一种卫星导航地面操作人员高保真模拟训练系统的制作方法

本发明主要涉及到卫星导航地面模拟技术领域，特指一种卫星导航地面操作人员高保真模拟训练系统。

背景技术：

北斗卫星导航系统利用卫星为服务区内用户提供导航、定位、通信和授时服务，其在抗震救灾、应急救援、军事演习、海军护航、个人位置服务、航空航海、车辆监控管理、汽车导航与信息服务、森林防火等诸多领域得到了广泛的应用，在国民经济发展和国家利益巩固与拓展过程中担当着越来越重要的角色。近年来随着北斗用户数量的增长和应用领域的拓宽，其稳定运行受到广泛关注。而卫星导航系统提供的卫星信号的准确性、完整性和可用性在很大程度上是训练有素的系统操作人员利用可靠的控制系统管理卫星星座的结果。

卫星导航系统一般由空间段、地面控制段和用户段组成。空间段是指提高导航服务的空间卫星星座。地面控制段是卫星导航系统的“大脑”。地面控制段，也称地面段或地面运行控制系统，一般由1—2个主控站(含备份主控站)、数个指令/数据注入站、全球或区域分布的数十个监测站组成。主控站是整个地面运控系统的核心，也是卫星导航系统信息处理的中心和管理控制的中心。注入站是星地连接的通道，为地面管理和控制卫星提供通信链路。监测站负责收集卫星的运行状态和测量数据并发送给主控站，以便于主控站计算出卫星的位置和时间。

卫星导航系统地面操作人员负责空间段数十颗卫星、地面控制段数十个站的管理控制和运行维护，责任重大。美国gps由空军的一个中队负责维护。地面操作人员时刻监视卫星导航系统的运行过程，给出适当的控制指令，尤其是当故障/异常发生时，及时制定相应控制措施，保证系统的正常运行。相关操作人员对系统的熟悉程度、指令的正确性、及时应变能力对系统的监控维护及稳定运行至关重要，而一个监控维护人员的养成势必要经过操作培训。

通过纸质/电子文件进行培训、考核一方面导致参与人员缺少与实际系统的交互，导致获得的知识主要是学术性的；另一方面由于这种培训考核方式单一，使得参与人员印象不深刻容易遗忘，即使记住故障的解决方法，但可能由于对故障出现的原因不理解而导致无法解决同类型故障。理论上可采用真实的卫星导航系统系统进行培训，但卫星导航系统开通运行后，由于连续运行不间断的要求，系统所属设备技术状态要求固化，技术参数的调整等技术状态变更需严格按照操作规程和相关规定执行，客观上不允许对在线系统设备的技术状态进行随意调整和模拟操作，出于经济、安全、可靠性及试验重复性方面的考虑，人们往往不希望直接在真实地面段进行试验，而希望在模型上进行试验，以免训练或测试期间引入错误和/或异常，在真实系统上带来无法估量的损失。

在20世纪90年代中期，美国的loral公司开发了一个可用于人员培训的高精度gps卫星模拟器，即hfss(highfidelitysatellitesimulator)，该模拟器可以对整个gps星座进行高精度仿真，不仅包括超过30颗blockii/iia和blockiir卫星，也包括4个注入站和20个监测站。通过hfss模拟器，操作人员可以在离线逼真、无惩罚的环境中熟悉gps操作和新功能。此外，开发人员可以在交付前进行全面的测试控制系统升级，而无需使用任何操作资源。

目前，针对北斗卫星导航系统的培训，杨俊等在宇航学报发表了“卫星导航地面试验验证的平行系统方法”，应用平行系统理论，研究gnss人工建模、计算实验和平行执行的方法，构建gnss平行系统框架，设计gnss平行系统人工建模、试验支持与运行维护等方面的计算实验方法及流程，并提出将其应用于地面管理与控制人员的上岗前培训。但是该文仅对gnss平行系统在人员培训中的应用做了简单介绍，并未对北斗卫星导航系统操作人员培训平台的组成、对象等进行说明，也未涉及系统操作人员的考核。

