卫星接收机动站模拟训练系统的设计与实现*

杨光子鉴 刘晓光

（航天恒星科技有限公司 北京 100086）

1 引言

随着卫星接收机动站（以下简称机动站）现代化程度不断提高，技术越来越复杂［1］，对操作维护人员的能力素质要求也越来越高；单纯通过理论教学或实装系统开展业务训练的传统模式已经无法满足系统化、体系化业务训练要求。

但目前机动站大多依托实装开展训练业务，功能相对单一；理论教学、实装操作、人员考核相互独立，无法满足教学、训练、考核相协同的要求；而且实装训练无法解决对设备磨损大、人力成本投入高、训练效果统计困难、效费比低［2］等问题。

为了推动业务训练工作正规化建设，为参训人员开展理论教学考核、实操训练考核供一个实战化训练平台；本文针对机动站当前及未来模拟训练需求，设计开发了一套集理论教学、实装操作、考核评估为一体的机动站模拟训练系统（以下简称模拟训练系统），全面提高学员理论素养和业务水平；能为动站培养基础扎实、技术过硬的专业人才和管理人才，实现充分发挥机动站业务应用效能的目标。

2 设计需求

模拟训练系统基于仿真与实装相结合［3］、教学与操作相融合的思想设计，应用仿真技术、Spring MVC 等关键技术开发；能适应多专业、多层次、多系统的信息交互［4］接口，满足多种应用模式和场景下的综合训练要求，其基本需求归纳如下：

1）能适应不同层次岗位学员的多样化教学训练的需求；

2）能开展装备操作维护、故障排除诊断、系统任务流程等内容的学习训练；

3）支持模拟训练到实装应用的无缝连接，便于学员迅速将学习成果转化为实装操作能力；

4）对外接口满足通用性和兼容性要求，便于与其他训练仿真系统开展业务交流。

3 系统设计

3.1 硬件组成

硬件按照部署位置分为两类，一类部署在教学考核机房内（以下简称机房），另一类部署在模拟训练方舱内（以下简称方舱）；机房机房和方舱之间用光纤连接实现信息交互；方舱通过信号转接机箱内光纤配线架接入光端机，能实现和其他训练仿真系统联合训练任务。

图1 模拟训练系统内部网络拓扑图

1）教学考核机房

机房是理论教学和考试的场所，适应不同层次岗位业务人员的多样化理论学习的要求；机房按功能划分为教学考核和业务支撑两个功能区，不同功能区之间进行隔断。业务支撑区内一组机柜，教学考核服务器、数据库服务器（与方舱共用）、网络设备等部署在机柜上；教学考核区主要包括：教师PC、学员PC、多媒体数控一体机等，机房内部布局如图2所示。

图2 教学考核机房内部布局图

2）训练考核方舱

方舱功能和布局与实装类似，通过软硬件结合的方式为用户提供了贴近实装系统的模拟训练环境，并能仿真模拟从创建跟踪接收计划、天线捕获卫星下传信号到数据接收，并生成图像产品的全流程。方舱为6m标准舱，舱内分为工作舱和设备舱，工作舱内右侧上方安装配电箱，往左依次安装5 套显控台位，显控台包含10 台显示器（上下双屏），显控台下各配置一套工作站；设备舱部署两套机柜，机柜内安装UPS、服务器、交换机等设备。

3.2 软件组成

模拟训练系统的的软件组成包括综合管理软件、数据管理软件、监控管理仿真软件、天线操控仿真软件、天线3D 仿真软件软件、数据记录仿真软件、记录快视仿真软件、数据处理仿真软件、产品生产仿真软件、教学管理软件、考核评估软件，共计11个软件配置项，如图4所示。

