覆蓋指定區域的衛星通信組網虛擬仿真實驗教學創新研究

廖希 王洋 胡韜 張毅 余翔 王汝言

摘? 要：衛星通信組網存在的空間跨度巨大、軌位受限、頻率受控、系統復雜且節點動態可變等因素，導致實體實驗平臺建設成本極高，且無法開展系統級的多因素實驗教學活動，開展衛星通信組網虛擬仿真實驗教學是必要的。重慶郵電大學信息通信技術與網絡國家級虛擬仿真實驗教學中心凸顯信息通信專業特色，依托科研項目成果轉換，開發覆蓋指定區域的衛星通信組網虛擬仿真實驗教學系統，以“強實踐動手、鑄工程素養、培創新能力”為培養理念，建設“學、踐、研、賽、創”五位一體的教學資源，避免傳統實驗教學對衛星通信組網設計不可見、高成本、空時受限等問題，激發學生工程意識，提高實踐創新能力。

關鍵詞：虛擬仿真；實驗教學；衛星通信組網；創新能力；實驗設計

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）19-0040-04

Abstract： Due to the huge space span， limited orbit， controlled frequency， complex system and dynamic node of satellite communication network， the construction cost of its actual experiment platform is very high， so that it is unable to carry out system level multi-factor experiment teaching activities. Therefore， it is necessary to carry out virtual simulation experiment teaching of satellite communication network. The national virtual simulation experimental teaching center of information and communication technology and network of Chongqing University of Posts and Telecommunications highlights the characteristics of information and communication specialty. Relying on the transformation of scientific research achievements， it has developed a virtual simulation experimental teaching platform of satellite communication network for covering designated areas. With the cultivation concept of "strengthening practice， casting engineering literacy， and cultivating innovation ability"， "learning， practice， research， competition， and innovation" platform has been constructed. The five in one teaching? resources could effectively avoid the problems invisible， high cost， and space-time limitation in traditional experimental teaching， which has significantly stimulated students' engineering consciousness and improved their practical innovation ability.

Keywords： virtual simulation; experiment teaching; satellite communication network; innovation ability; experimental design

在經濟全球化和新型工業化道路牽引下，面向工程實踐，培養卓越工程科技人才是高等工程教學的首要任務[1-2]。自我國加入《華盛頓協議》和推出新工科計劃以來，在推進信息化與工業化融合、創新型國家和人才培養戰略要求下，以學生學習產出為導向，培養實踐能力強、工程創新意識高的高素質復合型人才是高等院校對畢業生的培養目標。作為工程創新能力培養的不可或缺部分，實驗教學積極適應計算機信息技術的快速發展，深度融合信息技術和教育教學，采用虛擬仿真等技術克服傳統實體實驗教學危險性高、建設成本大、資源分布不均及共享性低等諸多問題，多維度擴展實驗教學內容，盤活實驗教學示范共享性，助力高等工程教育對人才培養模式的變革，實現從知識技能型人才向應用創新型人才的轉變，推進高等工程教學生態體系[3]。自2017年教育部發布《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》以來，全國高校掀起了建設虛擬仿真實驗的熱潮。截至2020年，在60個學科類別中已經認定了1 078項[4]。2018年8月教育部又明確要打造包括虛擬仿真實驗教學在內的5大類型“金課”，改革實驗教學模式、教學內容和教學方式。

可見，虛擬仿真實驗教學在當今“智能+教育”新范式背景下，對創新工程人才培養具有重要作用，尤其是新型冠狀病毒感染疫情防控期間虛擬仿真實驗教學平臺的推廣應用能夠有效地保障實驗教學順利開展[5-7]。

一衛星通信組網虛擬仿真實驗教學的意義和必要性

衛星互聯網即通過通信衛星為全球提供互聯網接入服務，各國已將其提升為國家重要戰略。2020年4月，國家發改委明確“新基建”概念范圍，首次將衛星互聯網納入“新基建”范疇[8]。在“科技創新2030——重大項目”中啟動了天地一體化信息網絡，該網絡也被列入國家“十三五”規劃綱要以及《“十三五”國家科技創新規劃》。隨著5G通信網絡的大規模商業化部署，6G移動通信網絡及相關技術成為研究熱點。截至2020年11月，我國相繼與138個國家、31個國際組織簽署201份共建“一帶一路”合作文件。在上述的衛星互聯網、天地一體化信息網絡、6G移動通信網絡、“一帶一路”倡議中，衛星通信是實現通信網絡部署與建設的基石。

