一种基于双向通信卫星的互动教育系统及其工作方法与流程

本发明涉及远程教育技术领域，具体地，涉及一种基于双向通信卫星的互动教育系统及其工作方法。

背景技术：

由于历史及地理等原因，我国各地的经济社会发展极为不均衡，进而由于通信设备等基础设施的建设不平衡，容易导致各地的教育发展不平衡，同时由于在经济发达地区应用了大规模的云计算、云存储、智慧教育引擎、自助式互动终端等数字技术，更加大了与经济落后地区的教育鸿沟。

由于卫星通信先天具备全域覆盖、广播式下行信道成本低廉、成本不会随投放规模而线性增加等优势，同时也兼顾了双工信道，因此特别适合于通信基础设施滞后的老少边穷地区进行远程信息化教育。但是，由于传统的卫星广播电视教学方案的限制，主要存在以下问题：（1）只能进行广播式单向信息投放，由于缺乏教学反馈，无法及时更新升级，严重滞后于教育一线的实际需求，很难适应经常性的教改要求；（2）无法实现交互式教学，受教方无法享受远程答疑、网上阅卷和作品发布等互联网远程教育模式下的服务；（3）话语权集中，无法适应互联网教育的“去中心化”和优质教育资源碎片化、异步化、个性化等趋势（即教育内容的创造者、传播者及使用者越来越分散），不利于在时间或空间上对教育活动进行灵活性安排，例如，由于播出时间固定，无法根据学校实际情况甚至教学班的情况来灵活调度教学计划。

技术实现要素：

针对前述现有技术的问题，本发明提供了一种基于双向通信卫星的互动教育系统及其工作方法，利用双向通信卫星，既可以进行广播式单向信息投放，又可以进行单播式双向信息交互，使施教方能够获知受教方的反馈内容，以便进行下一步教学动作，如此可使得受教方能够享受到互联网远程教育模式下的服务，并及时得到软件升级和教改内容的更新，追上教育一线的步伐；同时可利用在施教方侧的因特网络分散施教方的话语权，方便在时间或空间上对教育活动进行灵活性安排。此外，所述互动教育系统还具有覆盖范围广、成本低和互动教育全面等优点，便于实际推广和应用。

本发明采用的技术方案,一方面提供了一种基于双向通信卫星的互动教育系统，包括双向通信卫星、教育资源管理服务器、地面主站和若干个地面小站，其中，所述地面主站包括播发服务器、第一IPDVB网关和第一卫星通信收发设备，所述地面小站包括第二卫星通信收发设备、第二IPDVB网关、路由器、缓存服务器和若干个教学终端；所述教育资源管理服务器通过因特网络通讯连接所述播放服务器，所述播放服务器依次通讯连接所述第一IPDVB网关和所述第一卫星通信收发设备，所述第一卫星通信收发设备通过所述双向通信卫星可通讯连接各个地面小站的第二卫星通信收发设备；所述第二卫星通信收发设备依次通讯连接所述第二IPDVB网关和所述路由器，所述路由器还分别通讯连接所述缓存服务器和各个所述教学终端，并在地面小站本地形成一个局域网络。

优化的，所述第一卫星通信收发设备或所述第二卫星通信收发设备由卫星收发天线、低噪声放大器、下变频器、上变频器、功率放大器和调制解调器构成；所述卫星收发天线、所述低噪声放大器、所述下变频器和所述调制解调器依次通讯串联，形成下行接收链路；所述调制解调器、所述上变频器、所述功率放大器和所述卫星收发天线依次通讯串联，形成上行发送链路。

