航天测控模拟训练系统构建方法探析

张 威，马 宏，吴 涛

（航天工程大学电子与光学工程系，北京 101416）

航天测控系统是整个航天工程的重要组成部分，是航天发射、卫星在轨长期管理、空间资源运用、变轨返回、深空探测等空间活动的天地联系唯一手段，是进出空间、利用空间、控制空间的基本支撑，肩负着维护国家空间资产重大责任，关系着航天任务成败与否，也是航天技术重点发展的领域之一。航天测控系统涉及到航天器运行的方方面面，测控系统设备多、运用流程复杂，对相应的岗位人员要求非常高[1]。如何更好地完成对航天测控系统岗位人员的训练，是航天测控人才培养中面临的一个重要问题。

为完成对航天器不同飞行阶段的有效覆盖，航天测控系统所涉及的部门、人员和设施设备众多，专业技术性强，指挥协调和临机决策难度大。若将实装系统直接应用于对测控人才的培训，需要调动大批人员、设备和物资，不但准备时间长、成本高，还会影响到测控设备的使用寿命。此外，随着航天发射任务和在轨航天器数量的持续增加，航天测控系统本身的任务已十分繁重。即使在测控任务空档期，组织训练也存在很大的困难。此外，限于院校本身的特点，直接配备最新的测控设备用于教学训练，从经济、效益和设备更新上都存在不小的实现难度。

随着软硬件技术的不断发展成熟，采用模拟仿真的方式构建航天测控模拟训练系统，完成航天测控岗位训练，给航天测控岗位人才培养带来新的思路和方法[2]。航天测控模拟训练系统既能够模拟现有的测控设备，也具有一定的超前性，模拟即将批量应用的测控设备；既可以训练、验证新测控设备的使用、管理和维护方法，也可以演练、验证新型测控任务的组织实施流程；既可以单独进行训练，又可以与航天发射、卫星通信、卫星遥感等系统联合训练。

但航天测控模拟训练系统的构建并不只是一比一复刻现有的测控系统，而是要针对不同的训练对象、训练情景、训练目的进行建设。因此，本文针对航天测控模拟训练系统构建方法进行研究，首先分析模拟训练系统的构建原则，包括训练层次、受训对象、训练要素等，然后对模拟训练系统构建中值得优化的问题进行探析，形成相应的结论。

1 航天测控模拟训练系统建设应用原则

模拟训练是指结合半实物仿真或计算机仿真界面等方式，利用系统仿真、虚拟现实等技术手段开展设备操作和管理等训练，已成为提高设备、系统操作管理能力的有效手段。航天测控模拟训练系统作为其中的一种，其系统复杂性、训练层次、应用特点使其具有自身的建设应用原则。总结系统建设和教学应用中的实际经验，本文认为航天测控模拟训练系统的建设及应用应该遵循下述原则。

1.1 区分训练层次

航天测控系统在系统构建时，首先要注意区分训练层次。从美军的模拟训练可以看出，不同层次的模拟测控不同的能力提升。譬如在美军通过模拟推演的演习里[3-4]，施里弗系列演习注重战略层面，太空旗帜系列演习更注重战术层面，而全球哨兵系列演习则更侧重于提高太空态势感知能力。因此，反观在构建航天测控模拟训练系统时，也要考虑清楚所支持的训练层次。譬如是用于运载火箭发射时具体的无线电、光学测控岗位，还是用于航天测控网测控资源规划管理的系统管理，或是应用于测控指挥员的流程训练，或是更高层次的推演。只有定位好训练层次，明确训练对象后，才能进一步进行模拟训练系统的架构设计。

1.2 聚焦不同岗位

航天测控模拟训练是岗位任职训练、相关院校航天测控专业教学训练的重要组成部分。牢固树立“像执行任务一样训练，根据训练执行任务”的意识非常重要。在区分层次的基础上，要分别考虑是重点训练人员对测控设备的操作和应急能力，亦或是重点训练指挥员对测控系统及测控网资源分配、把握、应急情况的指挥能力。因此，需要深入研究航天测控设备的主要工作参数、输入输出限制、主要应用方式，结合训练对象的培养需求，尽可能模拟实际测控任务中可能会出现的情况。在面向指挥员岗位训练时，要清楚哪些是指挥员关注的细节，而哪些是需要简化省略的进行模拟的内容，避免出现系统大而全，导致模拟系统建设困难，训练应用不方便。

1.3 注重体系思维

模拟训练的需求非常大，尤其是对航天测控人才的培养[5]。但调研发现“烟囱”方式建立测控岗位模拟训练系统无论在院校还是测控系统部门都普遍存在。很多测控相关的模拟训练系统建设完成后，只能在本系统训练，和其他系统没有接口。或者即使设计有接口，却因为多个系统承建单位不同，导致相互之间互联、互通存在很大问题。实际的建设和教学经验表明，模拟训练系统要想真正完成各方向协同训练，必须要用一体化思维规划建设。模拟训练系统要通过统一接口设计、预留接口设计等使其具备与其他系统联动的功能，让航天测控模拟训练系统能够与其他模拟训练系统统进行数据交互，能够进行统筹规划、联合训练，避免重复建设，资源浪费。