重慶郵電大學通信與信息工程學院一直圍繞“強實踐動手、鑄工程素養、培創新能力”理念，致力于培養信息通信領域高水平技術人才，服務信息通信行業和地方經濟社會發展。通信工程專業、廣播電視工程和電子信息工程專業相繼于2019年度和2020年度通過國家工程教育專業認證。學院在2012版、2016版與2020版培養方案制定中，面向衛星通信開展了實驗教學，將培養從事科學研究、工程設計、開發等工程技術人才作為通信信息工程實踐培養的重要環節。

由于衛星通信系統及組網的空間跨度巨大、造價極高、軌位稀缺、通信環境復雜、系統復雜且空間節點動態可變等因素，幾乎不可能建設系統級實體實驗平臺。以往基于實驗箱的實驗不僅建設成本大、整體性不足、真實性欠缺、示范推廣難，而且單純的實驗室教學還不能復現真實的通信網，致使學生難以理解和吸收抽象的理論知識，探究性不足的教學活動更無法滿足對工程創新能力復合型人才的培養需求[9-10]。可見，在“智能+教育”背景下依托虛擬仿真低成本投入、逼真表現形式、高度示范推廣等優勢，建設衛星通信虛擬仿真實驗系統是必要的，這在后疫情時代具有較強的現實意義。

二? 實驗架構設計

前瞻空天地一體化信息網絡、衛星互聯網新基建、6G移動通信網絡中的衛星通信，依托國家級實驗教學示范中心和國家級虛擬仿真實驗教學中心，以覆蓋“全球”區域、“一帶一路”區域和“中國”區域的衛星通信組網應用為背景，以凸顯信息通信專業特色為宗旨，圍繞新工科建設思想，依托科研成果轉換，設計了衛星通信組網虛擬仿真系統，力爭搭建特色示范性項目，打造“學、踐、研、賽、創”五位一體的仿真實驗。實驗系統架構包括實驗服務模塊、知識學習、虛擬實驗、管理平臺和實驗考核評價與達成度檢查。

虛擬實驗分為引導和考核模式，均遵循學生認知能力和知識遞進規律，采用“自頂向下”設計思想，分為空間段、地面段、星地鏈路、通信能力與傳輸質量測試模塊，構建了“空-地”虛擬環境，即高度仿真了衛星星座、衛星平臺、地球站、通信環境及星地鏈路等實驗對象和實驗環境，使學生在直觀逼真的實驗場景中，高效地掌握衛星通信組網設計全流程，實驗系統界面如圖1所示。

三? 實驗內容和步驟設計

（一）? 實驗內容設計

實驗項目設計初衷是針對通信與信息類專業高年級學生或初級衛星通信系統設計與研發人員，熟悉并掌握衛星通信組網整體知識體系，為其提供一個仿真度高、開放性強、科學性足及互動性好的實驗平臺。按照啟始階段基礎練習型、研究設計型、綜合設計型和研究探索型四個層次，設計了以下三部分實驗內容：①通過星軌設計、星座設計、衛星平臺等內容，完成對指定區域的組網覆蓋設計；②通過地球站平臺、地球站跟蹤控制，完成地面段地球站與空間段衛星平臺間的對接設計；③通過不同天氣條件下的鏈路損耗計算、全鏈路傳輸質量與性能測試，完成完整的衛星通信系統設計。設計以上的實驗內容，打造了“學、踐、研、賽、創”五位一體的教學資源，助力于培養學生高階工學思維，提升解決“復雜工程”問題的綜合能力和科學素質。

（二）? 實驗步驟設計

本實驗系統為本科生專業課程微波與衛星通信提供支撐，共計4學時：0.5學時熟悉衛星通信系統設計的基礎知識、熟悉本實驗項目的軟件系統；2學時設計覆蓋指定區域的衛星通信網絡；1.5學時測試覆蓋能力與通信性能。交互性操作共16步，包括2步知識學習、8步指定覆蓋區域的衛星組網覆蓋設計、2步地球站與空間段衛星平臺間的對接設計，以及4步全鏈路傳輸質量和性能測試，實驗步驟設計如圖2所示。

1）知識學習。初步了解本系統開發背景、技術手段、實驗內容及實驗目的等，掌握系統整體設計思路，以及衛星通信、星座設計、附加鏈路損耗、衛星通信鏈路及衛星通信系統端到端全鏈路傳輸特性等原理知識。

