǒng)構建中值得優(yōu)化的問題進行探析，形成相應的結論。

1 航天測控模擬訓練系統(tǒng)建設應用原則

模擬訓練是指結合半實物仿真或計算機仿真界面等方式，利用系統(tǒng)仿真、虛擬現(xiàn)實等技術手段開展設備操作和管理等訓練，已成為提高設備、系統(tǒng)操作管理能力的有效手段。航天測控模擬訓練系統(tǒng)作為其中的一種，其系統(tǒng)復雜性、訓練層次、應用特點使其具有自身的建設應用原則。總結系統(tǒng)建設和教學應用中的實際經驗，本文認為航天測控模擬訓練系統(tǒng)的建設及應用應該遵循下述原則。

1.1 區(qū)分訓練層次

航天測控系統(tǒng)在系統(tǒng)構建時，首先要注意區(qū)分訓練層次。從美軍的模擬訓練可以看出，不同層次的模擬測控不同的能力提升。譬如在美軍通過模擬推演的演習里[3-4]，施里弗系列演習注重戰(zhàn)略層面，太空旗幟系列演習更注重戰(zhàn)術層面，而全球哨兵系列演習則更側重于提高太空態(tài)勢感知能力。因此，反觀在構建航天測控模擬訓練系統(tǒng)時，也要考慮清楚所支持的訓練層次。譬如是用于運載火箭發(fā)射時具體的無線電、光學測控崗位，還是用于航天測控網測控資源規(guī)劃管理的系統(tǒng)管理，或是應用于測控指揮員的流程訓練，或是更高層次的推演。只有定位好訓練層次，明確訓練對象后，才能進一步進行模擬訓練系統(tǒng)的架構設計。

1.2 聚焦不同崗位

航天測控模擬訓練是崗位任職訓練、相關院校航天測控專業(yè)教學訓練的重要組成部分。牢固樹立“像執(zhí)行任務一樣訓練，根據(jù)訓練執(zhí)行任務”的意識非常重要。在區(qū)分層次的基礎上，要分別考慮是重點訓練人員對測控設備的操作和應急能力，亦或是重點訓練指揮員對測控系統(tǒng)及測控網資源分配、把握、應急情況的指揮能力。因此，需要深入研究航天測控設備的主要工作參數(shù)、輸入輸出限制、主要應用方式，結合訓練對象的培養(yǎng)需求，盡可能模擬實際測控任務中可能會出現(xiàn)的情況。在面向指揮員崗位訓練時，要清楚哪些是指揮員關注的細節(jié)，而哪些是需要簡化省略的進行模擬的內容，避免出現(xiàn)系統(tǒng)大而全，導致模擬系統(tǒng)建設困難，訓練應用不方便。

1.3 注重體系思維

模擬訓練的需求非常大，尤其是對航天測控人才的培養(yǎng)[5]。但調研發(fā)現(xiàn)“煙囪”方式建立測控崗位模擬訓練系統(tǒng)無論在院校還是測控系統(tǒng)部門都普遍存在。很多測控相關的模擬訓練系統(tǒng)建設完成后，只能在本系統(tǒng)訓練，和其他系統(tǒng)沒有接口。或者即使設計有接口，卻因為多個系統(tǒng)承建單位不同，導致相互之間互聯(lián)、互通存在很大問題。實際的建設和教學經驗表明，模擬訓練系統(tǒng)要想真正完成各方向協(xié)同訓練，必須要用一體化思維規(guī)劃建設。模擬訓練系統(tǒng)要通過統(tǒng)一接口設計、預留接口設計等使其具備與其他系統(tǒng)聯(lián)動的功能，讓航天測控模擬訓練系統(tǒng)能夠與其他模擬訓練系統(tǒng)統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，能夠進行統(tǒng)籌規(guī)劃、聯(lián)合訓練，避免重復建設，資源浪費。

1.4 區(qū)分訓練階段

在建設和應用模擬訓練系統(tǒng)時，要注意針對不同的訓練層次、不同的任務目的、指揮流程研究等設計具體的訓練內容，建立類似初級、中級、高級等難度逐步遞增的訓練階段。譬如，對于崗前任職培訓、新上崗人員培訓，可以從初級階段開始進行訓練，當前訓練階段經過訓練考核評估通過后，方可進入下一個訓練階段。具有一定崗位工作經驗的受訓對象，在進行新型設備的模擬訓練時，可以考慮直接從中級或高級階段開展訓練。對于開設航天測控專業(yè)的院校教學，則可以考慮分別建設針對學歷教育、任職教育和指揮訓練的測控崗位模擬訓練系統(tǒng)。

