消防卫星通信便携站模拟训练系统设计与应用

娄 旸，宋殿友

(1.南京消防士官学校，江苏 南京 211100； 2.天津理工大学 电子信息工程学院，天津 300384)



消防卫星通信便携站模拟训练系统设计与应用

娄 旸1，宋殿友2

(1.南京消防士官学校，江苏 南京 211100； 2.天津理工大学 电子信息工程学院，天津 300384)

为适应新时期消防部队信息化装备教学的需要，解决实装卫星通信便携站易损坏、价格昂贵、装备数量少、教学考核不灵活等问题，以嵌入式技术、电子信息技术及通信技术为基础，采用软硬件相结合的方式，按照实际装备一比一研制了消防卫星通信便携站模拟训练系统。系统基于TCP/IP协议，利用WiFi技术代替卫星通信，将每一台模拟装备接入局域网，实现了实际装备的会议音视频传输功能；利用SOPC技术扩展多个串口，实现了单台设备模块间的通信功能。

卫星便携站；模拟训练；网络通信；嵌入式技术

随着我国综合国力的不断增强，卫星通信已渐渐成为消防部门使用的一种重要通信保障手段[1]。近年来，卫星通信在消防部队应急救援中的作用日益提升，消防卫星通信教学和训练的要求也在不断提高，但是由于消防卫星装备造价昂贵，装备数量较少，在教学训练过程中，使用实际设备需要向相关单位申请频率资源，而且设备数量往往不能满足训练人员的需求。同时，现在的卫星通信训练还会受到地理位置和频率等的限制，无法在室内组织训练，造成训练效益较低。在这种情况下，消防卫星通信模拟训练设备成为一种必不可少的训练设备[2-3]。

消防卫星通信便携站是一种机动卫星通信手段，开发和使用消防卫星通信便携站模拟训练系统进行训练和学习，不仅经济而且安全可靠。同时，该系统以满足便携站操作员的模拟训练为目的，能够真实地体现便携站的操作流程，包括组装、加电启动、建立卫星通信链路、音视频设备应用、卫星主机数据查询、无线单兵图传设备操作和摄像机操作等，使受训人员通过操作模拟仿真设备，实现各种课目训练及考核。

1 系统组成及工作原理

消防卫星通信便携站模拟仿真训练系统主要包括模拟消防卫星通信便携站和模拟指挥中心两部分组成，如图1所示。其中，模拟消防卫星通信便携站主要由模拟图传双向语音综合平台(包含模拟CDM570L和模拟5975)、模拟单兵图传发射机、卫星天线和模拟寻星仪四部分组成。模拟图传双向语音综合平台实现采集音视频和与指挥中心以及其他综合平台互传音视频功能，同时，内置先进的教学监控单元，对学员的操作流程实施记录，并传输到模拟指挥中心。模拟单兵图传发射机实现将摄像机的音视频和对讲机语音传输到模拟图传双向语音综合平台。模拟卫星天线包括卫星天线和模拟馈源两部分，模拟馈源感知模拟天线对星的方位角和俯仰角，然后传到模拟图传双向语音综合平台，并利用模拟寻星仪检测对星程度，完成对星训练。模拟指挥中心包括装有一套具有考核和管理消防卫星通信便携站模拟训练系统功能的软件的PC机和路由器，它主要完成对系统操作者的考核和为协助训练而担负固定站和指挥中心部分功能，实现业务通联，其内部的考核软件可自动为考核对象的操作进行评判和打分，并将考核成绩存入数据库。同时，模拟指挥中心还具有设置系统模拟故障的功能。

图1 系统结构框图

在技术实现上，采取基于宽带的TCP/IP协议，利用WiFi技术，代替实际装备的卫星通信[4-6]；采用高精度陀螺仪传感器感知天线对星的方位角和俯仰角，代替了利用卫星信号强度进行对星的过程，从而实现了在效果上与实装完全一致，但可以不受地形限制，不受系统带宽资源限制，室内室外都可以展开训练，组织训练方便、快捷，训练成本大大降低。同时，由于消防卫星通信便携站模拟训练系统制作成本低，维护修理简单，参训人员可以反复练习，熟练操作，从而可以提高训练效果。

