基于移動互聯(lián)的航天類實踐教學研究

摘? 要：當前，國內航天類高校實踐教學存在兩個問題，一是衛(wèi)星過境窗口短暫，對教學時間形成限制；二是衛(wèi)星管控機房、地面測控站等教學場所管理嚴苛，對教學空間構成制約。針對此問題，該文開展基于移動互聯(lián)的航天類實踐教學研究，通過構建“云+網+端”的航天實踐教學平臺，開發(fā)衛(wèi)星管理教學手機應用軟件，學生可隨時隨地通過手機接入互聯(lián)網云服務器，獲取、觀察衛(wèi)星狀態(tài)數據，并填報實踐作業(yè)。基于移動互聯(lián)的航天類實踐教學能夠突破時間和空間雙重束縛，有效利用“碎片”時間和“任意”地點開展實踐教學，形成一種科學有效的“泛在學習”實踐教學新樣式。

關鍵詞：移動互聯(lián)；在軌衛(wèi)星；衛(wèi)星管控；測控站；實踐教學

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

開展高質量實踐教學是高校航天類人才培養(yǎng)的重要途徑[1]，包括課程實驗和綜合實踐兩方面。當前，部分高校將在軌自研衛(wèi)星及其地面控制與應用系統(tǒng)用于實踐教學[2]，學生能夠直觀觀察、研究衛(wèi)星在空間中運行的軌道信息、姿態(tài)信息、溫濕度、電量壓力等，而且能夠親手操控衛(wèi)星光學載荷完成對地成像實驗，通過控制科學試驗載荷進行空間環(huán)境探測實驗等。此類基于在軌衛(wèi)星的實驗有效激發(fā)了學生的學習動力和興趣。航天工程大學與多家民商航天企業(yè)簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，通過開放辦學的方式共同創(chuàng)建航天測運控與應用大平臺，對民商衛(wèi)星和測控站進行整合，發(fā)揮民商航天資源開放靈活的優(yōu)勢，將民商航天系統(tǒng)運用于實踐教學，已在實踐公開課、畢業(yè)實習、崗位實踐等任務中發(fā)揮了重要示范帶動作用[3-4]。然而，這類鮮活的實踐教學卻面臨著如下雙重限制。

一是教學時間限制——衛(wèi)星過境窗口短暫。一顆衛(wèi)星每天過境一個地面測控站不超過4圈，過境窗口時間長度一般為5～8分鐘，而且過境圈次受衛(wèi)星軌道、地面測控站地理位置等物理因素影響，可用的衛(wèi)星過境窗口與課表往往不重合，有時午飯時間過境，甚至有時夜間過境，給課程教學組織實施、實踐活動開展造成較大困難。

二是教學空間限制——教學場所管理嚴苛。此類實踐教學場所一般由衛(wèi)星管控機房、地面測控站等重要設施兼用，屬安全重地，須在承擔在軌衛(wèi)星管理、確保在軌衛(wèi)星安全重任的前提下兼顧教學任務，其對實踐教學的開放時間、人員進出、設備使用等必然有嚴格的管理制度和規(guī)范，客觀上造成教學場所開放性、靈活性不夠高，導致實踐教學資源匱乏。

針對上述問題，本文開展基于移動互聯(lián)的航天類實踐教學研究，通過構建“云+網+端”的航天實踐教學平臺，開發(fā)衛(wèi)星管理教學手機應用軟件（APP），學生可隨時隨地打開手機APP，接入互聯(lián)網云服務器，觀察衛(wèi)星狀態(tài)，填報實踐作業(yè)，完成課程實驗和綜合實踐，從而突破時間和空間雙重束縛，有效利用“碎片”時間，將“天上衛(wèi)星當教具”的效益充分發(fā)揮。

一? 基于“云+網+端”的航天實踐教學平臺構建

發(fā)揮民商航天設施互聯(lián)網部署的基礎優(yōu)勢，基于云平臺，采用云架構將民商衛(wèi)星、地面測控站等資源“云”化，形成包括數據、服務、應用的“衛(wèi)星管控云”，云中心提供所有衛(wèi)星管控數據服務和應用服務，學生利用平板電腦、手機、筆記本電腦等便攜終端，通過4G/5G等移動互聯(lián)網接入云中心，下載衛(wèi)星測運控應用軟件、同步衛(wèi)星管控數據，隨時隨地快速構建“云+網+端”航天實踐教學系統(tǒng)，開展相關課程實驗和綜合實踐，如圖1所示。