1.4 区分训练阶段

在建设和应用模拟训练系统时，要注意针对不同的训练层次、不同的任务目的、指挥流程研究等设计具体的训练内容，建立类似初级、中级、高级等难度逐步递增的训练阶段。譬如，对于岗前任职培训、新上岗人员培训，可以从初级阶段开始进行训练，当前训练阶段经过训练考核评估通过后，方可进入下一个训练阶段。具有一定岗位工作经验的受训对象，在进行新型设备的模拟训练时，可以考虑直接从中级或高级阶段开展训练。对于开设航天测控专业的院校教学，则可以考虑分别建设针对学历教育、任职教育和指挥训练的测控岗位模拟训练系统。

1.5 技术手段与时俱进

与其他模拟训练类似，航天测控模拟训练系统需要解决的一个重要问题是如何保证学生具有身临其境的感觉。要充分运用虚拟现实、人工智能、云服务等网络信息技术，努力使训练系统的人机交互界面更加直观、真实，更好地贴近实际任务情况[6]。譬如，借鉴训练系统建设中的L、V、C3种架构[7]，即真实训练（Live）、虚拟模拟（Virtual Simulation）、构造模拟（Constructive Simulation）。L指真人操作真实的系统，即训练人员操作能够进行实装操作的测控设备和指挥控制系统；V指真人操作模拟系统，即训练人员操作模拟的航天器、测控系统、运载火箭等不易进行实装训练的装备；C指模拟人操作模拟系统，真人只能进行输入，不参与最终确定结果。此外，对于航天测控，模拟训练既要贴近当前业界现状，又要具有一定的先进性和超前性的特点。譬如，在模拟训练系统中加入全空域多目标测控系统的模拟、巨型星座系统的测控模拟等。

1.6 科学评估

随着计算机仿真技术的发展，航天测控模拟训练的逼真度、可信度在不断增强，且具有训练耗费低、训练风险小等优点，其重要性日益凸显。但学生利用模拟训练系统完成学习后效果如何评估，成绩如何判定，也是需要重点考虑的问题。公正、合理、高效的受训人员考核评估系统对模拟训练系统具有至关重要的意义。因此，在建设航天测控模拟训练系统时，要科学合理地运用单因素评估法、综合评估法、智能评估法等方法建立考核评估的模型[8-9]，使得评价结果能真实反应受训者的指挥能力、操作能力和应变能力。

2 航天测控模拟训练系统值得优化的方向

2.1 加强顶层设计

对于航天测控模拟训练系统这种大型的仿真系统，顶层设计是正确贯彻应用目标和实现最终部署的必要环节，也是消除建设过程中存在“临时换方案”“走不通”“不好建、不好用”局面的重要手段。关于顶层架构设计的方法有多种，譬如体系结构法、信息资源规划法等。这里建议采用体系结构法[10]，体系结构是航天测控模拟训练系统的组成框架，它描述的是该系统由什么部件组成，这些部件有什么功能、部件之间有什么相互关系、系统与环境之间的关系。采用体系结构设计的方式，要求模训系统的设计者从多个视角对系统的组成进行描述，譬如“计划者视角”“所有者视角”“设计者视角”“实现者视角”“程序员视角”等。要清楚地描述系统建设过程中关于是什么、怎么做、谁来做、在哪做、什么时候做、为什么做等理论与实践问题，最终用工程化的方法对模拟训练系统进行顶层设计，产生指导性文件。

以往的经验表明，如果在顶层设计的初期，对于系统的应用层次、对象界定模糊，譬如模拟训练系统既要面向岗位训练又想用于本科、研究生仿真教学，甚至有的还想兼顾科研仿真，就会得到及其复杂的系统设计架构。这种复杂的多功能合一的架构会使得系统重点不突出，后期建设过程会存在很多困难，教学应用也会特别复杂。有时甚至在建设后期不得不阉割最初设计中可有可无的功能。因此，清晰的顶层设计、优化的体系架构，是一个好的模拟训练系统建设必不可少的输入条件。

2.2 做好质量把控

有了良好的顶层设计，航天测控模拟训练系统的建设质量直接取决于软硬件系统的工程实施。目前相关院校一般是申请建设经费后，通过公开招标、合同外包的方式进行模拟训练系统的建设。模拟训练系统项目的质量直接决定着接下来若干年的教学、演训效果，而且在某种程度上来说也关系到人才培养过程的成功与否。经过调研发现，在各模拟训练系统建设过程中，如果没有严格把控质量，就会出现软件细节设计不合理、测试不充分的现象，复杂的系统建设设置让工程承接方会浮现“干一票就走”的负面思想。调研发现，很多模拟训练系统后期使用中都会呈现这样那样的问题，但也都从侧面反映了建设单位没有认真、细致、负责地进行质量把控。

