基于移动互联的航天类实践教学研究

摘  要：当前，国内航天类高校实践教学存在两个问题，一是卫星过境窗口短暂，对教学时间形成限制；二是卫星管控机房、地面测控站等教学场所管理严苛，对教学空间构成制约。针对此问题，该文开展基于移动互联的航天类实践教学研究，通过构建“云+网+端”的航天实践教学平台，开发卫星管理教学手机应用软件，学生可随时随地通过手机接入互联网云服务器，获取、观察卫星状态数据，并填报实践作业。基于移动互联的航天类实践教学能够突破时间和空间双重束缚，有效利用“碎片”时间和“任意”地点开展实践教学，形成一种科学有效的“泛在学习”实践教学新样式。

关键词：移动互联；在轨卫星；卫星管控；测控站；实践教学

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）04-0021-05

Abstract： At present， there are two problems in the practical teaching of aeronautics in domestic colleges and universities as follows： the first one is that the transient satellite transit window has limited the teaching hours; the second one is that the computer room for satellite control and ground measurement and control station as places for teaching are strict in management， thus posing constraints on the teaching space. For this， this study explored the practical teaching of aeronautics based on mobile internet， in which a "cloud + network + end" practical teaching platform of aeronautics was established to develop the mobile teaching applications for satellite management， so that the students can access internet cloud server through mobile phones anytime and anywhere， to obtain and observe relevant data concerning satellite status， and complete their practice homework. The practical teaching of aeronautics based on mobile Internet can break through both time and space constraints， that is， "fragmented" time and "arbitrary" sites may be utilized effectively to form a new style of practice teaching based on scientific and effective "ubiquitous learning".

Keywords： mobile internet; in-orbit satellite; satellite control; measurement and control station; practice teaching

开展高质量实践教学是高校航天类人才培养的重要途径[1]，包括课程实验和综合实践两方面。当前，部分高校将在轨自研卫星及其地面控制与应用系统用于实践教学[2]，学生能够直观观察、研究卫星在空间中运行的轨道信息、姿态信息、温湿度、电量压力等，而且能够亲手操控卫星光学载荷完成对地成像实验，通过控制科学试验载荷进行空间环境探测实验等。此类基于在轨卫星的实验有效激发了学生的学习动力和兴趣。航天工程大学与多家民商航天企业签订战略合作协议，通过开放办学的方式共同创建航天测运控与应用大平台，对民商卫星和测控站进行整合，发挥民商航天资源开放灵活的优势，将民商航天系统运用于实践教学，已在实践公开课、毕业实习、岗位实践等任务中发挥了重要示范带动作用[3-4]。然而，这类鲜活的实践教学却面临着如下双重限制。

一是教学时间限制——卫星过境窗口短暂。一颗卫星每天过境一个地面测控站不超过4圈，过境窗口时间长度一般为5～8分钟，而且过境圈次受卫星轨道、地面测控站地理位置等物理因素影响，可用的卫星过境窗口与课表往往不重合，有时午饭时间过境，甚至有时夜间过境，给课程教学组织实施、实践活动开展造成较大困难。

二是教学空间限制——教学场所管理严苛。此类实践教学场所一般由卫星管控机房、地面测控站等重要设施兼用，属安全重地，须在承担在轨卫星管理、确保在轨卫星安全重任的前提下兼顾教学任务，其对实践教学的开放时间、人员进出、设备使用等必然有严格的管理制度和规范，客观上造成教学场所开放性、灵活性不够高，导致实践教学资源匮乏。

針对上述问题，本文开展基于移动互联的航天类实践教学研究，通过构建“云+网+端”的航天实践教学平台，开发卫星管理教学手机应用软件（APP），学生可随时随地打开手机APP，接入互联网云服务器，观察卫星状态，填报实践作业，完成课程实验和综合实践，从而突破时间和空间双重束缚，有效利用“碎片”时间，将“天上卫星当教具”的效益充分发挥。

一  基于“云+网+端”的航天实践教学平台构建

发挥民商航天设施互联网部署的基础优势，基于云平台，采用云架构将民商卫星、地面测控站等资源“云”化，形成包括数据、服务、应用的“卫星管控云”，云中心提供所有卫星管控数据服务和应用服务，学生利用平板电脑、手机、笔记本电脑等便携终端，通过4G/5G等移动互联网接入云中心，下载卫星测运控应用软件、同步卫星管控数据，随时随地快速构建“云+网+端”航天实践教学系统，开展相关课程实验和综合实践，如图1所示。

民商测控资源“云”化的核心在于民商测控中心软件系统的“云”化。采用云计算、云存储平台架构设计测控中心软件系统，通过互联网部署至阿里云、腾讯云等云服务器，实现民商测控资源“云”化。与传统部署在本地服务器的测控中心软件系统相比，云平台模式将物理资源虚拟化为虚拟机资源池，灵活调用软硬件测控资源，实现对多卫星用户的按需访问；而且在运行过程中根据卫星用户并发量、云服务器负荷情况，实时迁移虚拟机资源，在提供高质量测控服务的同时，又最小化资源成本，提高CPU、内存等的利用率；此外，在这种模式下不需要花费大量投资用于硬件、软件和开发团队的建设，只需要支付一定的云服务租赁费用，就可以通过4G/5G互联网享受到相应的高效卫星管理服务，提高了教学训练系统的建设投资效益。

