民商航天資源教學運用探索與實踐

摘? 要：針對當前高校航天類人才培養面臨的教學訓練系統套量不足和使用權限受限的瓶頸問題，開展民商航天資源教學運用探索與實踐。構建基于民商航天資源的教學訓練平臺，對零散、空閑民商衛星和測控站進行整合與利用，打造成體系的優質教學資源，發揮民商航天資源開放靈活的優勢，挖掘民商航天資源的教學應用潛力；創新基于民商航天資源的課堂教學與實踐訓練內容及方法，為高校航天類教學訓練提供鮮活、寶貴的教學案例、數據樣本、思政資源、實驗條件和訓練設施，獲得良好的知識傳授、技能培訓、能力培養、課程思政效果。

關鍵詞：民商；航天資源；教學訓練；測控；衛星；課程思政

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）02-0079-05

Abstract： In view of the bottleneck problem of insufficient amount of teaching and training system and restricted use authority faced by the cultivation of aerospace talents in colleges and universities， we carry out exploration and practice of teaching using civil and commercial aerospace resources. A teaching and training platform based on civil and commercial aerospace resources is constructed， integrating and utilizing the scattered and idle civilian satellites and TT&C stations， thus building a system of high-quality teaching resources， which gives full play to the advantages of openness and flexibility of civilian aerospace resources， and explores the teaching application potential of civilian aerospace resources. The content and methods of classroom teaching and practical training based on civilian aerospace resources are innovated， providing vivid and valuable teaching cases， data samples， ideological and political education resources， experimental conditions and training facilities for aerospace teaching and training in colleges and universities， thus obtaining good effects of knowledge transfer， skill training， ability cultivation and ideological and political education.

Keywords： civil business; space resources; teaching training; TT&C; satellite; curriculum ideology and politics

航天領域技術先進、交叉融合、可靠性要求高、工程實踐性強的特點[1]，對高校航天類，尤其是應用航天類人才培養提出了較高要求，除了要傳授寬厚的專業基礎知識，培養科技創新能力，為勝任航天技術研究、系統研發奠定必要基礎；而且要求通過實裝操作和裝備運用等實踐教學，培養學生對航天系統進行操控、維護和管理的能力，滿足航天任務類崗位任職要求[2-3]。

然而，目前高校航天類教學訓練面臨著如下現實問題。

首先，在軌衛星、地面測控站等航天類裝備價值高、數量少，可供教學的實裝系統套量與學生數量不匹配，不能很好地支持多名學生同步開展實踐訓練或實驗教學，課堂效率不高。部分高校利用自研衛星、測控站、分系統設備等開展教學，一定程度上緩解了上述問題；但數量極為有限，所提供的測控弧段有限，教學時間窗口短暫或與課表不匹配。

其次，高校雖是各級各類航天專業人才培養單位，但并非航天資產管控的職能單位，欠缺對在軌衛星的測控權限以及地面測控站的使用權限。學員雖然可以通過現地教學、實習、見習等環節赴相關職能單位進行體驗，但受場地、設備和任務等限制，不能為教學提供成體系、足夠數量的航天系統。

相比之下，民商航天資源發展迅猛、資源豐富，沒有在編航天系統的嚴苛管理，沒有航天任務的嚴格約束，允許操控的空間和余地較大；而技術體制、任務流程、任務崗位等卻與在編航天系統一致，且商業任務空閑時段較多，具備支撐航天類專業教學訓練的良好基礎。因此，亟需挖掘民商航天資源的教學應用潛力，構建基于民商航天資源的教學訓練平臺，對零散、空閑民商衛星和測控站進行整合與利用，發揮民商航天資源開放靈活、校企合作意愿強等優勢，打造與實際航天系統同步的教學訓練條件，為航天類專業教學、實踐訓練提供必不可少的真實航天設備和系統。

一 基于民商航天資源的教學訓練平臺構建

（一） 體系架構

基于民商航天資源的教學訓練平臺總體構成如圖1所示。在高校建設民商航天資源調度中心系統（平臺大中心），實現對民商航天資源的集中綜合管理與有效運用。大中心通過互聯網接入若干民商航天企業的測運控中心系統（平臺分中心），再通過各分中心接入各民商航天企業下轄的若干地面測控站，以及各企業管理的多顆不同類型在軌民商衛星。除此之外，部分民商單位并無測運控中心系統，只有少量測控站，則不通過分中心直接接入平臺大中心；部分民商單位只有在軌衛星，則通過向高校開放測控權限的方式接入平臺。