航天测控模拟训练软件从无到有的建设过程，是系统易用性、适配性打造的最好过程。若一开始没有进行严格的质量把控，而是靠后期的修修补补，将会严重影响系统的建设质量。最终会影响到教学、岗位训练中的用户的实际使用感受。因此，建设方需要在测控岗位模拟训练软件建设过程中成立专门的质量组。分建设环节、建设内容、建设进度进行质量把控，真正使软件建设符合顶层设计要求，软件测试覆盖软件功能。

2.3 针对受训对象量身打造

不同受训对象的特点、人才培养方案、基础知识储备也不同。在模拟训练系统设计时，要注意针对受训对象的特点进行量身打造。经过调研发现，很多模拟训练系统在设计、建设时，其受训对象类型过于贪多。若某模训系统既想模拟精细的测控岗位操作，又想模拟流程化的指挥训练，就会导致模拟训练系统的架构设计、建设和应用均存在困难。

对于和航天测控相关的模拟训练系统，一般可以根据受训对象将其划分为3种类型：面向测控岗位操作的模拟训练、面向指挥员的指挥流程模拟训练、包含多种要素的大型推演系统。这3种不同的受训对象的模拟训练系统设计思路有很大的区别。

对于面向岗位操作的模拟训练系统，需要注意的是如何更好地模拟实际的操作内容和环境，使得受训者有身临其境的感触。受训后再接触相应的岗位系统要有了若指掌的感觉。这就要求模拟训练系统需要模拟信号层的相关内容，更加注重细节处理和信息呈现。对于面向指挥员的流程化训练，需要注意的是如何处理好哪些细节重点呈现，哪些细节采用等效方式进行模拟显示。重点针对的是受训者对航天测控指挥流程的把握和掌控，很多情况下不需涉及具体的信号层或连接实际设备。对于面向多要素的推演系统，航天测控可能只是其中的一部分支撑，这时应重点考虑任务流程和推演相关的展示，不需要模拟的内容尽可能简化。

2.4 构建科学的模拟训练评估体系

构建科学训练评估体系是保障航天测控模拟训练中质量和效益的不可少环节。航天测控模拟训练系统具有体系化、技术集成度高的显著特点，给模拟训练的组织实施、考核评估带来了一定的挑战。科学地构建航天测控模拟训练评估体系，是精确评价训练效果的基础，也是航天测控模拟训练考核中体现客观、公正的保障。在航天测控模拟训练系统体系架构设计时，不仅要考虑模拟训练的内容，还要重点考虑下述考核评估问题。

根据测控岗位、受训对象、训练内容设计的评估标准与指标体系，是开展模拟训练中评估工作的基准。评估指标体系需要根据模拟训练的侧重点进行分解设计。模拟训练的评估指标应以模拟训练中的信息采集为依据，由上至下进行分解。指标的具体细化程度可以参考信息采集系统中反馈的数据精细度，同时还要便于评估人员判断、操作。

信息采集系统是开展评估时信息获取的重要手段。这里信息采集系统是获取模拟训练过程中各类信息的手段和工具的统称[11]。在进行模拟训练时，信息采集人员通过信息采集系统及时获取当前受训人员的操作、决策情况。信息采集过程要及时、准确、客观、公正。采集的内容包括评估体系中关心的操作指令、设备状态、人员状态等。

合理的评估模型与方法是测控岗位模拟训练实施评估的具体途径。航天测控模拟训练评估不是训练过程中全部数据的记录和罗列，需要突出重点，结合训练科目，挖掘最重要和最迫切关注的数据及问题。评估要在模拟训练中所采集各类信息、数据的基础上，综合运用单项评估和综合评估、动态评估和静态评估、结果评估和过程评估、定性评估和定量评估等方法，选取合适的评估算法模型，通过精算、细算得出训练评估结论。目前研究较多的模型包括柯氏评估模型、云评估模型以及结构方程模型等。

3 结束语

谋划好航天测控模拟系统的建设，对于培养受训对象优秀的岗位操作、指挥能力具有重要的意义。航天测控模拟训练系统的建设涉及技术面广、体系结构复杂、建设周期长。针对这一问题，本文探讨了航天测控模拟训练系统的建设应用原则，从训练层次、岗位对象、建设体系、训练阶段、技术手段、评估方法等方面进行了分析。然后又对航天测控模拟训练系统建设过程中值得优化的方法、方向进行具体探讨。本文提出的原则和探讨结论可为业内从事模拟训练相关的教育、训练工作者提供理论参考。