民商測控資源“云”化的核心在于民商測控中心軟件系統(tǒng)的“云”化。采用云計算、云存儲平臺架構設計測控中心軟件系統(tǒng)，通過互聯(lián)網部署至阿里云、騰訊云等云服務器，實現(xiàn)民商測控資源“云”化。與傳統(tǒng)部署在本地服務器的測控中心軟件系統(tǒng)相比，云平臺模式將物理資源虛擬化為虛擬機資源池，靈活調用軟硬件測控資源，實現(xiàn)對多衛(wèi)星用戶的按需訪問；而且在運行過程中根據衛(wèi)星用戶并發(fā)量、云服務器負荷情況，實時遷移虛擬機資源，在提供高質量測控服務的同時，又最小化資源成本，提高CPU、內存等的利用率；此外，在這種模式下不需要花費大量投資用于硬件、軟件和開發(fā)團隊的建設，只需要支付一定的云服務租賃費用，就可以通過4G/5G互聯(lián)網享受到相應的高效衛(wèi)星管理服務，提高了教學訓練系統(tǒng)的建設投資效益。

二? 衛(wèi)星管理教學APP設計

（一）? 教學功能設計

衛(wèi)星管理教學APP需支持開展航天類課程實驗、綜合實踐等教學。通過獲取并解析在軌商業(yè)衛(wèi)星遙測數據，供學生觀測、掌握衛(wèi)星運行狀態(tài)，對衛(wèi)星進行健康狀態(tài)評估，并生成課程實驗報告、衛(wèi)星管理綜合實踐報告等實踐作業(yè)。衛(wèi)星管理教學APP功能設計思維導圖如圖2所示，教學現(xiàn)場照片如圖3所示。

1? 用戶管理

用戶管理模塊是老師用于對學生進行分組管理，并可以查看每個學生的報告完成情況。實現(xiàn)功能包括學生分組、作業(yè)檢索等。

1）學生分組。老師可以填寫小組名稱、小組描述，選擇小組成員等操作把當前學生劃分成若干組，以便于分組教學和管理。

2）作業(yè)檢索。老師可根據輸入學生姓名、小組名稱等對學生信息數據進行檢索，精準找到該學生，并查看該學生的作業(yè)報告，以便于老師查看和了解學生填寫作業(yè)的情況。

2? 遙測監(jiān)視

遙測監(jiān)視模塊對接收的衛(wèi)星遙測數據進行解析處理和展示，也可以通過選擇時間和衛(wèi)星對歷史遙測數據進行回放查看。實現(xiàn)功能包括遙測數據接收與展示、遙測異常監(jiān)視、遙測數據回放等。

1）遙測數據接收與展示。對接收到的衛(wèi)星遙測數據進行解析處理，以列表形式展示，展示信息包括參數名稱、參數編號、參數值等。可對遙測數據按照參數編號、參數名稱進行數據檢索提取。

2）遙測異常監(jiān)視。針對解析完成的遙測數據，能夠按需配置各參數的正常值域范圍，當實時接收的數據超出該范圍時，能夠實現(xiàn)參數超差報警，并醒目標注。

3）遙測數據回放。實現(xiàn)遙測數據按照時間、衛(wèi)星、圈次等進行數據索引、選擇和回放，可在回放過程中驅動相關的數據處理、數據顯示、異常檢測等。

3? 健康監(jiān)測

健康監(jiān)測模塊是對衛(wèi)星健康狀態(tài)以及健康參數的評估與展示。實現(xiàn)功能包括健康參數展示、異常狀態(tài)展示等。

1）健康參數展示。衛(wèi)星健康信息展示是以“圈次”為周期，定期更新和展示衛(wèi)星的健康狀態(tài)信息，包括衛(wèi)星編號、健康度、異常參數數量和本圈次健康狀態(tài)參數信息等。

2）異常狀態(tài)展示。根據當前衛(wèi)星健康狀態(tài)參數和衛(wèi)星健康知識庫比對，當健康狀態(tài)參數的物理值范圍不在健康知識庫參數范圍內，系統(tǒng)就會判斷當前參數處于異常狀態(tài)，并醒目標注展示。