优化的，还包括通讯连接所述教育资源管理服务器的摄像机和显示屏。

优化的，还包括通讯连接所述教育资源管理服务器的即时通讯设备。

优化的，所述地面主站还包括3A服务器。

优化的，所述地面小站还包括通讯连接所述路由器的AP接入点。

优化的，所述教学终端为显示器、台式电脑、笔记本电脑、平板电脑或智能手机。

本发明采用的技术方案,另一方面提供了一种前述基于双向通信卫星的互动教育系统的工作方法，包括如下步骤：S101.教育资源管理服务器将教育资源数据及对应的互动许可指示和目标地面小站标识传送至播发服务器； S102.播发服务器接收所述教育资源数据及对应的互动许可指示和目标地面小站标识，若对应的互动许可指示有效，则生成许可反馈时间信息，并根据所述目标地面小站标识将所述教育资源数据和所述许可反馈时间信息打包成第一IP数据包，否则直接根据所述目标地面小站标识将所述教育资源数据打包成第一IP数据包，然后将所述第一IP数据包传送至第一IPDVB网关；S103.第一OPDVB网关将所述第一IP数据包封装到第一TS流，然后选择DVB-S信道作为前向链路，通过双向通信卫星将所述第一TS流传输至目标地面小站的第二OPDVB网关；S104.第二OPDVB网关对所述第一TS流进行解封，恢复所述第一IP数据包，然后经路由器解析，获取所述教育资源数据/和所述许可反馈时间信息，并存储在缓存服务器中；S105.教学终端访问缓存服务器，获取并展示所述教育资源数据，若存在与所述教育资源数据对应的许可反馈时间信息，则许可生成反馈信息，并在生成反馈信息后，将所述反馈信息反馈至缓存服务器中，然后执行步骤S106～S108，否则结束；S106.缓存服务器根据所述许可反馈时间信息按时将所述反馈信息传送至路由器，然后经路由器打包形成第二IP数据包，最后将所述第二IP数据包传送至第二OPDVB网关；S107.第二OPDVB网关将所述第二IP数据包封装到第二TS流，然后选择DVB-RCS信道作为后向链路，通过双向通信卫星将所述第二TS流传输至地面主站的第一OPDVB网关；S108.第一OPDVB网关对所述第二TS流进行解封，恢复所述第二IP数据包，然后经播发服务器解析，获取所述反馈信息，并传送至教育资源管理服务器中。

优化的，当所述基于双向通信卫星的互动教育系统还包括摄像机和显示屏时，所述教育资源数据包括通过摄像机即时录制的音视频数据，同时在所述步骤S108之后还包括如下步骤：教育资源管理服务器将所述反馈信息送至显示屏进行展示。

优化的，当所述基于双向通信卫星的互动教育系统还包括即时通讯设备且所述反馈信息包含考核数据时，在所述步骤S108之后还包括如下步骤：教育资源管理服务器对所述考核数据进行处理，获取考核成绩，然后通过即时通讯设备将所述考核成绩推送至第三方目标终端。

综上，采用本发明所提供的一种基于双向通信卫星的互动教育系统及其工作方法，具有如下有益效果：（1）利用双向通信卫星，既可以进行广播式单向信息投放，满足现行的应用的需求，又可以进行单播式双向信息交互，使施教方能够获知受教方的反馈内容，以便进行下一步教学动作，如此可使得受教方能够享受到诸如远程答疑、网上阅卷和作品发布等互联网远程教育模式下的服务，并及时得到软件升级和教改内容的更新，追上教育一线的步伐；（2）可利用在施教方侧的因特网络分散施教方的话语权，可符合互联网教育的“去中心化”和优质教育资源碎片化、异步化、个性化等趋势，方便在时间或空间上对教育活动进行灵活性安排；（3）可通过卫星通信大大提高教育信息化覆盖范围，可为偏远地区的教育提供更为廉价、灵活和广泛参与的互动式教学支持；（4）在进行单播式双向信息交互时，可以通过预设反馈时间来高效地利用卫星通信的反向链路，使租用资费最小化；（5）互动教育方式更全面，便于实际应用和推广，一方面通过在施教方侧配置摄像机和显示屏，可以方便组织远程的教师或专家座席，实现在线的教学沟通，另一方面通过在施教方侧配置即时通讯设备，可以在第一时间将教学效果反馈至监护人侧，使远方的家长也能及时地参与到家校教育互动中，特别适用于偏远地区由“空巢老人”监护的“留守儿童”的教育环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于双向通信卫星的互动教育系统的结构示意图。

图2是本发明提供的基于双向通信卫星的互动教育系统的工作流程图。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的基于双向通信卫星的互动教育系统及其工作方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

