衛星接收機動站模擬訓練系統的設計與實現*

楊光子鑒 劉曉光

（航天恒星科技有限公司 北京 100086）

1 引言

隨著衛星接收機動站（以下簡稱機動站）現代化程度不斷提高，技術越來越復雜［1］，對操作維護人員的能力素質要求也越來越高；單純通過理論教學或實裝系統開展業務訓練的傳統模式已經無法滿足系統化、體系化業務訓練要求。

但目前機動站大多依托實裝開展訓練業務，功能相對單一；理論教學、實裝操作、人員考核相互獨立，無法滿足教學、訓練、考核相協同的要求；而且實裝訓練無法解決對設備磨損大、人力成本投入高、訓練效果統計困難、效費比低［2］等問題。

為了推動業務訓練工作正規化建設，為參訓人員開展理論教學考核、實操訓練考核供一個實戰化訓練平臺；本文針對機動站當前及未來模擬訓練需求，設計開發了一套集理論教學、實裝操作、考核評估為一體的機動站模擬訓練系統（以下簡稱模擬訓練系統），全面提高學員理論素養和業務水平；能為動站培養基礎扎實、技術過硬的專業人才和管理人才，實現充分發揮機動站業務應用效能的目標。

2 設計需求

模擬訓練系統基于仿真與實裝相結合［3］、教學與操作相融合的思想設計，應用仿真技術、Spring MVC 等關鍵技術開發；能適應多專業、多層次、多系統的信息交互［4］接口，滿足多種應用模式和場景下的綜合訓練要求，其基本需求歸納如下：

1）能適應不同層次崗位學員的多樣化教學訓練的需求；

2）能開展裝備操作維護、故障排除診斷、系統任務流程等內容的學習訓練；

3）支持模擬訓練到實裝應用的無縫連接，便于學員迅速將學習成果轉化為實裝操作能力；

4）對外接口滿足通用性和兼容性要求，便于與其他訓練仿真系統開展業務交流。

3 系統設計

3.1 硬件組成

硬件按照部署位置分為兩類，一類部署在教學考核機房內（以下簡稱機房），另一類部署在模擬訓練方艙內（以下簡稱方艙）；機房機房和方艙之間用光纖連接實現信息交互；方艙通過信號轉接機箱內光纖配線架接入光端機，能實現和其他訓練仿真系統聯合訓練任務。

圖1 模擬訓練系統內部網絡拓撲圖

1）教學考核機房

機房是理論教學和考試的場所，適應不同層次崗位業務人員的多樣化理論學習的要求；機房按功能劃分為教學考核和業務支撐兩個功能區，不同功能區之間進行隔斷。業務支撐區內一組機柜，教學考核服務器、數據庫服務器（與方艙共用）、網絡設備等部署在機柜上；教學考核區主要包括：教師PC、學員PC、多媒體數控一體機等，機房內部布局如圖2所示。

圖2 教學考核機房內部布局圖

2）訓練考核方艙

方艙功能和布局與實裝類似，通過軟硬件結合的方式為用戶提供了貼近實裝系統的模擬訓練環境，并能仿真模擬從創建跟蹤接收計劃、天線捕獲衛星下傳信號到數據接收，并生成圖像產品的全流程。方艙為6m標準艙，艙內分為工作艙和設備艙，工作艙內右側上方安裝配電箱，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；設備艙部署兩套機柜，機柜內安裝UPS、服務器、交換機等設備。

3.2 軟件組成

模擬訓練系統的的軟件組成包括綜合管理軟件、數據管理軟件、監控管理仿真軟件、天線操控仿真軟件、天線3D 仿真軟件軟件、數據記錄仿真軟件、記錄快視仿真軟件、數據處理仿真軟件、產品生產仿真軟件、教學管理軟件、考核評估軟件，共計11個軟件配置項，如圖4所示。

綜合管理軟件主要負責完成用戶及角色權限的分配管理，根據教學計劃向學員推送教學講義和視頻課程；并能對學員的學習情況進行跟蹤和評測。

數據管理軟件主要負責對業務知識庫、試題庫、產品庫的更新、查詢、修改、刪除等操作：業務知識庫包括視頻課程、培訓講義等，為培訓任務提供知識支撐；試題庫包括試題和試卷，通過基于動態試題難度參數的智能組卷算法的設計策略［5］，為教學成果測評提供試題支撐；產品庫為模擬訓練以及任務仿真提供數據支撐。

圖3 訓練考核方艙內部布局圖

教學管理軟件主要負責提供自主學習平臺和交互式教學平臺，支持學員完成自主學習、自測考試；提供學員進出課程參與一對多的講師在線授課的通道，學員可隨時進入和離開電子課堂，學員的平臺操作界面與講師的教學講義、講板畫面保持同步。

考核評估軟件主要負責對考生的考核結果進行評估，能夠提供自動以及人工兩種方式，對考核結果進行審核，并給出相應評價；在進行團體考核后，能夠進行批量考題審核，快速完成考核結果的生成［6］。

圖4 模擬訓練系統信息流程示意圖

訓練考核分系統軟件由實裝系統軟件裁剪、移植，其大部分功能和接口與實裝系統軟件相似；實裝系統天線由天線3D 仿真軟件替代，該軟件采用Unity3D 軟件對三維天線模型進行編程，對于方位/俯仰角度、方位/俯仰轉速和運行時間實現遠程可控，從而實現天線在執行任務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構件損。