二  卫星管理教学APP设计

（一）  教学功能设计

卫星管理教学APP需支持开展航天类课程实验、综合实践等教学。通过获取并解析在轨商业卫星遥测数据，供学生观测、掌握卫星运行状态，对卫星进行健康状态评估，并生成课程实验报告、卫星管理综合实践报告等实践作业。卫星管理教学APP功能设计思维导图如图2所示，教学现场照片如图3所示。

1  用户管理

用户管理模块是老师用于对学生进行分组管理，并可以查看每个学生的报告完成情况。实现功能包括学生分组、作业检索等。

1）学生分组。老师可以填写小组名称、小组描述，选择小组成员等操作把当前学生划分成若干组，以便于分组教学和管理。

2）作业检索。老师可根据输入学生姓名、小组名称等对学生信息数据进行检索，精准找到该学生，并查看该学生的作业报告，以便于老师查看和了解学生填写作业的情况。

2  遥测监视

遥测监视模块对接收的卫星遥测数据进行解析处理和展示，也可以通过选择时间和卫星对历史遥测数据进行回放查看。实现功能包括遥测数据接收与展示、遥测异常监视、遥测数据回放等。

1）遥测数据接收与展示。对接收到的卫星遥测数据进行解析处理，以列表形式展示，展示信息包括参数名称、参数编号、参数值等。可对遥测数据按照参数编号、参数名称进行数据检索提取。

2）遥测异常监视。针对解析完成的遥测数据，能够按需配置各参数的正常值域范围，当实时接收的数据超出该范围时，能够实现参数超差报警，并醒目标注。

3）遥测数据回放。实现遥测数据按照时间、卫星、圈次等进行数据索引、选择和回放，可在回放过程中驱动相关的数据处理、数据显示、异常检测等。

3  健康监测

健康监测模块是对卫星健康状态以及健康参数的评估与展示。实现功能包括健康参数展示、异常状态展示等。

1）健康参数展示。卫星健康信息展示是以“圈次”为周期，定期更新和展示卫星的健康状态信息，包括卫星编号、健康度、异常参数数量和本圈次健康状态参数信息等。

2）异常状态展示。根据当前卫星健康状态参数和卫星健康知识库比对，当健康状态参数的物理值范围不在健康知识库参数范围内，系统就会判断当前参数处于异常状态，并醒目标注展示。

4  作业管理

作业管理模块是提供给学生对卫星管理情况的总结，学生可自行填写并生成word文档。实现功能包括作业报告填报、作业报告生成等功能。

1）作业报告填报。可由学生进行报告的输入和编辑，编辑内容主要分为在轨运行管理、在轨异常管理、数据接收与分发管理和卫星各分系统工作情况等方面。

2）作业报告生成。根据学生的填报内容，后台进行计算和统计，并输出为统计图、表格和word文档。word文档可供学生下载和查看。

5  运行支撑

运行支撑为实践教学提供指定的商业测控站资源以及卫星测控数据，为开展教学训练提供硬件资源支撑及软件技术支撑，主要包括数据处理、精密定轨、轨道预报、站控管理等功能。

1）数据处理。主要用于遥测数据处理接收各卫星遥测原始数据，首先完成对数据的格式校验，对校验正确的遥测原始数据进行分帧分包预处理，按照遥测数据处理格式约定对卫星的遥测数据进行解析处理，生成遥测数据处理结果并存储，提供对存储的遥测数据处理结果查询统计显示功能，提供对历史遥测数据的回放功能；同时对GPS数据进行分包处理及存储为精密定轨提供数据支撑。

2）精密定轨。主要利用星载GNSS接收机输出的位置信息，采用GNSS测量数据（每天基本均匀分布的6段或以上，每段不少于10分钟，每秒一组位置测量值）进行精密定轨，用于支撑开展精密定轨实验。

3）轨道预报。主要利用卫星精确轨道根数，通过HPOP轨道预报器，进行轨道外推计算，实现卫星在指定时间段的卫星信息和星历信息，输出J2000/WGS84坐标系下X、Y、Z、Vx、Vy、Vz位置与速度信息，地固坐标系下的经度、纬度、高度信息及各历元时刻的瞬時轨道根数，用于支撑轨道的高精度轨道外推及长期变化实验。

4）站控管理。依据大学测控车综合基带与高速解调器接口协议，通过测运控大平台软件提供接口数据对接服务，实现数据处理服务与综合基带的数据交互，能够利用测控车的综合基带接收遥测数据并传输至数据处理服务进行实时处理解析；支持通过接入第三方远程控制工具实现测控设备的远程控制。