2）指定覆蓋區域的衛星組網覆蓋設計。獲取實驗任務后，選擇覆蓋區域，基于單衛星對地覆蓋特性和區域總面積，合理輸入回歸參數，設計衛星軌道，在三維動態界面中觀察不同設計參數下的衛星軌道；采用Delta星座設計方法，以實時數據復雜計算實現衛星星座設計，并且判斷星間鏈路和計算星下點軌跡，測試覆蓋效果，如圖3所示。最后在虛擬實驗臺上完成衛星平臺組裝，觀察發射入軌流程。

3）地球站與空間段衛星平臺的對接設計。選定需要搭建的通信環境（包含城市、開闊地及農村），選擇地球站基座后組裝地球站信號收發裝置，依次將各模塊放至實驗臺，確定全部模塊后用連接線連接各端口。對地球站經度等參數進行設定，通過地球站連接口的旋轉帶進行俯仰角和方位角的粗調，通過ASDW鍵進入地面段的虛擬通信實驗室，在虛擬控制軟件上將俯仰角及方位角細調至設計數值。

4）全鏈路傳輸質量和性能測試。根據衛星通信系統的實際工程設計要求，設定地球站至衛星、衛星至用戶、用戶至衛星、衛星至地球站4段傳輸鏈路的接收系統靈敏度、通信頻率等參數，計算自由空間傳播損耗和天氣影響下的附加損耗，依次判斷4段鏈路預算結果是否符合要求。若滿足，則進行下一段傳播鏈路的分析與判斷；反之，返回重新優化設計，直到在已知性能參數和設備指標要求下滿足接收系統靈敏度要求。在此基礎上，設計調制方式（BPSK/QPSK/DPSK調制）、傳輸速率參數，實時計算誤碼率并動態展示曲線，分析通信系統性能。

四? 實驗教學方法與實踐效果

堅持“以指定區域覆蓋設計任務為牽引、以實驗原理中的數學模型為基礎、以學生自主設計為主導、以研究探究設計為高階要求、以工程創新綜合能力培養為落腳點”的教學理念，遵循學生對知識的“認知→理解→消化→實踐→提升→創新”的漸進式規律，改變傳統實驗教學中教師演示、學生固定式操作實驗等問題，引入BOPPPS教學方法。在依托本實驗系統的教學活動中，設計與該方法六大階段相應的教學方法，如圖4所示。

（一）? 問題引導與啟發式導入

采取問題引導、案例演示與啟發式教學為手段，以“一帶一路”倡議、國家“新基建”計劃中的衛星互聯網、天地一體化信息網絡等以及學科行業產業發展需求中的衛星通信，引導學生思考相關問題，諸如“如何開展衛星通信星座設計？衛星平臺和地球站包括哪些模塊，信號傳輸流程是什么？衛星通信的傳輸鏈路受哪些因素影響，如何進行計算？”等，引導自主思考和調研資料，形成學習報告上傳至實驗管理系統。學生參與度提升至95%。

（二）? 實驗目標明晰與任務分解

將知識、技能、思維、情感態度與價值觀四要素有機融合，明確教學目標，明晰重難點，以個人或小組的形式系統地理解實驗任務（例如空間段衛星軌道設計、衛星星座設計），規劃實驗內容，形成自主設計且具有個性化的實驗操作方案，培養“化繁為簡”的科學思維與“知行合一”的學習理念。實驗方案設計準確率達到90%。

（三）? 混合式知識儲備與探究設計能力考評

利用雨課堂、超星等在線平臺，及時測試學生的知識儲備，實時公布考試成績，對實驗原理掌握情況進行分析。對“遠程”學生群體，通過在線平臺及時了解學生學習狀態并給予反饋和指導。例如針對留學生，尤其是我校來自“一帶一路”沿線國家和地區學生，利用英文版系統開展實驗教學；對“面對面”學生群體，采用線下線上混合式提問方式，了解學生理解和設計情況。通過提交的實驗方案及時掌握學生的綜合設計能力。“面對面”和“遠程”學生測試準確率分別達到95%和80%。

（四）? 獨立自主實驗設計

學生按照自主設計的實驗方案，從“一帶一路”“中國”“全球”三個區域中選擇一個覆蓋區域，完成覆蓋該區域的衛星組網和通信系統設計。引導和鼓勵學生聯系工程實際問題，大膽質疑實驗數據和結果，優化設計方案，得出最佳的系統設計。該教學方法的實施，使基本實驗任務完成度高達100%，擴展設計達90%，自主學習首次突破60%。