總而言之，通過創新混合異構的體系架構、通用兼容的接口方式、開放靈活的合作機制，實現多源民商航天資源統籌和運用，匯聚廣域分布的測控資源、多載荷類型衛星資源支持教學，充分發揮民商航天資源效益，為航天類教學訓練提供寶貴、鮮活的資源，較好地解決本文開頭指出的現實問題。

圖1 基于民商航天資源的教學訓練平臺體系架構

（二） 軟件系統

軟件系統采用B/S架構模式，基于linux操作系統和互聯網，用戶通過域名和賬戶進行訪問操作，后期可移植至公有云，系統架構如圖2所示。

1? 運行環境

系統采用B/S架構模式，基于linux操作系統和互聯網，運行在CentOS7.5系統上，可部署至公有云、私有云或物理主機。

2? 網絡通信

系統同時支持TCP與UDP傳輸層通信協議。

3? 應用支撐

系統依托成熟第三方應用系統作為基礎服務，使用rabbitmq消息隊列作為系統內部通信骨干，Nginx服務器作為網絡連接反向代理和靜態資源服務器，tomcat作為測控業務web服務器，grafana提供遙測歷史查詢功能，mycat用于數據庫代理，Cesium用于三維渲染引擎。

4 數據層與數據庫

系統使用mariadb數據庫作為系統運行支持庫，redis內存數據庫作為系統緩存，Influxdb時序數據庫作為遙測信息持久存儲庫，并在數據庫之上定義完整的數據操作和存儲策略，支持測控業務的運行。

5 業務層

完成航天器遙測、遙控處理，控制計算，健康評估，計劃生成等測控管理功能，完成測控網監視與控制功能。

6? 展示層與前端UI

前端服務采用http、WebSocket應用協議與后端服務進行數據通信，實現基于瀏覽器的系統功能展示與操作，提供豐富航天器的2維/3維態勢展示方式。

系統數據分為實時處理和非實時處理兩部分。由網絡通信、數據交換、遙測處理、遙控處理、實時存儲、實時顯示、控制計算和前后端等功能組成，各功能之間的數據流如下。

外部與網絡通信之間通過UDP/TCP協議完成數據傳輸；網絡通信、數據交換、遙控處理、遙測處理、實時存儲、實時顯示之間采用消息通信進行數據傳輸；實時顯示采用WebSocket向顯示前端推送數據；控制計算向后端開放調用接口，完成數據交互；遙控處理通過消息通信接收后端發送的遙控命令；顯示前端與后端之間通過http協議完成數據交互；系統通過顯示前端和用戶之間完成信息交互。

（三）? 運行模式

高校平臺大中心對所接入的民商航天資源進行統一協同和調配，根據各民商測運控中心系統上報的各自所管轄的星地態勢進行匯總分析，結合教學訓練任務需求，采用以下幾種運行模式開展教學。

1? 需求訂單模式：單一企業資源支持教學模式

平臺大中心根據各民商航天測運控中心系統推送的空閑時段，優選對教學訓練任務滿足度最高的民商航天企業，將對民商航天資源支持教學訓練的需求清單下發至選定的民商測運控中心系統，由民商測運控中心系統完成本企業航天資源的任務規劃、資源調度、測控站網控制、在軌衛星測控等具體工程任務，將任務狀態、數據實時共享至高校平臺大中心，從而支持教學訓練。

2? 詢問優選模式：詢問優選企業支持教學模式

高校也可初選多家民商企業的資源支持教學任務，向初選的多家民商測運控中心系統下發需求，民商測運控中心接收并確定是否響應。如果有多個民商測運控中心系統響應，則由高校最終選定最佳服務單位。若各民商測運控中心均回復無法滿足需求，則啟動如下所述的多民商航天企業混合資源支持教學的總體調度模式。