实施例一

图1示出了本发明提供的基于双向通信卫星的互动教育系统的结构示意图，图2示出了本发明提供的基于双向通信卫星的互动教育系统的工作流程图。本实施例提供的所述基于双向通信卫星的互动教育系统，包括双向通信卫星1、教育资源管理服务器2、地面主站3和若干个地面小站4，其中，所述地面主站3包括播发服务器301、第一IPDVB网关302和第一卫星通信收发设备303，所述地面小站4包括第二卫星通信收发设备401、第二IPDVB网关402、路由器403、缓存服务器404和若干个教学终端405；所述教育资源管理服务器2通过因特网络通讯连接所述播放服务器301，所述播放服务器301依次通讯连接所述第一IPDVB网关302和所述第一卫星通信收发设备303，所述第一卫星通信收发设备303通过所述双向通信卫星1可通讯连接各个地面小站4的第二卫星通信收发设备401；所述第二卫星通信收发设备401依次通讯连接所述第二IPDVB网关402和所述路由器403，所述路由器403还分别通讯连接所述缓存服务器404和各个所述教学终端405，并在地面小站本地形成一个局域网络。

如图1所示，在所述互动教育系统的结构中，所述双向通信卫星1为采用IP Over DVB（Digital Video Broadcasting，数字视频广播）-S/RCS（Satellite / Return channel over system ，卫星或返回信道系统）模式通信的现有卫星，其可以利用DVB-S信道和DVB-RCS信道来分别作为前向链路和后向链路，实现双向通信，其中，DVB-S信道的带宽远大于DVB-RCS信道的带宽，非常适合于大数据下发和少量数据的反馈的互动通信；所述教育资源管理服务器2用于储存施教方的教育资源数据，并对教育资源数据进行资源管理，其中，所述教育资源数据可以但不限于包括教学音视频、教学案件、考题试卷和互动教育系统的软件升级程序；所述地面主站3和地面小站4均为双向通信站，其中，所述播放服务器301一方面用于根据来自所述教育资源管理服务器2的数据，制定下发策略，并构造IP数据包，然后向所述第一IPDVB（IP Over DVB）网关302发送，另一方面用于对来自地面小站侧的IP数据包进行解析，获取其中的内容；所述第一IPDVB网关302和所述第二IPDVB网关402分别用于对IP数据包进行TS流（Transport Stream，传输流，是一种将一个节目的多个组成部分按照它们之间的互相关系进行组织并加入各组成部分关系描述和节目组成信息,并进一步封装成传输包后的码流，其是将视频、音频、PSI等数据打包成传输包进行传送，主要用于节目传输，TS流的传输包长度固定，一般为188字节）的封装或解析；所述第一卫星通信收发设备303和所述第二卫星通信收发设备401用于利用卫星信道进行TS流数据的发送和接收，实现地面主站和地面小站之间的双向通信,所述路由器403一方面用于组建处于地面小站侧的本地局域网，实现局域网下各个设备之间的通信，另一方面用于对IP数据包进行解析或者构造IP数据包；所述缓存服务器404一方面用于缓存来自施教方侧的教育资源数据和来自受教方的反馈信息等内容，另一方面用于为本地的受教方提供访问服务，并启动卫星反馈通信机制；所述教学终端405用于访问所述缓存服务器404，展示来自施教方侧的教育资源数据，并产生反馈信息，其可以但不限于为显示器、台式电脑、笔记本电脑、平板电脑或智能手机等电子设备。

基于前面各个模块的功能描述，整个基于双向通信卫星的互动教育系统的工作方法，可以但不限于包括如下步骤：S101.教育资源管理服务器将教育资源数据及对应的互动许可指示和目标地面小站标识传送至播发服务器；S102.播发服务器接收所述教育资源数据及对应的互动许可指示和目标地面小站标识，若对应的互动许可指示有效，则生成许可反馈时间信息，并根据所述目标地面小站标识将所述教育资源数据和所述许可反馈时间信息打包成第一IP数据包，否则直接根据所述目标地面小站标识将所述教育资源数据打包成第一IP数据包，然后将所述第一IP数据包传送至第一IPDVB网关；S103.第一OPDVB网关将所述第一IP数据包封装到第一TS流，然后选择DVB-S信道作为前向链路，通过双向通信卫星将所述第一TS流传输至目标地面小站的第二OPDVB网关；S104.第二OPDVB网关对所述第一TS流进行解封，恢复所述第一IP数据包，然后经路由器解析，获取所述教育资源数据/和所述许可反馈时间信息，并存储在缓存服务器中；S105.教学终端访问缓存服务器，获取并展示所述教育资源数据，若存在与所述教育资源数据对应的许可反馈时间信息，则许可生成反馈信息，并在生成反馈信息后，将所述反馈信息反馈至缓存服务器中，然后执行步骤S106～S108，否则结束；S106.缓存服务器根据所述许可反馈时间信息按时将所述反馈信息传送至路由器，然后经路由器打包形成第二IP数据包，最后将所述第二IP数据包传送至第二OPDVB网关；S107.第二OPDVB网关将所述第二IP数据包封装到第二TS流，然后选择DVB-RCS信道作为后向链路，通过双向通信卫星将所述第二TS流传输至地面主站的第一OPDVB网关；S108.第一OPDVB网关对所述第二TS流进行解封，恢复所述第二IP数据包，然后经播发服务器解析，获取所述反馈信息，并传送至教育资源管理服务器中。