针对北斗卫星导航系统，现行的培训及考核方式主要存在以下缺点：

1)依靠“传帮带”的方式进行新员工培训与卫星导航系统的运行状态密切相关，相同故障连续出现的概率极低，导致该种培训方式培训内容不全面，耗时较长、效率低；

2)依靠纸质/电子文件等方式进行的培训，由于无法充分模拟发给卫星的命令的影响，也没有任何方法可以将异常引入培训体系的条件，使得该培训方式偏学术、缺乏实操经验；

3)依靠文件记录或口头表述的卫星导航系统相关操作、故障解决方法，可能存在表述和理解发生歧义，或者使被培训人员只知操作不懂原因造成同类故障不能正确解决的问题；

4)在真实系统上进行训练，训练时不能影响实际系统的运行，有些训练可能只是查看系统运行的监控视图，导致能训练的内容有限；

5)直接在真实系统中进行培训，可能由于不熟练、误操作等原因引入错误/异常，给实际系统的运行带来无法估量的损失；

6)由于卫星导航系统地面段相关设备分布式建设的特点，导致培训只能在指定地点开展，且由于场地限制，单次被培训人数也受到限制；

7)卫星导航系统中引入新技术，缺少“传帮带”的老师及相关文件，导致无法开展培训；

8)由于缺少高保真模拟系统，无法在脱离实际系统的情况下，构建逼真的训练与考核平台，训练效果不佳。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种操作方便、全面性和安全性好、具有试验可重复性的卫星导航地面操作人员高保真模拟训练系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种卫星导航地面操作人员高保真模拟训练系统，其包括：

服务器，作为各类信息、资源的存储中心；

高保真模拟器，提供与真实导航系统一致的模拟数据；

控制台，用来为系统提供控制类的支撑平台；

客户端，用来实现北斗导航系统各岗位人员的培训与考核。

作为本发明的进一步改进：所述模拟训练系统采用c/s模式的体系结构，服务器、高保真模拟器、控制台和多台客户端通过网络设备连接在一个局域网内。

作为本发明的进一步改进：训练考官通过所述控制台实现该模拟训练系统中所有设备的集中管理，令高保真模拟器为客户端训练、考核任务的开展提供实时的驱动数据；多台所述客户端通过局域网互连，学员通过客户端开展操作训练、考核时的任务是同步的。

作为本发明的进一步改进：所述高保真模拟训练系统采用可重用的脚本化培训机制，单次训练由若干个任务组成，单个任务又包含了若干个按照顺序执行的命令，同时，为生成训练操作所需的驱动数据，设置高保真模拟器的仿真场景，配置空间段星座仿真、地面站仿真、环境段仿真、故障仿真的初始参数，将上述训练任务配置及配套的仿真场景配置参数以训练任务脚本、仿真场景脚本的形式存入数据库中；在开展训练前，训练考官从服务器中提取类似任务的历史训练任务脚本、仿真场景脚本，稍作修改即可开展训练。

作为本发明的进一步改进：所述高保真模拟器对卫星导航系统的空间段、环境段、地面段进行仿真，对卫星导航系统的运行过程、信息流和数据交互过程进行模拟，确保模拟数据与真实数据的一致性。

作为本发明的进一步改进：所述模拟训练系统采用异常和突发任务随机注入的考试模式，通过模拟真实系统在运行过程中突发的异常和故障，展现一个高逼真度的模拟训练场景；其步骤如下：

步骤一：学员登录培训终端，通过数据库子系统验证用户名密码，登录成功后，等待培训任务发布；

步骤二：培训考官登录培训控制台，也通过数据库子系统验证用户名密码，登录成功后，看到当前参与培训的学员；

步骤三：培训考官在培训控制台上获取培训脚本，即模拟仿真场景脚本+培训任务脚本；

步骤四：培训考官在培训控制台上对脚本进行配置后发送给模拟仿真子系统和培训终端，模拟仿真子系统对系统进行初始化，学员收到培训任务脚本后，初始化训练任务；

步骤五：培训考官在培训控制台上发送开始培训指令到模拟仿真子系统和培训终端；

步骤六：模拟仿真子系统生成地面运控接口数据并以icd形式发送给培训终端，学员在培训终端根据icd数据完成培训任务i，同时培训控制台对模拟仿真子系统和培训终端进行监控；