4? 作業(yè)管理

作業(yè)管理模塊是提供給學生對衛(wèi)星管理情況的總結，學生可自行填寫并生成word文檔。實現(xiàn)功能包括作業(yè)報告填報、作業(yè)報告生成等功能。

1）作業(yè)報告填報。可由學生進行報告的輸入和編輯，編輯內容主要分為在軌運行管理、在軌異常管理、數據接收與分發(fā)管理和衛(wèi)星各分系統(tǒng)工作情況等方面。

2）作業(yè)報告生成。根據學生的填報內容，后臺進行計算和統(tǒng)計，并輸出為統(tǒng)計圖、表格和word文檔。word文檔可供學生下載和查看。

5? 運行支撐

運行支撐為實踐教學提供指定的商業(yè)測控站資源以及衛(wèi)星測控數據，為開展教學訓練提供硬件資源支撐及軟件技術支撐，主要包括數據處理、精密定軌、軌道預報、站控管理等功能。

1）數據處理。主要用于遙測數據處理接收各衛(wèi)星遙測原始數據，首先完成對數據的格式校驗，對校驗正確的遙測原始數據進行分幀分包預處理，按照遙測數據處理格式約定對衛(wèi)星的遙測數據進行解析處理，生成遙測數據處理結果并存儲，提供對存儲的遙測數據處理結果查詢統(tǒng)計顯示功能，提供對歷史遙測數據的回放功能；同時對GPS數據進行分包處理及存儲為精密定軌提供數據支撐。

2）精密定軌。主要利用星載GNSS接收機輸出的位置信息，采用GNSS測量數據（每天基本均勻分布的6段或以上，每段不少于10分鐘，每秒一組位置測量值）進行精密定軌，用于支撐開展精密定軌實驗。

3）軌道預報。主要利用衛(wèi)星精確軌道根數，通過HPOP軌道預報器，進行軌道外推計算，實現(xiàn)衛(wèi)星在指定時間段的衛(wèi)星信息和星歷信息，輸出J2000/WGS84坐標系下X、Y、Z、Vx、Vy、Vz位置與速度信息，地固坐標系下的經度、緯度、高度信息及各歷元時刻的瞬時軌道根數，用于支撐軌道的高精度軌道外推及長期變化實驗。

4）站控管理。依據大學測控車綜合基帶與高速解調器接口協(xié)議，通過測運控大平臺軟件提供接口數據對接服務，實現(xiàn)數據處理服務與綜合基帶的數據交互，能夠利用測控車的綜合基帶接收遙測數據并傳輸至數據處理服務進行實時處理解析；支持通過接入第三方遠程控制工具實現(xiàn)測控設備的遠程控制。

（二）? 軟件架構設計

衛(wèi)星管理教學APP系統(tǒng)架構設計如圖4所示，自上而下依次是軟件應用層、支撐層、數據層、基礎環(huán)境層。各層依次介紹如下。

1? 應用層

面向師生用戶應用提供簡潔、友好、操作性強的功能界面，提供包括衛(wèi)星遙測監(jiān)視、健康監(jiān)測、管理報告、用戶管理和個人中心業(yè)務等應用功能。

2? 支撐層

構建于應用層之下，為應用層提供業(yè)務支撐及系統(tǒng)運行支撐，包括數據處理、精密定軌、軌道預報和站控管理等支撐功能，用于支撐測控任務的執(zhí)行及遙測數據的接收處理。

3? 數據層

構建于支撐層之下，為上層的應用層、支撐層提供各種數據資源訪問和存儲服務，主要通過數據存儲管理進行業(yè)務數據存儲，文件存儲管理進行文件數據存儲，消息中間件進行實時消息生產。

4? 基礎環(huán)境層

構建于數據層之下，為上層的應用層、支撐層、數據層提供移動互聯(lián)網絡通信環(huán)境，以及云服務平臺的服務器、工作站等基礎設施。

三? 基于移動互聯(lián)的實踐教學運用

（一）? 航天類專業(yè)實驗

與在軌衛(wèi)星相關的航天類專業(yè)實驗教學中，涉及載荷拍照、數據下傳等延時執(zhí)行遙控指令的衛(wèi)星動作，以及溫度、壓力、電量等需長時間觀測的衛(wèi)星狀態(tài)，其過程時間跨度往往長于一次課，學生難免需要利用課后時間采集相關衛(wèi)星數據；然而，衛(wèi)星管控機房、地面測控站等設施管理嚴格，一般不允許學生在實驗課以外時間隨意進入。這種情況下，學生利用手機APP接入移動互聯(lián)網，就可以隨時隨地按需獲取相關衛(wèi)星狀態(tài)數據，及時掌握并記錄實驗狀態(tài)，從而打破固定實驗室的空間、時間束縛。

