CN104835375B - 一种卫星通信教学训练模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种卫星通信教学训练模拟系统，包括一个教学控制台、两台卫星通信机组和两组天线模拟单元。教学控制台可以查看所有设备的运行情况，可以设置所有设备的运行状态，并且能够动态生成操作试题来考核学员。机组中有一系列的单元，分别实现对应的功能。天线模拟单元绘制天线供学员观察天线三维姿态。两组学员可以分别操作两台机组，在参数设置吻合时可以实现双方视频语音通信、电话传真互通、串口通讯等功能，模拟出实际装备的卫星通信功能。考官可以通过教学控制台掌握学员的操作情况，并且可以自动生成试卷，进行完成对学员的考核然后自动评分。本发明将使卫星通信相关科目训练考核的效率提升，成本下降。

Description

一种卫星通信教学训练模拟系统

技术领域

本发明涉及海事或者军事卫星通信的教学训练问题，针对实际设备不易获得、难以用于教学训练用途、出海训练费用较高、故障状况难以控制等问题，结合卫星通信设备的实际状况，设计了一种卫星通信教学训练模拟系统。

背景技术

在海事或者军事领域，大量使用卫星通信设备。由于卫星通信设备涉及到大量的专业知识，因此需要对实际操作人员进行相关设备的理论基础、实际操作和维修等科目的训练，学员在相关科目结业后即可负责对应设备的使用和维护。然而，在实际操作中，存在如下几方面的问题：(1)实际的卫星通信设备较为昂贵，目前难以配发到教学训练单位，用实际设备直接投入到训练中费用太高，难以实现；(2)卫星通信频率资源非常紧张，不能满足大批量学员同时进行训练；(3)卫星通信中所用的天线体积较为庞大，难以布置到教学现场；(4)如果直接进行出海训练，物资消耗大，费用高；(5)实际设备可靠性极高，故障状况出现概率小，且难以受控出现，不易进行有针对性的训练；(6)实际设备没有专门针对学员的教学和训练功能，学员操作的结果需要人工重新进行核对，而其中的参数又非常繁多，因此考核的过程就变得繁琐复杂。因此，针对实际装备的模拟和根据具体教学训练场景的功能优化就变成了迫切的需求。

本发明设计的卫星通信教学训练模拟系统就是为了解决现有的卫星通信设备中所面临的教学和训练中的困难。相对于实际设备，本发明重新设计了整个系统，保留了原有实际卫星设备中的所有单元，每一个单元的外观和操作都与实际装备完全一致，让学员可以在模拟系统上感受到和实际装备上一样的操作效果，并且在此基础上新增加了教学控制台和天线模拟单元，使其在能够模拟原设备所有操作的前提下，针对海事或军事卫星通信教学和训练的实际情况，可以方便地完成各种针对性强的教学和训练任务。经过重新设计的卫星通信机组可以人为地对任意一块单元电路设置为正常状态或者是故障状态，可以检验学员在任意功能缺失情况下的故障定位和排除能力。而教学控制台能够综合可能出现的故障状态或者根据考核的具体项目自动生成试题，并且可以根据系统实时获取到的系统设置参数对学员的操作进行自动打分，根据分数可以评估教学和训练的效果。同时教学控制台可以管理学员信息和查询之前的考试情况，方便教学训练的实践。天线模拟单元在计算机屏幕上利用OpenGL技术实时绘制出天线的三维姿态，取代原有的天线设备，占地空间小，便于场地的布置和学员对天线姿态的观察，这样可以更形象地帮助学员理解卫星通信的基本原理。

发明内容

本发明要解决的问题是：实际卫星通信设备难以直接应用于海事或者军事的卫星通信教学训练中，需要一台针对教学训练目的来专门设计的设备，完成对实际设备的模拟以及针对于训练的功能扩充，来进行操作训练以及对学员的自动考核评估。

本发明的技术方案为：卫星通信教学训练模拟系统，包括一个教学控制台、两台卫星通信机组和两组天线模拟单元。卫星通信机组是面向学员的，提供模拟实际装备操作的平台，其外观和操作与实际装备完全一致，但是用受控的有线通信替代实际的无线通信。机组中有一系列的单元，其中的核心是设备管理单元，负责整个机组的状态监控和参数设置，以及与另一组机组和教学控制台之间的通信。其它单元由一系列的电路板构成，以响应每个单元上的按键操作和LCD的显示反馈。天线模拟单元也是面向学员的，提供天线姿态的三维实时模拟绘制，通过在机组上设置的参数实时绘制出天线的姿态和动作，学员可以通过显示屏观察到绘制好的天线模型，同时天线模拟单元也能够模拟实际天线自动跟踪卫星的功能，从而可以替代实际的天线用于教学和训练，避免了实际天线对教学场地的空间环境和电磁环境的要求。教学控制台是面向考官的，可以获得两台机组的运行参数，可以设置机组中各个单元的故障状态，可以将多个单元的故障状态组合生成一套试卷供学员进行维修操作，同时根据学员的操作进行打分，维护学员信息和记录成绩，并且提供查询操作。