（五）? 三維評價體系

管理平臺根據注冊用戶信息，分為校內評價體系和校外評價體系，評價如下：①校內評價體系針對校內學生采取系統評價、老師評價、小組互評的三維評價體系。教師評價中，通過階段二到階段四對學生綜合能力進行評分；小組互評中，學生間對實驗方案、實驗步驟、實驗數據分析與結果進行答辯分享，交流設計中的關鍵問題及解決措施，以最終的信號傳輸質量和通信性能為評價指標進行點評和打分。該體系較好地以“開放、共享、交互”的協同方式，通過師生、生生間知識、方案、數據與經驗等碰撞，提升了實驗教學效果。小組互評參與度100%。②校外評價體系針對校外學生和企業用戶僅采取系統評價。

（六）? 總結并形成實驗項目的知識圖譜

幫助學生歸納設計要點，掌握衛星通信設計的核心過程（比如空間段設計、地面段設計、“空-地”設計）與系統設計的性能測試和評估方法，形成本實驗項目的知識圖譜，完成實驗報告。通過對衛星通信系統關鍵技術的設計實驗，讓學生體會到掌握核心技術與關鍵技術的自豪感。該階段的知識圖譜完成量高達100%。

通過以上六個階段，培養學生利用現有理論知識解決實際工程問題的能力，實現“知行合一”的實驗教學目標，層層遞進地實現以教為主→以學為主→教學互動、教學相長的轉變，提高教學效果，達到培養具有扎實信息基礎、強烈工程創新意識、較強實踐動手能力和創新能力的目的，從而在理論知識與工程實踐之間搭建起了橋梁，實現了教學策劃、專業定位、學校特色的三位一體。

五? 結束語

衛星通信組網虛擬仿真實驗教學平臺充分發揮了虛擬仿真的優勢，克服傳統實驗箱平臺建設成本高、真實性低、系統性和探究性不足等弊端，逼真呈現了空天地一體的通信場景、空間段與空地鏈路的實時數據復雜計算、實際衛星通信系統的工程設計三個方面核心要素的仿真與模擬，還原了實驗教學原理、實驗環境和實驗交互操作感受。設計的實驗內容和采取的教學方法加深了學生對知識的理解，提高實驗操作興趣，訓練了工程創新能力。該系統能夠為通信工程、廣播電視工程等相關專業提供虛擬實驗條件。

參考文獻：

[1] 于靖軍，郭衛東，陳殿生.面向工程教育的STEP教學模式[J].高等工程教育研究，2017（4）：73-77.

[2] 劉海波，沈晶，王革思，等.工程教育視域下的虛擬仿真實驗教學資源平臺建設[J].實驗技術與管理，2019，36（12）：19-22.

[3] 王麗偉，吳靜怡，張執南，等.構建面向未來的工程教育體系[J].高等工程教育研究，2021（1）：56-66.

[4] 李會鵬，王海彥，封瑞江，等.高等工程教育工程能力培養的探討[J].教育教學論壇，2016（5）：254-255.

[5] 中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知[EB/OL].（2017-7 -13）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t201 70721_309819.html.

[6] 楊雪瑩.衛星互聯網納入新基建開啟天地融合通信新模式[J].互聯網經濟，2020（7）：20-23.

[7] 楊柳，周琳霞，曹家慶.疫情背景下的高校虛擬仿真實驗教學資源開發現狀與提升策略研究——以N大學為例[J].南昌航空大學學報（社會科學版），2020，22（3）：99-104.

[8] 曲向芳.中國新基建布局中的衛星應用產業——2020中國衛星應用大會在京召開[J].衛星應用，2020（11）：66-67.

[9] 廖希，余翔，廖莎莎，等.微波與衛星通信實驗教學平臺建設及教學方法探索[J].實驗室研究與探索，2020，39（4）：133-137.

[10] 廖希，余翔，廖莎莎，等.衛星通信實驗平臺設計與教學體系構建[J].實驗技術與管理，2019，36（10）：179-182，192.

基金項目：教育部高等教育司協同育人項目“衛星通信虛擬仿真實驗教學課程設計與應用”（202101057050）；重慶市高等教育教學改革研究重大項目“科創賦能·智慧育人——構建5G+智慧教育泛在化的電子信息人才培養體系探索與實踐”（221016）；重慶市研究生教育教學改革研究重點項目“一流學科建設背景下研究生科研創新能力培養體系研究”（yjg192019）；重慶郵電大學金課建設項目“微波技術基礎”（XJKHH20201-04）、“射頻通信電路與天線虛擬仿真實驗項目”（XJKXN20201-03）

第一作者簡介：廖希（1988-），女，漢族，四川綿陽人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為微波與衛星通信。