新型卫星导航装备维修训练手段研究

何文彦HE Wen-yan；徐婷XU Ting；张勇ZHANG Yong

（①西安航光卫星测控技术有限公司，西安 710100；②中国人民解放军32181 部队，西安 710035）

0 引言

在现代联合特种任务中，卫星导航装备的定位、导航、授时等功能发挥着越来越无可替代的作用，其保障能力的优劣很大程度上决定了卫星导航装备的完好性和特种效能[1]，而保障能力的提升主要依靠维修训练培训[2]，因此，有效的维修训练手段对卫星导航装备特殊行动尤为重要。传统维修训练依托实装进行，存在实装依赖性强、训练组织难、训练耗损大成本高等实际问题[3]，很难适应装备维修保障能力发展需求。新兴维修训练基于虚拟维修进行[4]，虽然解决了传统维修训练手段受制于实装数量、训练场地、训练效益等约束，仍存在无法进行实地、实景沉浸式维修训练的问题[5]，对装备维修保障能力提升有限。针对现阶段卫星导航装备维修训练手段的现实约束，本论文提出采用仿真训练样机+维修训练软件相结合的方式，开发一款突破传统维修训练及新兴维修训练局限的新型卫星导航装备维修训练系统，该系统可实现装备实物拆装训练、装备内部构造学习、故障仿真、模块级故障分析与排查、故障维修等维修训练目的，解决卫星导航装备维修训练手段落后、维修训练效果不佳、维修保障能力欠缺等现实问题。

1 系统总体设计

新型卫星导航装备维修训练系统主要针对卫星导航装备维修训练设计而成，系统主要组成包括：仿真训练样机、维修训练软件。系统以维修训练软件为核心，将维修训练软件及相应数据库部署至服务器上，利用网络通信技术，将仿真训练样机、教员PC 机、学员PC 机相连，构成局域网内新型卫星导航装备维修训练系统，替代实装开展装备拆装训练、装备内部构造学习、模块级故障分析与排查、故障维修等训练科目。新型卫星导航装备维修训练系统布局如图1 所示，其中，仿真训练样机内部模块电路采用微处理器进行数字化设计，并通过RJ45 网口与维修训练软件进行网络通信，识别维修训练软件所下发故障指令或（故障）取消指令，然后通过自身MCU 微控制器实现故障仿真或故障取消的功能；维修训练软件是新型卫星导航装备维修训练系统的核心操控平台，具备指令下发功能与训练考核功能，用于下发指定故障指令、生成随机考核试卷、记录并统计学员考核成绩等。

图1 新型卫星导航装备维修训练系统布局图

2 仿真训练样机原型选型与设计要求

2.1 仿真训练样机原型选型

卫星导航装备主要功能是接收卫星发射的导航信号并进行处理，获取导航电文和必要的观测量，实现卫星导航定位等功能[4]，因此卫星导航装备既具有常见无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性，其主要构成单元同常见无线电接收设备，均包括天线、射频、基带、电源等。以卫星导航装备接收卫星发射的导航信号为例，其中，天线单元的主要功能是接收来自卫星的导航信号；射频单元的功能是将卫星的射频信号转换成较低功率的中频信号，同时将中频信号进行放大，然后进行模数转换，以便后续进行数字化处理；基带处理单元主要完成对导航电文的解调，进行定位解算和导航数据输出；电源单元的主要功能是为卫星导航装备不同部分供电。卫星导航装备主要组成单元如图2 所示。

图2 卫星导航装备主要组成单元图

在新型卫星导航装备维修训练系统中，仿真训练样机原型选型需考虑以下因素：原型所支持卫星业务服务模式全面、原型装备内部组成单元及实现原理典型、原型装备应用范围广泛、原型装备维修保障频度较高等。本论文所选型卫星导航装备，所支持卫星业务服务模式覆盖RNSS及RDSS，业务服务模式全面；主要组成单元包括天线、射频、基带、电源等，在装备组成单元及实现原理上具有典型代表性；具备定位、导航、通信等全面功能，配发量大、应用广泛；在现地支援业务中维修保障频率也较高。

2.2 仿真训练样机设计要求

仿真训练样机要求以选型卫星导航装备为原型，通过物理仿真建立与原型1:1 比例的仿真训练样机实物；仿真训练样机与实装故障形成机理吻合，可通过指定网口接收维修训练软件所下发故障指令，能够完成装备拆装训练、装备内部构造学习、装备故障仿真、模块级故障分析与排查等训练科目[6]。仿真训练样机应遵循以下设计要求。

①物理机理1:1 仿真要求。卫星导航装备维修保障专业集训与考核比武一般涉及以下内容：基本拆装工具使用、装备拆解与装备安装流程规范、装备拆装过程安全注意事项、装备内部构造学习及原理掌握等。依据集训与比武要求，仿真训练样机需与选型卫星导航装备物理机理保持一致，以1:1比例进行仿真还原，方便维修保障人员在仿真训练样机与卫星导航装备实装之间无缝切换，通过仿真训练样机实物操作训练，使维修保障人员能够掌握卫星导航装备内部结构与工作原理、熟悉各部组件之间的装配关系、熟练使用拆装工具进行装备拆解与安装操作、熟悉装备拆装过程安全注意事项等，从而切实提升卫星导航装备维修训练效果，为装备维修保障打下坚实基础，有力保障卫星导航装备特种效能的发挥。②故障仿真要求。传统维修训练过程中，卫星导航装备出现故障具有很大偶然性，并且故障在修复后难以重现，这导致在卫星导航装备实装上无法系统开展针对各类故障的检测训练及维修训练，一旦卫星导航装备在战场使用过程中出现突发故障，维修保障人员在缺乏有效训练的情况下将难以应对，这种情况将极大降低卫星导航装备特种效能。新型卫星导航装备维修训练系统的最大优势在于可仿真重现选型卫星导航装备所有常见故障现象，解决传统维修训练过程中故障出现具有很大偶然性的问题和无法遍历所有常见故障现象的问题。