步骤七：培训考官通过培训控制台向模拟仿真子系统和培训终端注入随机异常和突发任务指令；

步骤八：学员在步骤六的基础上，对于第(i+1)个任务，完成对异常信息和突发任务的培训操作；之后的若干个培训任务中，考官随时注入异常和突发任务，直至培训结束，培训终端和模拟仿真子系统分别保存相关数据。

作为本发明的进一步改进：通过所述控制台训练考官在事前设置高保真模拟器的仿真场景脚本，控制考核场景；在事中，触发任务指令、随机注入故障/异常，并监控学员操作情况；在事后，对学员训练与考核结果进行评估与分析。

作为本发明的进一步改进：所述客户端采用“向导式管理框架”+“内嵌真实系统软件”的结构，所述向导式管理框架包括逐层引导向导、横向布局向导、纵向布局向导、导航式向导四类，所述内嵌真实系统软件为卫星导航系统中投入使用的管理控制软件或监控软件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明提供卫星导航系统地面操作人员高保真模拟训练系统，操作人员可以在离线逼真、无惩罚的环境中熟悉卫星导航系统地面操作及功能，避免给真实系统引入错误和/或异常，具有经济、安全、可能性及试验可重复性的特点。

2、本发明采用可重用的脚本化培训机制，可以快速配置模拟仿真场景和训练任务，也可再现异常和故障，便于重复分析和训练，使培训任务得以快速高效率地开展。

3、本发明具备高保真数据模拟器，高精度地模拟了真实数据的特性，包括一般数据的正确性及故障、异常的突发性，使训练过程与在真实系统上操作无异，大大提高了培训效率。

4、本发明支持多媒体化的学习培训资源，培训资源分门别类、由浅入深，包括基础、实操、演练、考核等内容，资源形式丰富生动，有利于培训的展开，同时增加了培训的趣味性。

5、本发明采用的“向导式管理框架”+“内嵌真实系统软件”结构设计，向导式管理框架可以为新用户提供全方位引导，便于新用户快速掌握培训系统的使用方法，实现随到随学的培训目标；内嵌真实系统软件构成一种沉浸式的培训平台，使用户能够感受到真实软件的操作效果。

6、本发明采用“教师/考官在回路中”的培训与考核方式，教师/考官通过控制台随机注入系统故障或异常情况。强调异常的突发性和随机性，锻炼受训人员解决突发事件的思维和应变能力，能够提高培训有效性。

7、本发明能够满足卫星导航系统对系统操作人员高熟练度、高技术能力、类似故障快速定位解决等业务能力的需求。本发明基于高保真卫星导航模拟器，建立了一种卫星导航系统地面操作人员高保真模拟训练系统。平台采用“服务器-客户端”的分布式模式。服务器为“教师/考官在回路中”的培训与考核方式提供任务指令输入、故障/异常随机注入和训练与考核场景控制等功能；客户端采用“向导式管理框架”+“内嵌真实系统软件”的体系架构，能够在不影响北斗导航系统正常运行的条件下，使系统操作人员进行与真实系统一致的操作训练，并通过考核初步判定自己的操作等级，保障系统高效和低成本的运行。