2 样机设计

2.1 模拟图传双向语音综合平台

模拟图传双向语音综合平台的设备架设计与实装一致，模拟仿真的主要模块为CMR5975、Vipersat CDM-570L和接口部件，包括控制通信设备、业务通信设备、宽带调制解调单元、主机箱、按键、显示屏、接头、电源等。同时，内置单片机控制板、工业主板、AP模块以及WiFi模块等电信号处理板块，在软件配合下实现具体功能。模拟图传双向语音综合平台软件功能主要分为两部分，一部分基于高性能单片机实现，利用单片机的外围驱动电路，通过C语言和汇编语言编程，主要实现按键、指示灯等状态指示和逻辑控制功能，包含模拟CMR5975和模拟Vipersat CDM-570L等。另一部分软件开发于Windows操作系统平台上，主要实现音视频传输和液晶显示等功能：一方面，基于TCP/IP技术，利用AP模块建立与模拟单兵图传发射机的音视频传输通道，从而可以实现获取单兵图传发射机传来的信息，并可以在屏幕上显示；另一方面，基于WiFi技术实现与模拟指挥中心的宽带、窄带和数据通信等各种功能，即可实现与模拟控制中心以及同类设备之间的音视频交互，实现会议功能，会议界面如图2所示。

图2 模拟便携站会议界面

同时，该平台还具有教学功能。在该平台软件里面设置了专门的教学界面，并将常用的教学文档和教学视频拷贝到图传双向语音综合平台，学员可以在该平台下的教学界面通过液晶显示器进行自主学习。

2.2 模拟单兵图传发射机

模拟单兵图传发射机外观与实装高度一致，尺寸比例为1∶1，内置12 V/4Ah电池，能够满足设备连续工作2～2.5 h，若外接10 Ah电池，则可连续工作长达5～6 h；集成GPS接收机，可以通过数据传输系统，通过后方数据终端接收，实现人员定位和参数传输处理的功能。在内部集成WiFi模块，以实现和模拟语音综合平台音视频传输。由于单兵图传发射机为锂电池供电，因此采用低功耗的安卓操作系统作为软件平台，利用WiFi技术加入模拟语音综合平台内的AP模块的网段，从而建立通信链路，同时采用先进的视频传输技术来模拟实现与模拟语音综合平台之间的音视频传输等各种功能。

2.3 模拟卫星天线

模拟卫星天线，由模拟天线和模拟馈源组成，采用等比例制作，实现外观与实装天线完全一致，以便实现对学员的拆装训练。在馈源里安装先进的陀螺仪传感器，利用先进的陀螺仪传感器感知天线对星的方位角和俯仰角，感知角度的误差在±1度范围内，并将该数据传送到模拟寻星仪内的CPU，模拟寻星仪对传来的信息进行显示。该传感器集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，同时，模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，卡尔曼滤波的数学模型为[7]：

(1)

式(1)中，xn为n时刻陀螺仪的状态量，yn为n时刻陀螺仪的测量量，wn为n时刻陀螺仪的输入噪声，vn为n时刻陀螺仪的观测噪声，Φnn-1为状态转移矩阵。

卡尔曼滤波模型是建立在已知随机信号数学模型的基础之上，适用于时变非平稳时间序列的数字滤波。最终，该传感器姿态测量精度可达0.01度，稳定性极高。

2.4 模拟寻星仪

模拟寻星仪采用嵌入式技术，设计一套基于高性能微控制器的嵌入式系统，利用内部控制器的串口与天线上的陀螺仪传感器通信，实现了与实装寻星仪的显示、按键和寻星等完全一致的操作。