3 维修训练软件设计要求及架构

3.1 维修训练软件设计要求

考虑卫星导航装备维修训练实际使用场景，维修训练软件采用方便、灵活、易扩展、易维护的B/S 架构。维修训练软件遵循面向对象设计原则，采用前后端分离开发模式，方便部署，服务端负责主要事务逻辑处理；前端负责数据渲染、交互请求、少量事务逻辑处理等。维修训练软件最主要的功能是：以可视化形式为仿真训练样机下发指定故障指令、生成随机试卷完成维修训练考核功能[2]，因此，维修训练软件应遵循以下设计要求。

①下发指定故障指令要求。卫星导航装备维修过程一般是：分析故障原因、定位故障部组件、确定故障类型、拆卸故障部组件予以维修或更换，由此可见，维修过程实质是一个定位故障、拆卸、维修、再装配的过程。而这一系列维修步骤的前提，是卫星导航装备发生故障。仿真训练样机无法自主发生故障，需要维修训练软件为其下发指定故障指令，仿真训练样机接收故障指令后，仿真重现指定故障现象。仿真训练样机接收指定故障指令后，通过自身主控MCU 微控制器与电源单元MCU 微控制器交互，实现指定故障现象的仿真复现，方便维修保障人员针对性进行常见故障现象的检测训练及维修训练。因此，下发指定故障指令的要求，是维修训练软件必须具备的功能。②训练考核要求。新型卫星导航装备维修训练系统除了提供维修训练的实践场景外，还具备训练考核功能，以“故障现象定位、故障检测点定位、故障维修步骤规范化操作”的比武答题方式为维修保障人员排故能力提供科学量化的评估依据，达到“以考检训、以考促训”的目的。依据维修训练软件功能要求，设计其功能模块包括：卫星导航装备管理、系统设置、成绩管理统计、训练维修答题、考核维修答题；设计其系统使用角色包括：教员、学员；其中，教员具备卫星导航装备管理、系统设置、成绩管理统计等功能，学员具备训练维修答题、考核维修答题等功能。卫星导航装备管理包括下发故障、取消故障、查找装备、装备状态归类等功能，系统设置包括装备编号设置、装备IP 设置、网络上报IP 设置等功能，成绩管理统计包括考核维修出题、考核成绩管理、考核详情查看等功能，训练维修答题包括训练维修出题、训练维修答题、训练详情查看等功能，考核维修答题包括考核维修答题、考核详情查看等功能。维修训练软件功能模块如图3 所示。

图3 维修训练软件功能模块图

3.2 维修训练软件架构

基于维修训练软件所具备功能，设计其逻辑架构包括：数据库层、接口协议层、业务逻辑层、应用展示层。其中，数据库层是整个维修训练软件中最底层、最基础的部分，完成数据存储功能和数据访问操作，包括对数据库配置文件的加载以及SQL语句的构建和解析操作；接口协议层承担维修训练软件、仿真训练样机两者之间协议实现的桥梁，负责二者之间完成数据交互的工作，包括故障指令下发接口、故障状态上报接口；业务逻辑层的职责是按预定的业务逻辑处理应用展示层提交的请求，包括处理下发故障指令子层、处理故障状态上报指令子层；应用展示层的职责是数据的展现，包括教员角色用户所使用的卫星导航装备管理、系统设置、训练成绩管理统计等界面，也包括学员角色用户所使用的训练维修答题、考核维修答题等界面。维修训练软件系统架构如图4 所示。

图4 维修训练软件系统架构图

4 系统测试与结果分析

采用新型卫星导航装备维修训练系统进行卫星导航装备维修训练测试试验，测试内容包括：①采用仿真训练样机，进行卫星导航装备正常工作状态检查训练，验证是否与卫星导航装备实装具有相同的操作效果；②采用仿真训练样机，进行卫星导航装备拆装训练，验证是否达到实装拆装训练效果；③采用仿真训练样机，进行卫星导航装备内部构造学习，验证是否达到实装内部构造学习效果；④利用维修训练软件，为仿真训练样机下发指定故障现象，进行卫星导航装备故障仿真测试，验证是否具有同实装相同的故障现象；⑤采用仿真训练样机，进行卫星导航装备故障分析与排查，验证是否具有同实装相同的故障检测训练效果；⑥采用维修训练软件，验证其是否具备随机出题能力、训练答题功能、考核答题功能等。

测试结果表明，新型卫星导航装备维修训练系统通过对仿真训练样机设计和维修训练软件开发，能够完成卫星导航装备工作状态检查、装备拆装训练、装备内部构造学习、装备故障现象仿真、故障分析与排查等维修训练目的，同时具备随机出题、训练答题、考核答题等维修训练考核能力，实现了卫星导航装备故障分析、故障判断、故障检测、故障排查维修等全过程智能化训练，解决了卫星导航装备维修训练手段欠缺、维修保障能力落后等现实问题，对提高卫星导航装备特种能力，具有极高的经济效益和特种研究意义。