教学控制台由一台PC构成，应用程序通过C#编写，通过网络通信和两台机组中的设备管理单元交互，既能够实时获得两台机组中所有单元的运行状态和设置参数，又能够对两台机组中所有单元的运行状态和设置参数进行修改。这样，考官在教学控制台可以将机组中的某些模块设置为故障，由学员在两个卫星通信机组上的进行操作来排除故障，在这一过程中考官也可以通过教学控制台监控当前学员的操作情况，对学员的操作进行评判。同时，教学控制台可以从试题库中调取试题自动生成一份试卷，试卷是一些故障状态的组合或者相应设置操作的集合，由学员在规定时间内对卫星通信机组完成对应的操作，然后教学控制台根据学员的操作自动进行评分并且和学员信息一同记录进数据库，以便考官能够对之前的考核情况进行查询。

卫星通信机组由一系列的单元构成。其中设备管理单元是一台PC，其它单元是一系列的电路板，电路板上由ST公司的ARM芯片STM32F103作为主控，每个单元负责一项独立的功能，其外观和操作与实际装备完全一致，使得学员可以获得和操作实际装备完全一样的体验。设备管理单元上面的应用程序通过C#编写，和其余的单元通过485总线组网，由设备管理单元作为主机，其余单元作为从机，通过设备管理单元发起轮询，获得其它每个单元的运行情况和详细参数，并通过GUI界面显示出来，而且在设备管理单元的界面上也可以对各个单元的参数进行设定，设定完成的参数同样也通过485总线下发。其它单元中的STM32F103一方面通过485总线和设备管理单元通信，另一方面通过按键和LCD屏幕供学员设置当前单元的参数。

系统采用受控的有线通信来模拟无线通信，当两台机组的参数设置匹配时，对应于卫星通信信道畅通的情况，此时系统打开对应的有线信道，实现双方视频语音、电话传真、数据终端等各种通信功能，模拟出实际装备的卫星通信功能。如果参数不匹配，则将有线通信信道关闭，模拟出卫星通信信道中断的状况，学员训练时的感受与实际卫星通信装备信道通断与否时完全一致，但受控的有线信道替代了卫星通信的无线信道，成本大大降低。

天线模拟单元由一台PC构成，通过串口和机组中的天线控制单元通信，根据天线控制单元中设置的天线参数，利用OpenGL绘制出天线的三维姿态，模仿实际装备中天线的运转。另外，天线模拟单元可以根据模拟的GPS或者罗盘等位置数据自动调整自身的姿态，通过串口通信和天线控制单元中的参数进行同步。

本发明卫星通信教学训练模拟系统对卫星通信机组进行了重新的设计，能够模拟出实际装备的功能，同时可以和教学控制台、天线模拟单元协同工作，教学控制台方便了考官对学员的训练和考核，天线模拟单元方便了学员的学习和观察，这一系统克服了将实际装备直接应用于教学训练中所可能面临的诸多困难，方便了海事和军事等领域的教学训练实践。

附图说明

图1是本发明整体结构框图。

图2是本发明机组里的总线拓扑结构图。

图3是本发明机组之间的信号线示意图。

具体实施方式

本发明卫星通信教学模拟训练系统整体结构框图如图1所示，包括教学控制台、机组和天线模拟单元。机组内部包括一系列单元，分别是：多功能复接单元、变频单元、调制解调单元、音视频编码单元、天线控制单元、高频功率放大单元和设备管理单元。每个单元可以分别设置参数实现不同的功能，其中的核心单元是设备管理单元。教学控制台、设备管理单元和天线模拟单元都是PC，其中天线模拟单元通过串口和对应的机组进行通信。而教学控制台和两台设备管理单元都连接到一台以太网交换机上，三者通过网络通信进行数据同步。系统在运行时，考官操作教学控制台，教学控制台通过网络通信获得两台机组的设置参数和运行情况；学员操作机组，机组根据学员的操作模拟出实际装备的运行情况，学员也可以根据教学控制台生成的试卷完成相应的操作，由教学控制台对学员的操作进行评分。在学员操作的同时，学员可以观察天线模拟单元绘制出的模拟天线的姿态获得对当前操作的反馈。

教学控制台上运行的应用程序由C#编写。教学控制台通过Socket网络通信与两台机组分别连接，获得两台机组的运行状态和设置参数，并且通过图形界面显示在屏幕上供考官参考评估。学员信息利用XML文件来组织，所有学员的编号、姓名、成绩等信息都存入XML文件中，通过对XML文件的修改来实现考官对学员信息编辑、查看等管理操作。试题信息也利用XML文件来组织，试题是一系列参数设置的要求或者是故障状态组合，预先写入XML文件中供应用程序调用。应用程序允许考官指定试题生成试卷，也可以由程序随机抽取生成试卷，要求学员在指定时间内完成规定参数的设定或者是故障状态的排除。待学员操作结束后，应用程序通过网络通信读取到的机组参数和存储好的答案相比对，对学员的操作进行评分，评分可以供考官参考，同时和学员信息记录在一起方便日后查询。