3? 聯合調度模式：多企業混合資源支持教學模式

在單一民商航天企業所管轄的地面站網或在軌衛星資源均無法滿足教學需求時，則由平臺大中心根據各家航天資源的空閑時段，對多家企業地面站網和在軌衛星資源進行統一規劃調度，生成混合資源任務計劃，下發至參與教學任務的各民商航天測運控中心，多家民商企業聯動配合完成任務。

（四）? 平臺特色

1? 建設集約高效，航天資產價值充分發揮

采用整合、利用現有民商航天資源的創新途徑，以開放融合的創新理念，構建天地一體、廣域分布的新型教學條件，避免高價值的航天系統重復建設問題，充分發揮民商航天資源的應用余量，用較小的經費投入獲取較高的建設效益。如此龐大的教學資源體系，僅靠教學條件建設的傳統路子是無法實現的。

2? 裝備遠程接入，復雜體系不占高校場地

通過網絡遠程接入廣域分布的民商測控中心、測控站等航天設施，這些大量設施不占用高校場地。在高校任意教室、實驗室、訓練場等教學場所，只需部署一定數量的筆記本電腦，運行平臺大中心軟件系統，即可通過網絡遠程接入控制異地部署的大量航天設施。這是一套小核心、大外圍的新型教學條件。

3? 數據同步共享，實現多人異地同步訓練

民商航天系統普遍采用客戶端的方式登錄服務器，完成測控站、衛星等相關航天設施的管理和使用。相關任務界面、狀態數據等均可實時多用戶共享。這個特點用于教學訓練，可破解長期困擾實驗教學、實踐訓練的多人同步問題[4]，一改以往分組輪換教學的低效局面，并且突破空間地點的束縛。在新冠感染疫情期間，筆者所在高校學生一度不能到校學習，基于該平臺有效解決了異地同步教學訓練問題，突破了疫情的限制。

4? 運用便攜終端，訓練時間空間有效拓展

該平臺基于互聯網部署，師生利用平板電腦、手機等便攜終端，訪問平臺服務器，即可打開用戶頁面，快速形成分布式、便攜化衛星管理中心，進而完成衛星測運控、衛星狀態監測、測控站管理等學習訓練任務。這種方式有利于將高校學生的碎片化時間有效搶占利用于學習，任意地點均可開展學習訓練。

二? 運用民商航天資源的教學訓練方法

（一）? 課堂教學

航天系統是融合了力學、電學、光學、控制等多門學科技術，天地一體有序運行的復雜系統，是相關專業課堂授課的優質資源，比桌面實驗系統、普通教學用具更鮮活、更形象、更真實，能夠有效激發學生的學習動力和興趣。

1? 提供教學案例

課堂講授過程中，引用衛星載荷設計、平臺設計、姿軌控分系統設計的實例，學習理解典型航天系統結構設計和參數設置，研學重要航天任務方案和預案，剖析相關衛星曾經發生過的衛星故障案例，將書本理論、課堂知識活學活用。

2? 提供信號樣本

提供實際航天任務過程中的衛星信號實采數據、航天任務全過程記錄文件等[5]，加深學生對典型航天測控通信信號和任務的認識與理解，促進對常用信號處理手段和效果的掌握與運用，增進對于衛星測控通信地位作用和運用方法的整體認識。

3? 提供實測數據

積累眾多航天系統、航天任務的數據，發揮商業航天開放靈活的優勢，形成商業航天大數據庫。利用衛星遙測數據文件，可講授遙測幀結構，分析衛星監控狀態，定位衛星故障；利用衛星光學、雷達遙感圖像，可講解圖像處理算法、目標判讀識別、數據挖掘分析等知識點。

4? 提供思政資源

借助實際航天系統，結合真實航天任務，為學生創造“親手觸摸”“親眼觀察”天上衛星的寶貴機會，是樹立學生專業自豪感和自信心，培養嚴謹細實作風學風的良好機遇；感受國家航天技術和航天產業飛速發展，是響應航天強國建設、創新航天人才培養的有力舉措。

（二）? 實踐訓練

基于多顆實際在軌衛星和廣域分布的測控站構成的體系化支撐條件，按照由簡到繁、由易到難的思路，指導學生多崗位配合、多星多站合理運用，親手執行單站衛星跟蹤測控、多站接力衛星測運控、一箭多星火箭發射測控等綜合實踐教學訓練任務。