在所述步骤S101中，所述互动许可指示可以是“0”或“1”的二机制位标识，其中，“0”指示“不互动”，“1”指示“互动”，也可是由互动起始时间字段和互动结束时间字段组成的互动时段信息，其中，所述互动起始时间字段指示互动起始时间点（即租用DVB-RCS信道的起始时间），字段为空指示“不互动”，所述互动结束时间字段指示互动结束时间点（即租用DVB-RCS信道的结束时间），字段为空指示“不互动”，这两个时间字段可以由教育资源管理服务器自行指定，也可以是在先前的互动通信过程中，由地面小站侧通过反馈信息来预约，以便在本次互动通信中，提前租用DVB-RCS信道来进行集中互动答疑，从而可以分时租用DVB-RCS信道，节省租用成本；所述目标地面小站标识为本次教育资源数据所要发送的地面小站的识别标识（例如相当于目标手机的手机号码），当所述目标地面小站标识为广播地面小站标识或组播地面小站标识时，对应的教育资源数据为广播式单向信息投放，此时不允许互动，即所述互动许可指示无效，后续执行到步骤S105即结束本次通信，当所述目标地面小站标识为目为单播地面小站标识时，对应的教育资源数据可以为单播式单向信息投放（即所述互动许可指示无效，后续执行到步骤S105结束本次通信），也可以为单播式双向信息交互（即所述互动许可指示有效，后续执行到步骤S108结束本次通信）。在所述步骤S102中，所述许可反馈时间信息可以由播放服务器自行分配或安排，也可以在所述互动许可指示包含互动时段信息时，如果该互动时段信息要要求的反馈时间与当前的时间安排不冲突，则为该互动时段信息。在所述步骤S105中，所述反馈信息可以但不限于是接收确认信息、答疑问题信息、在线考试时的考核数据或者是预约进行集中式互动答疑的下一次互动时段信息等内容。

由此通过所述互动教育系统及其工作方法，利用双向通信卫星，既可以进行广播式单向信息投放或单播式单向信息投放，又可以进行单播式双向信息交互，使施教方能够获知受教方的反馈内容，以便进行下一步教学动作，如此可使得受教方能够享受到互联网远程教育模式下的服务，并及时得到软件升级和教改内容的更新，追上教育一线的步伐；同时可利用在施教方侧的因特网络分散施教方的话语权，方便在时间或空间上对教育活动进行灵活性安排。此外，所述互动教育系统还具有覆盖范围广、成本低和互动教育全面等优点，便于实际推广和应用。

优化的，所述第一卫星通信收发设备303或所述第二卫星通信收发设备401由卫星收发天线501、低噪声放大器502、下变频器503、上变频器504、功率放大器505和调制解调器506构成；所述卫星收发天线501、所述低噪声放大器502、所述下变频器503和所述调制解调器506依次通讯串联，形成下行接收链路；所述调制解调器506、所述上变频器504、所述功率放大器505和所述卫星收发天线501依次通讯串联，形成上行发送链路。如图1所示，在卫星通信收发设备中，所述卫星收发天线501用于向远端发射无线电卫星信号或接收来自远端的无线电卫星信号；所述低噪声放大器502用于放大接收到的无线电卫星信号；所述下变频器503用于将高载波的无线电卫星信号下变频为无载波的模拟电信号；所述调制解调器506用于对所述模拟电信号进行解调，获取数字电信号，以便后续路由器接收处理，同时用于对来自路由器的数字电信号进行调制，生成待发送的模拟电信号；所述上变频器504用于将所述待发送的模拟电信号上变频为处于发送频段的待发送无线电卫星信号；所述功率放大器505用于提高所述待发送无线电卫星信号的射频功率，以便通过所述卫星收发天线501进行发送。