综合管理软件主要负责完成用户及角色权限的分配管理，根据教学计划向学员推送教学讲义和视频课程；并能对学员的学习情况进行跟踪和评测。

数据管理软件主要负责对业务知识库、试题库、产品库的更新、查询、修改、删除等操作：业务知识库包括视频课程、培训讲义等，为培训任务提供知识支撑；试题库包括试题和试卷，通过基于动态试题难度参数的智能组卷算法的设计策略［5］，为教学成果测评提供试题支撑；产品库为模拟训练以及任务仿真提供数据支撑。

图3 训练考核方舱内部布局图

教学管理软件主要负责提供自主学习平台和交互式教学平台，支持学员完成自主学习、自测考试；提供学员进出课程参与一对多的讲师在线授课的通道，学员可随时进入和离开电子课堂，学员的平台操作界面与讲师的教学讲义、讲板画面保持同步。

考核评估软件主要负责对考生的考核结果进行评估，能够提供自动以及人工两种方式，对考核结果进行审核，并给出相应评价；在进行团体考核后，能够进行批量考题审核，快速完成考核结果的生成［6］。

图4 模拟训练系统信息流程示意图

训练考核分系统软件由实装系统软件裁剪、移植，其大部分功能和接口与实装系统软件相似；实装系统天线由天线3D 仿真软件替代，该软件采用Unity3D 软件对三维天线模型进行编程，对于方位/俯仰角度、方位/俯仰转速和运行时间实现远程可控，从而实现天线在执行任务的各个阶段的三维效果展示；且不会因人员误操作等原因造成天线结构件损。

3.3 接口设计

模拟训练系统采用TCP/IP 协议实现信息传输的全网络化；其中，角色及权限信息、教考计划、教考数据、操作录屏、教考结果通过WebService 协议实现服务调用，仿真数据、原始数据、方位/俯仰角度和转速通过TCP 协议传输，联合训练计划、跟踪接收计划、引导文件、图像产品通过FTP传输。

4 关键技术

4.1 天线操控仿真

天线的位置指向是信号链路功率仿真运算和信号频谱图形仿真的基础，因此仿真天线的位置指向及变化就具有非常重要的意义。在实际设备中，轴角编码器将从旋转变频器采集的轴角信号［7］，转化为位置信息后，通过ACU 和ADU 控制电机驱动传动设备运转，传动设备将轴转速反馈到旋转变频器形成闭环。天线位置反馈链路是按照图5所示进行的。

图5 训练考核分系统位置反馈链路示意图

1）天线轴系运动仿真

模拟训练系统没有旋转变压器、轴角编码器等位置反馈及解码系统，无法通过反馈链路解算天线位置。本文天线伺服原理和控制算法［8］，根据实际系统的速比、实时计算的控制电压（采用PID 算法）、系统的采样时间，得到位置变化的关系式：

PCur=PLast+K*T*VOut

其中：PCur为当前采样周期角度；PLast为上一采样周期角度；K 为速比，本系统根据实际系统取K=2°/V*S；T 为表示采样周期，本系统根据实际系统取T=0.05，即50ms；VOut为表示天线控制单元输出的控制电压。

2）驱动器工作仿真

模拟驱动器输出电压：根据模拟ACU 控制软件传来的加电/下电、释放/抱闸状态，控制输出电压的输出，并将输出的电压推送给模拟编码器模块进行计算实时指向角度。

模拟天线控保逻辑：根据天线的机械角度，计算出当前天线的限位状态，以及模拟天线在各种限位状态下的运行状态，如预限位时天线仍旧可以转动，终限位时天线不能转动。

此模块将由一系列的输入输出函数组成，实现计划如表1。

表1 模拟驱动器模块实现方案

4.2 信号频谱仿真

天线仿真信号包括X 频段仿真信号和S 频段仿真信号，这两种仿真信号均由底噪和接收信号合成。

电磁环境谱是直接从实装设备上截取的底噪数据，当天线指向不同的区域时会有不同的数据，这些数据有着固定的点数和带宽，X 频段带宽一般是500MHz，S 频段带宽为100MHz；信号波形谱是由Matlab 仿真出来，一般是200～1000 个点，带宽从0.5k～2M不等。