附图说明

图1是本发明的卫星导航系统地面操作人员高保真模拟训练系统组成图。

图2是本发明在具体应用实例中卫星导航系统地面操作人员高保真模拟训练系统网络结构图。

图3是本发明在具体应用实例中卫星导航系统地面操作人员高保真模拟训练系统工作模式示意图。

图4是本发明在具体应用实例中可重用脚本化培训机制示意图。

图5是本发明在具体应用实例中多媒体化的学习培训资源分类图。

图6是本发明在具体应用实例中异常随机注入的考核模式流程示意图。

图7是本发明在具体应用实例中高保真模拟器结构图。

图8是本发明在具体应用实例中客户端“向导式管理框架”+“内嵌真实系统软件”结构示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种卫星导航地面操作人员高保真模拟训练系统，包括服务器、高保真模拟器、控制台和客户端四部分。其中，服务器用来存储用户信息、培训资源、考核资源、脚本资源等，是该高保真模拟训练系统的信息、资源存储中心；高保真模拟器用来实现卫星导航系统空间段、地面段、环境段模型的高精度数学仿真，并按照icd文件实现系统间接口仿真，为开展训练提供与真实系统一致的模拟数据；控制台用来实现系统用户管理、资源建设、培训/考核任务制定及评估、整个系统的监控等，为教师/考官进行任务指令输入、故障/异常随机注入和训练与考核场景控制提供支撑平台；客户端由北斗导航系统需要培训的各岗位人员操作，实现知识学习、实操训练、预案演练、能力考核等。其中，icd文件为interfacecontroldocument，接口控制文件，在本发明中指卫星导航系统各分系统间具体接口关系的设计文件。

在具体应用实例中，模拟训练系统的操作对象分为训练考官(含培训教师)和学员两类，训练考官操作控制台，建设卫星导航系统文档、多媒体类型的基础知识，真实导航系统监控、操作软件的操作训练指导，包含设定故障的预案，包含填空题、选择题、操作题等类型的考核试题等资源，并将其存入数据库，供学员培训、考核时使用。训练考官调用数据库中的用户信息可查看学员的学习、操作、考核情况，并对操作、考核进行评估。同时，训练考官通过控制台，在事前，可以设置高保真模拟器的仿真场景脚本，控制考核场景；在事中，可以触发任务指令、随机注入故障/异常；在事后，对训练与考核结果进行评估与分析。高保真模拟器按照训练任务的需求产生客户端操作训练、预案演练所需的驱动数据。学员为卫星导航系统的各类操作人员，包括卫星系统值班员、卫星数据分析值班员、地面系统管控值班员、地面系统信息处理值班员等，他们操作客户端进行岗位相关的知识学习、操作训练、预案演练、在线考核，并将训练状态和各类操作结果存入数据库中。

参见图2所示，在具体应用实例中，模拟训练系统采用c/s模式(即客户端-服务器模式，client/server，客户端/服务器结构，是一种软件系统体系结构；)的体系结构，服务器、高保真模拟器、控制台和多台客户端通过交换机、防火墙等网络设备连接在一个局域网内。

训练考官通过控制台实现该模拟训练系统中所有设备的集中管理，确保高保真模拟器能够为客户端训练、考核任务的开展提供实时的驱动数据；同时，多台客户端通过局域网互连，学员通过客户端开展操作训练、考核时的任务是同步的，保证了考核操作的公平性；在该模拟训练系统的服务器的承受范围内，客户端的数量可根据学员人数的需求进行扩展，平台中其他设备维持不变，实现该模拟训练系统的灵活应用。

在具体应用实例中，高保真模拟训练系统建设多媒体化的学习培训资源，以视频、多媒体课件、文档、实操软件等多媒体形式展现基础知识库、实操训练库、考核试题库、预案演练库等丰富的学习培训资源，使培训内容直观明了、多样化，提高培训效率。

参见图3，为卫星导航系统地面操作人员高保真模拟训练系统在具体应用时工作模式分类图，根据学员使用该平台进行的操作不同可分为知识学习、操作训练、预案演练、在线考核四种工作模式。新入职员工首先应进行业务学习，通过知识学习可从整体上认识了解本职岗位的基本业务，夯实理论基础；知识学习根据资源的不同又可分为包含word、pdf、txt等格式的文档，ppt课件，包含swf、avi、mp3等格式的视频三类。操作训练模式下，学员可操作卫星导航系统地面监控、操作软件，熟悉岗位相关的各类监控、操作软件的操作流程，掌握操作技巧；根据软件的类型分为真实系统软件和模拟软件，将卫星导航系统中投入使用的监控、操作软件内嵌到该训练平台中，利用高保真模拟器产生与真实系统中一致的驱动数据，使得学员使用该训练平台即可获得与真实系统一致的操作体验；基于模拟软件可对即将投入卫星导航系统的新设备、新技术的相关软件进行提前模拟操作，加深理解，减少误操作。预案演练模式下，根据实际卫星导航系统的运行创建包含特定故障、随机注入故障的预案，学员识别故障，并给出相应的解决方案，训练学员的危机处理意识，增强应急事故处理的能力；根据演练过程中与控制台是否有交互又分为模拟预案演练、交互式预案演练两类，模拟预案演练时学员操作提前定设好故障的预案，进行故障识别及故障处理，交互式预案演练时由训练考官在预案演练过程中随机注入单个或多个故障，并实时监控学员的操作反馈。在线考核模式下，学员可在训练考官不在线时进行模拟考试，对自己的进行摸底自测；当训练考官在线时进行交互式考核，训练考官有针对性地对学员进行能力评估及指导。