1.5 技術手段與時俱進

與其他模擬訓練類似，航天測控模擬訓練系統(tǒng)需要解決的一個重要問題是如何保證學生具有身臨其境的感覺。要充分運用虛擬現(xiàn)實、人工智能、云服務等網絡信息技術，努力使訓練系統(tǒng)的人機交互界面更加直觀、真實，更好地貼近實際任務情況[6]。譬如，借鑒訓練系統(tǒng)建設中的L、V、C3種架構[7]，即真實訓練（Live）、虛擬模擬（Virtual Simulation）、構造模擬（Constructive Simulation）。L指真人操作真實的系統(tǒng)，即訓練人員操作能夠進行實裝操作的測控設備和指揮控制系統(tǒng)；V指真人操作模擬系統(tǒng)，即訓練人員操作模擬的航天器、測控系統(tǒng)、運載火箭等不易進行實裝訓練的裝備；C指模擬人操作模擬系統(tǒng)，真人只能進行輸入，不參與最終確定結果。此外，對于航天測控，模擬訓練既要貼近當前業(yè)界現(xiàn)狀，又要具有一定的先進性和超前性的特點。譬如，在模擬訓練系統(tǒng)中加入全空域多目標測控系統(tǒng)的模擬、巨型星座系統(tǒng)的測控模擬等。

1.6 科學評估

隨著計算機仿真技術的發(fā)展，航天測控模擬訓練的逼真度、可信度在不斷增強，且具有訓練耗費低、訓練風險小等優(yōu)點，其重要性日益凸顯。但學生利用模擬訓練系統(tǒng)完成學習后效果如何評估，成績如何判定，也是需要重點考慮的問題。公正、合理、高效的受訓人員考核評估系統(tǒng)對模擬訓練系統(tǒng)具有至關重要的意義。因此，在建設航天測控模擬訓練系統(tǒng)時，要科學合理地運用單因素評估法、綜合評估法、智能評估法等方法建立考核評估的模型[8-9]，使得評價結果能真實反應受訓者的指揮能力、操作能力和應變能力。

2 航天測控模擬訓練系統(tǒng)值得優(yōu)化的方向

2.1 加強頂層設計

對于航天測控模擬訓練系統(tǒng)這種大型的仿真系統(tǒng)，頂層設計是正確貫徹應用目標和實現(xiàn)最終部署的必要環(huán)節(jié)，也是消除建設過程中存在“臨時換方案”“走不通”“不好建、不好用”局面的重要手段。關于頂層架構設計的方法有多種，譬如體系結構法、信息資源規(guī)劃法等。這里建議采用體系結構法[10]，體系結構是航天測控模擬訓練系統(tǒng)的組成框架，它描述的是該系統(tǒng)由什么部件組成，這些部件有什么功能、部件之間有什么相互關系、系統(tǒng)與環(huán)境之間的關系。采用體系結構設計的方式，要求模訓系統(tǒng)的設計者從多個視角對系統(tǒng)的組成進行描述，譬如“計劃者視角”“所有者視角”“設計者視角”“實現(xiàn)者視角”“程序員視角”等。要清楚地描述系統(tǒng)建設過程中關于是什么、怎么做、誰來做、在哪做、什么時候做、為什么做等理論與實踐問題，最終用工程化的方法對模擬訓練系統(tǒng)進行頂層設計，產生指導性文件。

以往的經驗表明，如果在頂層設計的初期，對于系統(tǒng)的應用層次、對象界定模糊，譬如模擬訓練系統(tǒng)既要面向崗位訓練又想用于本科、研究生仿真教學，甚至有的還想兼顧科研仿真，就會得到及其復雜的系統(tǒng)設計架構。這種復雜的多功能合一的架構會使得系統(tǒng)重點不突出，后期建設過程會存在很多困難，教學應用也會特別復雜。有時甚至在建設后期不得不閹割最初設計中可有可無的功能。因此，清晰的頂層設計、優(yōu)化的體系架構，是一個好的模擬訓練系統(tǒng)建設必不可少的輸入條件。

2.2 做好質量把控

有了良好的頂層設計，航天測控模擬訓練系統(tǒng)的建設質量直接取決于軟硬件系統(tǒng)的工程實施。目前相關院校一般是申請建設經費后，通過公開招標、合同外包的方式進行模擬訓練系統(tǒng)的建設。模擬訓練系統(tǒng)項目的質量直接決定著接下來若干年的教學、演訓效果，而且在某種程度上來說也關系到人才培養(yǎng)過程的成功與否。經過調研發(fā)現(xiàn)，在各模擬訓練系統(tǒng)建設過程中，如果沒有嚴格把控質量，就會出現(xiàn)軟件細節(jié)設計不合理、測試不充分的現(xiàn)象，復雜的系統(tǒng)建設設置讓工程承接方會浮現(xiàn)“干一票就走”的負面思想。調研發(fā)現(xiàn)，很多模擬訓練系統(tǒng)后期使用中都會呈現(xiàn)這樣那樣的問題，但也都從側面反映了建設單位沒有認真、細致、負責地進行質量把控。

航天測控模擬訓練軟件從無到有的建設過程，是系統(tǒng)易用性、適配性打造的最好過程。若一開始沒有進行嚴格的質量把控，而是靠后期的修修補補，將會嚴重影響系統(tǒng)的建設質量。最終會影響到教學、崗位訓練中的用戶的實際使用感受。因此，建設方需要在測控崗位模擬訓練軟件建設過程中成立專門的質量組。分建設環(huán)節(jié)、建設內容、建設進度進行質量把控，真正使軟件建設符合頂層設計要求，軟件測試覆蓋軟件功能。