（二）  软件架构设计

卫星管理教学APP系统架构设计如图4所示，自上而下依次是软件应用层、支撑层、数据层、基础环境层。各层依次介绍如下。

1  应用层

面向师生用户应用提供简洁、友好、操作性强的功能界面，提供包括卫星遥测监视、健康监测、管理报告、用户管理和个人中心业务等应用功能。

2  支撑层

构建于应用层之下，为应用层提供业务支撑及系统运行支撑，包括数据处理、精密定轨、轨道预报和站控管理等支撑功能，用于支撑测控任务的执行及遥测数据的接收处理。

3  数据层

构建于支撑层之下，为上层的应用层、支撑层提供各种数据资源访问和存储服务，主要通过数据存储管理进行业务数据存储，文件存储管理进行文件数据存储，消息中间件进行实时消息生产。

4  基础环境层

构建于数据层之下，为上层的应用层、支撑层、数据层提供移动互联网络通信环境，以及云服务平台的服务器、工作站等基础设施。

三  基于移动互联的实践教学运用

（一）  航天类专业实验

与在轨卫星相关的航天类专业实验教学中，涉及载荷拍照、数据下传等延时执行遥控指令的卫星动作，以及温度、压力、电量等需长时间观测的卫星状态，其过程时间跨度往往长于一次课，学生難免需要利用课后时间采集相关卫星数据；然而，卫星管控机房、地面测控站等设施管理严格，一般不允许学生在实验课以外时间随意进入。这种情况下，学生利用手机APP接入移动互联网，就可以随时随地按需获取相关卫星状态数据，及时掌握并记录实验状态，从而打破固定实验室的空间、时间束缚。

（二）  卫星管理综合实践

在轨卫星长期管理是卫星管控职能部门的重要业务，也是航天类高校毕业生的重要潜在首次任职岗位。因此，在大学四年级开展卫星管理技能综合实践十分必要。根据卫星长期管理业务特点，需要为学生创造长时间、高频次的卫星状态获取通道，运用手机运行卫星管理教学APP，是合理可行的解决方案。学生可充分利用碎片化的时间，随时随地获取并记录卫星状态，形成卫星管理日报、周报、月报等作业，利用大四下学期长达2个月的时间完成卫星管理技能综合实践。

（三）  参与航天任务实践

在轨卫星执行的对地观测、科学探测及卫星发射等航天任务，都是绝佳的教学素材，现场感强、调动兴趣、激发热情，非常有利于锻炼专业知识综合运用能力，同时也是一种宝贵的课程思政[5]途径。在这些航天任务进行同时，组织学生利用手机运行卫星管理教学APP，通过移动互联网实时获取、观察、判读卫星或火箭的飞行状态数据，运用所学知识判断航天任务状态，既不影响前方航天任务，又能将鲜活的教学资源引入高校课堂，提升人才培养质量。

（四）  学生自研卫星管理

部分航天类高校鼓励并指导学生自研卫星，如哈尔滨工业大学的紫丁香学生微纳卫星团队[6]。该类自研卫星入轨后的长期管理一般不由国内卫星管理职能部门负责，而往往由高校学生自行负责。参与卫星研制的学生可以运用卫星管理教学APP，通过移动互联网随时随地按需获取并掌握自研卫星的状态，为自研卫星在轨管理提供便利条件，为后续卫星研制改进提供必要输入。

四  结束语

构建基于“云+网+端”的航天实践教学平台，基于商用平板电脑、手机等开发卫星管理教学APP，学生可在任何时间、任何地点通过移动互联网访问“卫星管控云”；亦可使用笔记本电脑访问软件系统所在网址，对软件系统实施访问，能够较好地适应多名学生的并行、移动、突发的使用需求，有效破解本文引言部分指出的“两个限制”。基于移动互联的航天类实践教学，既是一种科学有效的“泛在学习”实践教学新样式，同时也是一种无处不在、潜移默化的课程思政手段。

参考文献：

[1] 陈锋，张胜山，任玉彬.实战化背景下的军事人才培养思考[J].继续教育，2018（2）：74-76.

[2] 于永军，邓寒玉，杨海波，等.“互联网+微纳卫星”的航天教育模式探索[C]//航空航天教学指导委员会征文，2020.

[3] 董力源.“围观”一堂公开课[N].解放军报，2021-6-1.

[4] 丁丹，杨柳.引入实战任务的沉浸式教学——以宇航与测运控技术实践公开课为例[J].高教学刊，2021，7（35）：70-73.

[5] 谢丹，代洪华.“课程思政”背景下航空航天专业课程的改革与实践[J].教育教学论坛，2021，3（9）：59-62.

[6] 青沫.青春梦之队——哈尔滨工业大学紫丁香学生微纳卫星团队[J].新青年（珍情），2020（6）：8-9.

基金项目：航天工程大学教学研究课题

作者简介：丁丹（1980-），男，汉族，江苏南京人，博士，副研究员，研究中心主任。研究方向为航天测控通信。