优化的，还包括通讯连接所述教育资源管理服务器2的摄像机6和显示屏7。通过在施教方侧配置摄像机和显示屏，可以方便组织远程的教师或专家座席，实现在线的教学沟通。此时，在所述步骤S101中的所述教育资源数据包括通过摄像机即时录制的音视频数据，同时在所述步骤S108之后还包括如下步骤：教育资源管理服务器将所述反馈信息送至显示屏进行展示，如此可以实现在线的互动教学。

优化的，还包括通讯连接所述教育资源管理服务器2的即时通讯设备。所述即时通讯设备可以但不限包括即时通讯服务器、短信网关和/或短信猫等设备，其中，所述即时通讯服务器可以但不限于为可进行即时通讯的Web服务器或APP服务器。如图1所示，作为进一步优化的，在本实施例中，所述即时通讯设备包括即时通讯服务器8、短信网关9和短信猫10，从而可以通过网页弹窗方式、对话消息推送方式和/或短信方式，在第一时间将教学效果反馈至监护人侧的第三方通讯终端，其中，所述第三方通讯终端可以但不限于为台式电脑、笔记本电脑、平板电脑或智能手机等电子设备，从而可使远方的家长也能及时地参与到家校教育互动中，特别适用于偏远地区由“空巢老人”监护的“留守儿童”的教育环境。此时，在所述步骤S105中的所述反馈信息包含考核数据时，在所述步骤S108之后还包括如下步骤：教育资源管理服务器对所述考核数据进行处理，获取考核成绩，然后通过获取考核成绩，然后通过即时通讯设备将所述考核成绩推送至第三方目标终端。

优化的，所述地面主站3还包括3A服务器304。所述3A（即AAA ，认证/Authentication：验证用户的身份与可使用的网络服务；授权/Authorization：依据认证结果开放网络服务给用户；计帐/Accounting：记录用户对各种网络服务的用量，并提供给计费系统）服务器为认证、鉴权和计费服务器，用于对各个地面小站4进行账户认证、安全和计费等管理服务。

优化的，，所述地面小站还包括通讯连接所述路由器403的AP接入点406。通过设置所述AP接入点406，可以在地面小站的本地构建起一个WiFi无线局域网，便于具备WiFi功能的教学终端访问所述缓存服务器404。

综上，本实施例所提供的基于双向通信卫星的互动教育系统及其工作方法，具有如下有益效果：（1）利用双向通信卫星，既可以进行广播式单向信息投放，满足现行的应用的需求，又可以进行单播式双向信息交互，使施教方能够获知受教方的反馈内容，以便进行下一步教学动作，如此可使得受教方能够享受到诸如远程答疑、网上阅卷和作品发布等互联网远程教育模式下的服务，并及时得到软件升级和教改内容的更新，追上教育一线的步伐；（2）可利用在施教方侧的因特网络分散施教方的话语权，可符合互联网教育的“去中心化”和优质教育资源碎片化、异步化、个性化等趋势，方便在时间或空间上对教育活动进行灵活性安排；（3）可通过卫星通信大大提高教育信息化覆盖范围，可为偏远地区的教育提供更为廉价、灵活和广泛参与的互动式教学支持；（4）在进行单播式双向信息交互时，可以通过预设反馈时间来高效地利用卫星通信的反向链路，使租用资费最小化；（5）互动教育方式更全面，便于实际应用和推广，一方面通过在施教方侧配置摄像机和显示屏，可以方便组织远程的教师或专家座席，实现在线的教学沟通，另一方面通过在施教方侧配置即时通讯设备，可以在第一时间将教学效果反馈至监护人侧，使远方的家长也能及时地参与到家校教育互动中，特别适用于偏远地区由“空巢老人”监护的“留守儿童”的教育环境。

如上所述，可较好地实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的基于双向通信卫星的互动教育系统及其工作方法并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。