2.3 針對受訓對象量身打造

不同受訓對象的特點、人才培養(yǎng)方案、基礎知識儲備也不同。在模擬訓練系統(tǒng)設計時，要注意針對受訓對象的特點進行量身打造。經過調研發(fā)現(xiàn)，很多模擬訓練系統(tǒng)在設計、建設時，其受訓對象類型過于貪多。若某模訓系統(tǒng)既想模擬精細的測控崗位操作，又想模擬流程化的指揮訓練，就會導致模擬訓練系統(tǒng)的架構設計、建設和應用均存在困難。

對于和航天測控相關的模擬訓練系統(tǒng)，一般可以根據(jù)受訓對象將其劃分為3種類型：面向測控崗位操作的模擬訓練、面向指揮員的指揮流程模擬訓練、包含多種要素的大型推演系統(tǒng)。這3種不同的受訓對象的模擬訓練系統(tǒng)設計思路有很大的區(qū)別。

對于面向崗位操作的模擬訓練系統(tǒng)，需要注意的是如何更好地模擬實際的操作內容和環(huán)境，使得受訓者有身臨其境的感觸。受訓后再接觸相應的崗位系統(tǒng)要有了若指掌的感覺。這就要求模擬訓練系統(tǒng)需要模擬信號層的相關內容，更加注重細節(jié)處理和信息呈現(xiàn)。對于面向指揮員的流程化訓練，需要注意的是如何處理好哪些細節(jié)重點呈現(xiàn)，哪些細節(jié)采用等效方式進行模擬顯示。重點針對的是受訓者對航天測控指揮流程的把握和掌控，很多情況下不需涉及具體的信號層或連接實際設備。對于面向多要素的推演系統(tǒng)，航天測控可能只是其中的一部分支撐，這時應重點考慮任務流程和推演相關的展示，不需要模擬的內容盡可能簡化。

2.4 構建科學的模擬訓練評估體系

構建科學訓練評估體系是保障航天測控模擬訓練中質量和效益的不可少環(huán)節(jié)。航天測控模擬訓練系統(tǒng)具有體系化、技術集成度高的顯著特點，給模擬訓練的組織實施、考核評估帶來了一定的挑戰(zhàn)。科學地構建航天測控模擬訓練評估體系，是精確評價訓練效果的基礎，也是航天測控模擬訓練考核中體現(xiàn)客觀、公正的保障。在航天測控模擬訓練系統(tǒng)體系架構設計時，不僅要考慮模擬訓練的內容，還要重點考慮下述考核評估問題。

根據(jù)測控崗位、受訓對象、訓練內容設計的評估標準與指標體系，是開展模擬訓練中評估工作的基準。評估指標體系需要根據(jù)模擬訓練的側重點進行分解設計。模擬訓練的評估指標應以模擬訓練中的信息采集為依據(jù)，由上至下進行分解。指標的具體細化程度可以參考信息采集系統(tǒng)中反饋的數(shù)據(jù)精細度，同時還要便于評估人員判斷、操作。

信息采集系統(tǒng)是開展評估時信息獲取的重要手段。這里信息采集系統(tǒng)是獲取模擬訓練過程中各類信息的手段和工具的統(tǒng)稱[11]。在進行模擬訓練時，信息采集人員通過信息采集系統(tǒng)及時獲取當前受訓人員的操作、決策情況。信息采集過程要及時、準確、客觀、公正。采集的內容包括評估體系中關心的操作指令、設備狀態(tài)、人員狀態(tài)等。

合理的評估模型與方法是測控崗位模擬訓練實施評估的具體途徑。航天測控模擬訓練評估不是訓練過程中全部數(shù)據(jù)的記錄和羅列，需要突出重點，結合訓練科目，挖掘最重要和最迫切關注的數(shù)據(jù)及問題。評估要在模擬訓練中所采集各類信息、數(shù)據(jù)的基礎上，綜合運用單項評估和綜合評估、動態(tài)評估和靜態(tài)評估、結果評估和過程評估、定性評估和定量評估等方法，選取合適的評估算法模型，通過精算、細算得出訓練評估結論。目前研究較多的模型包括柯氏評估模型、云評估模型以及結構方程模型等。

3 結束語

謀劃好航天測控模擬系統(tǒng)的建設，對于培養(yǎng)受訓對象優(yōu)秀的崗位操作、指揮能力具有重要的意義。航天測控模擬訓練系統(tǒng)的建設涉及技術面廣、體系結構復雜、建設周期長。針對這一問題，本文探討了航天測控模擬訓練系統(tǒng)的建設應用原則，從訓練層次、崗位對象、建設體系、訓練階段、技術手段、評估方法等方面進行了分析。然后又對航天測控模擬訓練系統(tǒng)建設過程中值得優(yōu)化的方法、方向進行具體探討。本文提出的原則和探討結論可為業(yè)內從事模擬訓練相關的教育、訓練工作者提供理論參考。