由于这两种谱分辨率不同，所以不能直接合成，需要缩放到相同的分辨率再进行合成。按照接收机显示视窗内固定显示1000 个点计算，也就是说，要把两个谱都按照接收机设置的带宽分辨率进行缩放，再按照接收机设置的频率范围进行裁剪，最终合成为当前接收机显示带宽内的频谱。

4.3 跟踪接收仿真

在实际装备系统中，伺服系统接收来自跟踪接收机解调出的误差电压，并将其折算成误差角度进行跟踪环路闭环，从而到达稳定跟踪。在仿真系统中，由于跟踪接收机解调算法复杂，我们采用简单化处理，根据当前位置与理论指向位置的误差，反推出误差电压，最后叠加一个正弦噪声信号，得出最终的误差信号。

图6 训练考核分系统频谱仿真算法流程图

仿真工作流程举例：约定定向灵敏度K=0.12即1mil（0.06°）出0.5V的误差电压。方位当前位置与方位理论指向误差为0.24°，则仿真计算出的理论误差电压为2V。

随机噪声表达式为Asin（rand*pi/180），rand 为0～360之间的随机数，A=0.2。例如rand=45，随机噪声取值为0.2V。

叠加理论位置误差电压及随即噪声，得出最终的误差电压值为2.2V，最终ACU 以2.2V 误差电压做自跟踪闭环。

图7 自动跟踪原理示意图

4.4 Java EE技术体系

教学考核分系统客户端使用Google浏览器，免去安装的问题，便于维护、升级和管理；数据库选用达梦（版本），并采用入下图所示Java EE技术体系，使得教学考核分系统能跨平台使用。

Java EE 包括界面层、业务逻辑层、数据访问层；界面层应用jQuery、Echarts等技术，增强浏览器界面可视化显示效果及事件处理能力；数据层通过JPA、dbdeploy、pdfbox等工具对教学类数据（人员信息、教案、试题等）、过程类数据（教考情况统计等）、结果类数据（教学、考试、训练结果等）、关系数据等进行持久化管理。

业务逻辑层采用的Spring MVC 框架是一个开放源代码的J2EE 应用程序框架［9］，由Rod Johnson发起，是针对bean 的生命周期进行管理的轻量级容器［10］（lightweight container）。Spring 解决了开发者在J2EE 开发中遇到的许多常见的问题，提供了功能强大IOC、AOP及Web、MVC等功能［11］。

图8 教学考核分系统Java EE结构

5 工程实现及应用

目前，模拟训练系统已交付用户，机房和方舱的布局如图2和图3所示。该系统不仅能根据学员情况，精细化制定及调整教考计划，提高了培训开展效率和灵活性［12］；还具备教考业务制定、过程监视、闭环追踪及成果输出的功能，节省了人工统计和管理的人力成本和时间成本。

此外，该系统通过软硬件结合的方式为用户提供了贴近实装系统的模拟训练环境，操作过程中能得到像实际系统一样的人机交互真实反馈，具备成熟度高，可靠性高的特点；支持全流程、全设备、全科目、全方位的考察，得到了用户好评。

6 结语

本文基于卫星使用方希望通过训练培训提升卫星接收机动站操作人员理论知识和专业技能水平的迫切需求，设计了一种集理论教学和实装操作为一体的模拟训练系统；该系统满实现了以理论学习和设备实操模拟训练相结合的目标；提高了业务人员应变能力、故障处理能力，缩短了故障响应时间；填补了卫星接收机动站装备训练领域缺少专业的模拟训练系统的空白，弥补了过去只能依托于实装开展业务训练工作的不足。为进一步提升系统的实用性和操作性，后续可以接入VR 仿真系统以提高系统真实度；或扩展与其他训练仿真系统的接口，实现地面系统全流程模拟训练。