2.5 模拟指挥中心

基于Visual C++和平台开发模拟指挥中心教学软件系统，该软件具有考核、训练和模拟故障功能，并将该软件安装在一台高性能的具有无线路由器的计算机上，组成了模拟指挥中心。它主要完成对系统操作者的考核和为协助训练而担负固定站和指挥中心部分功能，实现业务通联，其内部的考核软件可自动为考核对象的操作进行评判和打分，并将考核成绩存入数据库模拟指挥中心担负训练中需要的固定站、指挥中心和服务器的三重角色。训练功能的界面与实装的会议终端软件界面一致，实现了部分与训练有关的功能。在该界面下，中心可以与多个便携站进行音视频通联，实现会议模式。实现方法为：所有的模拟图传双向语音综合平台具有WiFi功能，并都处于模拟指挥中心的路由器所设的网络内，从而建立起了互通的链路，在实现上，我们采用所有模拟图传双向语音综合平台都单独与模拟指挥中心音视频通联，然后，模拟指挥中心将从各个模拟图传双向语音综合平台得到视频流进行处理，并整合到一个界面上，然后再回传给各个模拟图传双向语音综合平台，从而实现了会议功能。同时，在训练模式下，模拟指挥中心可以设置模拟图传双向语音综合平台所在的地理位置，从而可以在同一个地方实现模拟多个地方的对星训练过程。

考核功能采取一对多的模式，即模拟指挥中心每次可以考核多台模拟图传双向语音综合平台，模拟指挥中心根据模拟图传双向语音综合平台传来的学员考点操作信息自动打分。在考核过程中，主要完成学员考核申请应答、考试时间设置、考核步骤打分及考核过程中学员的操作步骤显示功能。在考核结束后，输出考核成绩界面，在考核成绩界面下，可以实现对考核成绩表的打印、页面显示大小、页宽调节及翻页等功能。

同时，模拟指挥中心还具有设置系统模拟故障的功能。在图传双向语音综合平台和单兵图传发射机中添加故障模拟模块，利用单片机和工控板相结合的方式，通过软件控制实现模拟常见的硬件故障。当接收到模拟指挥中心发来的模拟故障命令后，产生相应的模拟故障。当学员正确查找、排除故障并进行反馈后，取消故障。

3 试验测试

系统测试如图3所示，消防卫星通信便携站模拟训练系统和实装设备进行了功能和外观的比较测试，测试结果如表1和表2所示。

图3 系统测试图

测试项目天线拼装设备连线对星音视频设备应用无线单兵图传设备操作结果一致一致一致一致一致

表2 外观测试

同时，我们在实验室内对系统进行了性能测试，测试结果如表3所示，表中结果项为设备正常工作的情况。

表3 性能测试

从测试结果可知，该模拟系统在功能和外观上与实际装备一致，满足训练要求，并可实现从模拟设备训练无障碍过渡到实装设备的训练。同时，模拟设备性能达到了训练环境的要求，满足在不同环境下的长时间训练考核。

4 结论

系统实现后, 其先进性和优势主要体现在以下几方面：

4.1 基于宽带网络通信, 并构建数据库，便于系统进一步扩容和开发；系统子模块间通过串口点对点通信，简化了硬件结构。

4.2 模拟系统外形与实装等比例仿真且操作一致，可以无障碍过渡到实装训练。

4.3 可以模拟实装常见故障，让学员进行故障排查训练，从而进一步提高学员对设备的维护能力以及应急处理能力。

4.4 利用教学考核管理软件在网络上对学员进行考核, 使得考核更加科学合理。

目前，该系统已应用于公安消防部队士官学校，大大提高了课程的教学质量，在教学上取得了良好效果。

[1] 丁舒羽,郭阳.卫星通信在消防应急中的应用[J].无线互联科技,2015(5):9-11.

[2] 张德文.一种卫星便携站模拟训练系统设计[J].科技创新导报,2014(23):28-29.

[3] 焦楷哲,程培源,刘滔,等.国外军用虚拟训练系统研究[J].飞航导弹,2013(6):61-63.

[4] 田安红,付承彪.基于Socket的网络通信过程的研究[J].曲靖师范学院学报,2013,32(6):45-47.

[5] 段守福,杨凯.机载通信模拟训练系统的设计与实现[J].火力与指挥控制,2011,36(5):149-152.

[6] 赵冬梅.卫星通信与无线接入技术的结合应用[J].技术进展,2014(11):40-44.

[7] 陈晨,赵文宏.基于卡尔曼滤波的MEMS陀螺仪漂移补偿[J].机电工程,2013，30(3):311-313.

(责任编辑 马 龙)

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

娄旸(1982— )，女，江苏兴化人，讲师，博士； 宋殿友(1980— )，男，天津人，讲师，博士。

D631.6; TN927.2

A

1008-2077(2016)10-0014-04