机组里的总线拓扑结构如图2所示，机组内的所有单元通过485总线连接。每个单元都有独立的LCD模块和按键输入模块供学员操作，各个单元独立地实现不同的功能如数据复接、音视频编码、天线控制等等。每个单元内部还有一系列插入其中的电路板，是各个单元内部的功能模块。设备管理单元是机组的主控单元，可以查看和设置其他单元的参数。设备管理单元是一台PC而其他单元都是由STM32F103作为MCU的电路板组成。设备管理单元通过串口连接到一台485集线器上作为主机，而其他单元经过485总线连接到集线器上作为从机。设备管理单元上运行的应用程序由C#编写，设备管理单元通过485总线轮询其他所有单元，获得各项参数通过图形界面显示出来。其他单元中STM32F103中程序由C编写，主要完成LCD驱动、按键响应、485通信和对应单元内参数设置与保存的工作。

图3是机组之间的信号线连接示意图，所有信号都通过机组中的数据复接单元里的继电器，再连接到相应的外部设备上。数据复接单元中通过对继电器的控制，来模拟实际信道的通断对双方通信的影响，从而可以实现视频语音、电话传真、数据终端等各种通信功能的控制。

天线模拟单元上运行的应用程序采用C++语言编写，以便和OpenGL之间进行接口。天线的模型通过3DS Max设计，根据实际天线的运动姿态将模型分成四个组成部分，应用程序通过OpenGL将模型的各个组成部分加载并绘制出来，并通过串口通信获得机柜中天线控制单元的参数，根据获得的参数设定各个部分的旋转轴以及旋转角度并绘制模型，使其模拟出实际天线绕俯仰轴、方位轴以及交叉轴旋转时的运动状态，供学员观察。应用程序还可以根据人为模拟的GPS或罗盘等位置数据自动调整天线姿态，完成对星的操作，模拟出了实际装备的效果。

Claims (6)

1.一种卫星通信教学训练模拟系统，其特征是包括一个教学控制台、两台卫星通信机组和两组天线模拟单元，卫星通信机组的外观和操作与实际设备完全一致，并用受控的有线通信替代无线通信，更方便地完成训练任务；教学控制台是整个系统的核心，可以查看两台卫星通信机组中所有设备单元的运行状况，可以设置每个设备单元的故障状态，并且能够从数据库中动态抽取试题生成试卷来考核学员；机组中有设备管理单元、多功能复接单元、变频单元、调制解调单元、音视频编码单元、天线控制单元和高频功率放大单元，其中的设备管理单元是每个机组中的核心控制模块；天线模拟单元通过OpenGL技术实时绘制三维的动态天线，模拟演示出天线的姿态和动作；两组学员可以分别操作两台机组，在参数设置吻合时可以实现的通信功能有视频语音传输、电话传真以及数据终端传输，用于模拟实际装备的卫星通信功能；考官可以通过教学控制台设置故障和生成试卷来完成对学员的教学和训练。

2.根据权利要求1所述的卫星通信教学训练模拟系统，其特征是教学控制台可以获取两个卫星通信机组的实时参数，能够按照随机挑选或者人工选择两种方式从试题库中挑选试题生成试卷，根据实时获取到的两个通信机组的设置参数对学员的操作情况进行自动打分，并将考核结果存储进数据库，同时提供查询功能。

3.根据权利要求1所述的卫星通信教学训练模拟系统，其特征是教学控制台和两台卫星通信机组中的设备管理单元之间通过Socket网络通信进行实时参数同步，教学控制台根据两台通信机组中的参数设置值进行通信信道正常或者故障的状态判断，并通过受控的有线通信来模拟无线通信通断与否的实际效果。

4.根据权利要求1所述的卫星通信教学训练模拟系统，其特征是机组中的所有单元通过485总线组网，其中的设备管理单元作为主机通过485总线轮询当前机组中的其它单元，可以获得各个单元的详细运行状态，能够实时显示各个单元的参数，并且能够对各个单元的所有参数值进行设置。

5.根据权利要求1所述的卫星通信教学训练模拟系统，其特征是机组中的所有单元都可以人为地设置为正常工作状态或者故障状态，可以全方位考察学员对教学内容的理解，以及快速排除设备故障的能力。

6.根据权利要求1所述的卫星通信教学训练模拟系统，其特征是天线模拟单元可以通过OpenGL技术实时绘制三维的动态天线，天线的模型通过3DS Max设计，分成四个组成部分，应用程序通过OpenGL技术将模型的各个组成部分加载并绘制出来，并通过串口通信获得机柜中天线控制单元的参数，根据获得的参数来模拟天线俯仰角和方位角改变时的状态，使得天线模型的运动姿态与实际天线一致，从而模拟出实际天线的工作效果。