1? 單站衛星跟蹤測控

綜合運用在軌衛星、測控站等實裝航天系統，改進傳統單項、局部的設備操作練習，以崗位能力素質要求為指南、實際測控任務流程為主線、真實在軌衛星為測控目標、真實航天設備為操作對象、實際航天任務崗位為編組依據，指導學生多崗位配合、內外場聯動、實操與模訓結合，親手執行航天測控任務，完成測控任務規劃、捕獲跟蹤衛星、接收遙測信號、判讀遙測是否正常、控制衛星載荷開機、控制衛星數傳載荷開機和接收衛星圖像數據等重要任務環節，直至測控任務圓滿成功。

2? 多站接力衛星測運控

多站接力衛星測運控，由建在高校的平臺大中心指揮調度廣域分布的多個民商測控站，多站接力完成衛星遙感數據接收與處理、遙感任務規劃與指令上注、衛星狀態監控等任務。測運控任務要素全面、流程完整，從測控方案設計與指揮調度，到衛星任務規劃、指令生成、遙控上注、狀態監控、圖像處理等具體崗位操作，均由老師指導學生完成，能夠有效鍛煉學生的專業能力和勝任未來崗位的素質，有效鍛煉人才隊伍，提升實踐訓練教學水平。

3? 一箭多星火箭發射測控

結合航天發射場執行的“一箭多星”發射任務，組織學生進行運載火箭的跟蹤測量，以及衛星入軌后的測運控任務。在任務前期，老師對學生進行分崗位技能培訓和多崗位合練；任務準備階段，老師講解火箭、測控任務必要知識，學生進行任務前準備工作。發射測控任務執行階段，學生現場遠程操作測控站，多崗位協同配合完成測控任務；老師結合任務情況和發展前沿穿插講解相關知識、指導點評學員操作。最后教員與學員開展交流互動，并進行課堂總結。通過此次訓練，將課堂與實際航天任務無縫對接，為學生創造寶貴鮮活的技能訓練案例，培養其對航天事業自豪感和自信心。

三? 民商航天資源教學運用創新成果

（一）? 打造天地一體教研一體新平臺

基于民商航天資源的教學訓練平臺具備火箭發射測試、衛星測運控、衛星大數據集成與綜合應用等教研實踐功能，可為航空宇航、信息通信、光學工程、控制工程等學科建設提供無縫銜接的綜合集成教學實驗環境[6]，支撐高校開展專業理論教學、高水平專業實驗、先進技術在軌試驗驗證等教研創新，推進各級各類高素質航天人才培養。

（二）? 探索聯合民商開放辦學新路子

平臺整合民商在軌衛星和廣域分布的測控站，統籌支持開展教學任務。教學過程中，依托該平臺，有效銜接航天發射場、高等院校、民商航天企業、火箭和衛星研制單位等，實現教學任務與課程內容多部門整體籌劃、一體設計、協同聯動。

（三）? 拓展課程思政鑄魂育人新途徑

高校需始終高舉立德樹人旗幟，著力培養德才兼備的高素質專業化航天人才[7]。在運用民商航天資源開展教學過程中，充分挖掘富含航天元素的課程思政資源，將“兩彈一星”精神、載人航天精神等貫穿授課全過程，有效發揮課程育人功能，使生動的實戰化訓練課與精彩的思政示范課同頻共振、相得益彰。

（四）? 創造網云體系測運控教學訓練新樣式

平臺基于“云+網+端”體系架構[8]，有效銜接廣域分布的航天系統和數據資源，可接入各類新型互聯網測控終端，實現彈性、異構、分布式航天測運控能力。師生可利用平板電腦、手機等便攜式終端接入互聯網，通過專用APP，隨時隨地開展衛星測運控、衛星狀態監視等教學訓練。

四? 結束語

運用民商航天資源開展高校航天類教學訓練，突破了高校對航天設施的使用權限“瓶頸”，回避了航天類教學訓練條件建設巨額投入的問題，最大程度發揮了我國航天設施的應用價值，向高校航天類課堂教學、實踐訓練、課程思政提供了鮮活、寶貴的資源，促進了教學內容的優化、訓練模式的創新。后續，將研究拓展該平臺對高校其他專業領域乃至基礎教學的支撐作用，進一步發揮該平臺的支撐、引領作用。

參考文獻：

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