在具体应用实例中，高保真模拟训练系统采用可重用的脚本化培训机制，单次训练可能由若干个任务组成，单个任务又包含了若干个按照顺序执行的命令，同时，为生成训练操作所需的驱动数据，需要设置高保真模拟器的仿真场景，配置空间段星座仿真、地面站仿真、环境段仿真、故障仿真的初始参数，将上述训练任务配置及配套的仿真场景配置参数以训练任务脚本、仿真场景脚本的形式存入数据库中。在开展训练前，训练考官可从服务器中提取类似任务的历史训练任务脚本、仿真场景脚本，稍作修改即可快速高效的开展训练。

如图4所示，为卫星导航系统地面操作人员高保真模拟训练系统在具体应用时采用的可重用的脚本化培训机制，训练平台利用高保真模拟训练脚本开展培训，高保真模拟训练脚本由模拟仿真场景脚本和训练任务脚本组成，可以快速配置模拟仿真场景和训练任务，使系统可以快速高效率的开展培训任务。

高保真模拟训练脚本由模拟仿真场景脚本和训练任务脚本组成，可以从高保真模拟训练脚本库直接获取脚本，也可以从模拟仿真场景脚本库和训练任务脚本库选择脚本组成，用户可以对脚本进行修改、定制和复用，新的脚本又可以存储到脚本库中，以供下次使用，实现了灵活便利的训练机制。

模拟仿真场景脚本包含了星座仿真配置参数、地面站仿真配置参数、环境段仿真配置参数、icd接口仿真配置参数、卫星异常仿真配置参数、地面站异常仿真配置参数、数据异常仿真配置参数，模拟仿真场景脚本可以直接驱动高保真模拟系统的运行，为训练任务提供原始数据。

训练任务脚本由若干个任务组成，每个任务又包含了若干个按照顺序执行的命令。具体包含了测通系统维护任务、管控系统维护任务、测通系统故障处理任务、管控系统故障处理任务。通过训练任务脚本的配置，学员可以按照任务顺序向导式的完成培训要求，实现了训练任务的统一设定、管理和评估。

如图5所示，为卫星导航系统地面操作人员高保真模拟训练系统在具体应时多媒体化的学习培训资源分类图，培训系统支持多媒体化的学习培训资源。以视频、多媒体课件、文档、实操软件等多媒体形式展现基础知识库、实操训练库、考核试题库、预案演练库等丰富的学习培训资源，使培训内容直观明了、多样化，提高培训效率。基础知识库包括卫星导航基础、数据处理与分析、异常处理与分析等内容，旨在提供卫星导航定位相关的基础知识和数据处理方法，为受训人员夯实基础；实操训练库提供实际操作训练，考核试题库提供考核素材，预案演练库则提供主题性的包括异常情况在内的演练场景。视频、多媒体课件使培训内容生动直观，文档使培训内容详实丰富，实操软件则使培训场景真实有效，多媒体化的资源形式对提高培训效率、缩短培训周期有重要作用。

在具体应用实例中，高保真模拟训练系统支持异常和突发任务随机注入的考核模式，培训系统为了更加真实的训练学员应对系统故障和异常的处理能力，采用异常和突发任务随机注入的考试模式，可以模拟真实系统在运行过程中突发的异常和故障，展现一个高逼真度的模拟训练场景。