（二）? 衛(wèi)星管理綜合實踐

在軌衛(wèi)星長期管理是衛(wèi)星管控職能部門的重要業(yè)務，也是航天類高校畢業(yè)生的重要潛在首次任職崗位。因此，在大學四年級開展衛(wèi)星管理技能綜合實踐十分必要。根據衛(wèi)星長期管理業(yè)務特點，需要為學生創(chuàng)造長時間、高頻次的衛(wèi)星狀態(tài)獲取通道，運用手機運行衛(wèi)星管理教學APP，是合理可行的解決方案。學生可充分利用碎片化的時間，隨時隨地獲取并記錄衛(wèi)星狀態(tài)，形成衛(wèi)星管理日報、周報、月報等作業(yè)，利用大四下學期長達2個月的時間完成衛(wèi)星管理技能綜合實踐。

（三）? 參與航天任務實踐

在軌衛(wèi)星執(zhí)行的對地觀測、科學探測及衛(wèi)星發(fā)射等航天任務，都是絕佳的教學素材，現(xiàn)場感強、調動興趣、激發(fā)熱情，非常有利于鍛煉專業(yè)知識綜合運用能力，同時也是一種寶貴的課程思政[5]途徑。在這些航天任務進行同時，組織學生利用手機運行衛(wèi)星管理教學APP，通過移動互聯(lián)網實時獲取、觀察、判讀衛(wèi)星或火箭的飛行狀態(tài)數據，運用所學知識判斷航天任務狀態(tài)，既不影響前方航天任務，又能將鮮活的教學資源引入高校課堂，提升人才培養(yǎng)質量。

（四）? 學生自研衛(wèi)星管理

部分航天類高校鼓勵并指導學生自研衛(wèi)星，如哈爾濱工業(yè)大學的紫丁香學生微納衛(wèi)星團隊[6]。該類自研衛(wèi)星入軌后的長期管理一般不由國內衛(wèi)星管理職能部門負責，而往往由高校學生自行負責。參與衛(wèi)星研制的學生可以運用衛(wèi)星管理教學APP，通過移動互聯(lián)網隨時隨地按需獲取并掌握自研衛(wèi)星的狀態(tài)，為自研衛(wèi)星在軌管理提供便利條件，為后續(xù)衛(wèi)星研制改進提供必要輸入。

四? 結束語

構建基于“云+網+端”的航天實踐教學平臺，基于商用平板電腦、手機等開發(fā)衛(wèi)星管理教學APP，學生可在任何時間、任何地點通過移動互聯(lián)網訪問“衛(wèi)星管控云”；亦可使用筆記本電腦訪問軟件系統(tǒng)所在網址，對軟件系統(tǒng)實施訪問，能夠較好地適應多名學生的并行、移動、突發(fā)的使用需求，有效破解本文引言部分指出的“兩個限制”。基于移動互聯(lián)的航天類實踐教學，既是一種科學有效的“泛在學習”實踐教學新樣式，同時也是一種無處不在、潛移默化的課程思政手段。

參考文獻：

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[2] 于永軍，鄧寒玉，楊海波，等.“互聯(lián)網+微納衛(wèi)星”的航天教育模式探索[C]//航空航天教學指導委員會征文，2020.

[3] 董力源.“圍觀”一堂公開課[N].解放軍報，2021-6-1.

[4] 丁丹，楊柳.引入實戰(zhàn)任務的沉浸式教學——以宇航與測運控技術實踐公開課為例[J].高教學刊，2021，7（35）：70-73.

[5] 謝丹，代洪華.“課程思政”背景下航空航天專業(yè)課程的改革與實踐[J].教育教學論壇，2021，3（9）：59-62.

[6] 青沫.青春夢之隊——哈爾濱工業(yè)大學紫丁香學生微納衛(wèi)星團隊[J].新青年（珍情），2020（6）：8-9.

基金項目：航天工程大學教學研究課題

作者簡介：丁丹（1980-），男，漢族，江蘇南京人，博士，副研究員，研究中心主任。研究方向為航天測控通信。