3.3 接口設計

模擬訓練系統采用TCP/IP 協議實現信息傳輸的全網絡化；其中，角色及權限信息、教考計劃、教考數據、操作錄屏、教考結果通過WebService 協議實現服務調用，仿真數據、原始數據、方位/俯仰角度和轉速通過TCP 協議傳輸，聯合訓練計劃、跟蹤接收計劃、引導文件、圖像產品通過FTP傳輸。

4 關鍵技術

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算和信號頻譜圖形仿真的基礎，因此仿真天線的位置指向及變化就具有非常重要的意義。在實際設備中，軸角編碼器將從旋轉變頻器采集的軸角信號［7］，轉化為位置信息后，通過ACU 和ADU 控制電機驅動傳動設備運轉，傳動設備將軸轉速反饋到旋轉變頻器形成閉環。天線位置反饋鏈路是按照圖5所示進行的。

圖5 訓練考核分系統位置反饋鏈路示意圖

1）天線軸系運動仿真

模擬訓練系統沒有旋轉變壓器、軸角編碼器等位置反饋及解碼系統，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］，根據實際系統的速比、實時計算的控制電壓（采用PID 算法）、系統的采樣時間，得到位置變化的關系式：

PCur=PLast+K*T*VOut

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

2）驅動器工作仿真

模擬驅動器輸出電壓：根據模擬ACU 控制軟件傳來的加電/下電、釋放/抱閘狀態，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行計算實時指向角度。

模擬天線控保邏輯：根據天線的機械角度，計算出當前天線的限位狀態，以及模擬天線在各種限位狀態下的運行狀態，如預限位時天線仍舊可以轉動，終限位時天線不能轉動。

此模塊將由一系列的輸入輸出函數組成，實現計劃如表1。

表1 模擬驅動器模塊實現方案

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。

電磁環境譜是直接從實裝設備上截取的底噪數據，當天線指向不同的區域時會有不同的數據，這些數據有著固定的點數和帶寬，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，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行合成。按照接收機顯示視窗內固定顯示1000 個點計算，也就是說，要把兩個譜都按照接收機設置的帶寬分辨率進行縮放，再按照接收機設置的頻率范圍進行裁剪，最終合成為當前接收機顯示帶寬內的頻譜。

4.3 跟蹤接收仿真

在實際裝備系統中，伺服系統接收來自跟蹤接收機解調出的誤差電壓，并將其折算成誤差角度進行跟蹤環路閉環，從而到達穩定跟蹤。在仿真系統中，由于跟蹤接收機解調算法復雜，我們采用簡單化處理，根據當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 訓練考核分系統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。方位當前位置與方位理論指向誤差為0.24°，則仿真計算出的理論誤差電壓為2V。

隨機噪聲表達式為Asin（rand*pi/180），rand 為0～360之間的隨機數，A=0.2。例如rand=45，隨機噪聲取值為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。

圖7 自動跟蹤原理示意圖

4.4 Java EE技術體系

教學考核分系統客戶端使用Google瀏覽器，免去安裝的問題，便于維護、升級和管理；數據庫選用達夢（版本），并采用入下圖所示Java EE技術體系，使得教學考核分系統能跨平臺使用。

Java EE 包括界面層、業務邏輯層、數據訪問層；界面層應用jQuery、Echarts等技術，增強瀏覽器界面可視化顯示效果及事件處理能力；數據層通過JPA、dbdeploy、pdfbox等工具對教學類數據（人員信息、教案、試題等）、過程類數據（教考情況統計等）、結果類數據（教學、考試、訓練結果等）、關系數據等進行持久化管理。

業務邏輯層采用的Spring MVC 框架是一個開放源代碼的J2EE 應用程序框架［9］，由Rod Johnson發起，是針對bean 的生命周期進行管理的輕量級容器［10］（lightweight container）。Spring 解決了開發者在J2EE 開發中遇到的許多常見的問題，提供了功能強大IOC、AOP及Web、MVC等功能［11］。

圖8 教學考核分系統Java EE結構

5 工程實現及應用

目前，模擬訓練系統已交付用戶，機房和方艙的布局如圖2和圖3所示。該系統不僅能根據學員情況，精細化制定及調整教考計劃，提高了培訓開展效率和靈活性［12］；還具備教考業務制定、過程監視、閉環追蹤及成果輸出的功能，節省了人工統計和管理的人力成本和時間成本。

此外，該系統通過軟硬件結合的方式為用戶提供了貼近實裝系統的模擬訓練環境，操作過程中能得到像實際系統一樣的人機交互真實反饋，具備成熟度高，可靠性高的特點；支持全流程、全設備、全科目、全方位的考察，得到了用戶好評。

6 結語

本文基于衛星使用方希望通過訓練培訓提升衛星接收機動站操作人員理論知識和專業技能水平的迫切需求，設計了一種集理論教學和實裝操作為一體的模擬訓練系統；該系統滿實現了以理論學習和設備實操模擬訓練相結合的目標；提高了業務人員應變能力、故障處理能力，縮短了故障響應時間；填補了衛星接收機動站裝備訓練領域缺少專業的模擬訓練系統的空白，彌補了過去只能依托于實裝開展業務訓練工作的不足。為進一步提升系統的實用性和操作性，后續可以接入VR 仿真系統以提高系統真實度；或擴展與其他訓練仿真系統的接口，實現地面系統全流程模擬訓練。