如图6所示，为卫星导航系统地面操作人员高保真模拟训练系统在具体应用时异常随机注入的考核模式流程图，培训系统为了更加真实的训练学员应对系统故障和异常的处理能力，采用异常和突发任务随机注入的考试模式，可以模拟真实系统在运行过程中突发的异常和故障，展现一个高逼真度的模拟训练场景。其步骤如下：

步骤一：学员登录培训终端，通过数据库子系统验证用户名密码，登录成功后，等待培训任务发布；

步骤二：培训考官登录培训控制台，也通过数据库子系统验证用户名密码，登录成功后，可以看到当前参与培训的学员；

步骤三：培训考官在培训控制台上获取培训脚本(模拟仿真场景脚本+培训任务脚本)；

步骤四：培训考官在培训控制台上对脚本进行配置后发送给模拟仿真子系统和培训终端，模拟仿真子系统对系统进行初始化，学员收到培训任务脚本后，初始化训练任务；

步骤五：培训考官在培训控制台上发送开始培训指令到模拟仿真子系统和培训终端；

步骤六：模拟仿真子系统生成地面运控接口数据并以icd形式发送给培训终端，学员在培训终端根据icd数据完成培训任务(i)，同时培训控制台对模拟仿真子系统和培训终端进行监控；

步骤七：培训考官通过培训控制台向模拟仿真子系统和培训终端注入随机异常和突发任务指令；

步骤八：学员在步骤六的基础上，对于第(i+1)个任务，完成对异常信息和突发任务的培训操作。之后的若干个培训任务中，考官亦可以随时注入异常和突发任务，直至培训结束，培训终端和模拟仿真子系统分别保存相关数据。

在具体应用实例中，高保真模拟器采用高精度数据模型对卫星导航系统的空间段、环境段、地面段进行仿真，对卫星导航系统的运行过程、信息流和数据交互过程进行模拟，为客户端学员的操作训练提供驱动数据，使得学员使用该培训平台进行的操作与实际系统中的操作一致，确保上岗后能够熟练操作真实系统。

如图7所示，为卫星导航系统地面操作人员高保真模拟训练系统中高保真模拟器的结构图，为了确保培训的有效性和可靠性，培训系统采用高保真度模拟器进行数据模拟，随后将模拟产生的高保真数据按照数据接口格式进行编排，输入现有系统监控软件，作为其驱动数据；同时，模拟器接收监控软件发出的指令等数据后，作出相应的反应。

高保真数据模拟器对卫星导航系统的运行过程、信息流和数据交互过程进行模拟，采用高精度数据模型对卫星导航系统的空间段、环境段、地面段进行仿真，确保数据的特性与真实系统一致。

模拟器支持对异常和故障情况的仿真，包括原子钟故障、伪距异常等异常情况；模拟器基于各类异常条件计算模型状态，得到相应的异常数据输入真实系统监控软件，确保受训人员能够在培训中经历并学习异常情况的现象和处理方法，并能够再现、分析异常，提高培训的质量，锻炼受训人员的异常解决能力。

在具体应用实例中，客户端采用“向导式管理框架”+“内嵌真实系统软件”的设计结构，向导式管理框架包括逐层引导向导、横向布局向导、纵向布局向导、导航式向导四类，为新用户提供操作引导，新用户在不需要阅读说明文档的情况下即可快速掌握培训系统的使用方法，实现随到随学的培训目标。同时客户端采取内嵌式实际系统的设计方案，内嵌式实际系统可以实现沉浸式的实操训练体验，实现与实际系统相同的操作训练过程，最高效率的培训学员达到实操岗位的需求。

参见图8所示，为卫星导航系统地面操作人员高保真模拟训练系统在具体应用时客户端采用的“向导式管理框架”+“内嵌真实系统软件”结构设计图，向导式管理框架由逐层引导向导、横向布局向导、纵向布局向导、导航式向导组成，向导式管理框架培训系统可以为新用户提供引导，新用户在不需要阅读说明文档的情况下即可快速掌握培训系统的使用方法，实现随到随学的培训目标。

在模拟演练模块，培训系统采取内嵌式实际系统的设计方案，内嵌式实际系统可以实现沉浸式的实操训练体验，实现与实际系统相同的操作训练过程，最高效率的培训学员达到实操岗位的需求。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。