民商航天资源教学运用探索与实践

摘  要：针对当前高校航天类人才培养面临的教学训练系统套量不足和使用权限受限的瓶颈问题，开展民商航天资源教学运用探索与实践。构建基于民商航天资源的教学训练平台，对零散、空闲民商卫星和测控站进行整合与利用，打造成体系的优质教学资源，发挥民商航天资源开放灵活的优势，挖掘民商航天资源的教学应用潜力；创新基于民商航天资源的课堂教学与实践训练内容及方法，为高校航天类教学训练提供鲜活、宝贵的教学案例、数据样本、思政资源、实验条件和训练设施，获得良好的知识传授、技能培训、能力培养、课程思政效果。

关键词：民商；航天资源；教学训练；测控；卫星；课程思政

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）02-0079-05

Abstract： In view of the bottleneck problem of insufficient amount of teaching and training system and restricted use authority faced by the cultivation of aerospace talents in colleges and universities， we carry out exploration and practice of teaching using civil and commercial aerospace resources. A teaching and training platform based on civil and commercial aerospace resources is constructed， integrating and utilizing the scattered and idle civilian satellites and TT&C stations， thus building a system of high-quality teaching resources， which gives full play to the advantages of openness and flexibility of civilian aerospace resources， and explores the teaching application potential of civilian aerospace resources. The content and methods of classroom teaching and practical training based on civilian aerospace resources are innovated， providing vivid and valuable teaching cases， data samples， ideological and political education resources， experimental conditions and training facilities for aerospace teaching and training in colleges and universities， thus obtaining good effects of knowledge transfer， skill training， ability cultivation and ideological and political education.

Keywords： civil business; space resources; teaching training; TT&C; satellite; curriculum ideology and politics

航天领域技术先进、交叉融合、可靠性要求高、工程实践性强的特点[1]，对高校航天类，尤其是应用航天类人才培养提出了较高要求，除了要传授宽厚的专业基础知识，培养科技创新能力，为胜任航天技术研究、系统研发奠定必要基础；而且要求通过实装操作和装备运用等实践教学，培养学生对航天系统进行操控、维护和管理的能力，满足航天任务类岗位任职要求[2-3]。

然而，目前高校航天类教学训练面临着如下现实问题。

首先，在轨卫星、地面测控站等航天类装备价值高、数量少，可供教学的实装系统套量与学生数量不匹配，不能很好地支持多名学生同步开展实践训练或实验教学，课堂效率不高。部分高校利用自研卫星、测控站、分系统设备等开展教学，一定程度上缓解了上述问题；但数量极为有限，所提供的测控弧段有限，教学时间窗口短暂或与课表不匹配。

其次，高校虽是各级各类航天专业人才培养单位，但并非航天资产管控的职能单位，欠缺对在轨卫星的测控权限以及地面测控站的使用权限。学员虽然可以通过现地教学、实习、见习等环节赴相关职能单位进行体验，但受场地、设备和任务等限制，不能为教学提供成体系、足够数量的航天系统。

相比之下，民商航天资源发展迅猛、资源丰富，没有在编航天系统的严苛管理，没有航天任务的严格约束，允许操控的空间和余地较大；而技术体制、任务流程、任务岗位等却与在编航天系统一致，且商业任务空闲时段较多，具备支撑航天类专业教学训练的良好基础。因此，亟需挖掘民商航天资源的教学应用潜力，构建基于民商航天资源的教学训练平台，对零散、空闲民商卫星和测控站进行整合与利用，发挥民商航天资源开放灵活、校企合作意愿强等优势，打造与实际航天系统同步的教学训练条件，为航天类专业教学、实践训练提供必不可少的真实航天设备和系统。

一 基于民商航天资源的教学训练平台构建

（一） 体系架构

基于民商航天资源的教学训练平台总体构成如图1所示。在高校建设民商航天资源调度中心系统（平台大中心），实现对民商航天资源的集中综合管理与有效运用。大中心通过互联网接入若干民商航天企业的测运控中心系统（平台分中心），再通过各分中心接入各民商航天企业下辖的若干地面测控站，以及各企业管理的多颗不同类型在轨民商卫星。除此之外，部分民商单位并无测运控中心系统，只有少量测控站，则不通过分中心直接接入平台大中心；部分民商单位只有在轨卫星，则通过向高校开放测控权限的方式接入平台。

总而言之，通过创新混合异构的体系架构、通用兼容的接口方式、开放灵活的合作机制，实现多源民商航天资源统筹和运用，汇聚广域分布的测控资源、多载荷类型卫星资源支持教学，充分发挥民商航天资源效益，为航天类教学训练提供宝贵、鲜活的资源，较好地解决本文开头指出的现实问题。

图1 基于民商航天资源的教学训练平台体系架构

（二） 软件系统

软件系统采用B/S架构模式，基于linux操作系统和互联网，用户通过域名和账户进行访问操作，后期可移植至公有云，系统架构如图2所示。

1  运行环境

系统采用B/S架构模式，基于linux操作系统和互联网，运行在CentOS7.5系统上，可部署至公有云、私有云或物理主机。

2  网络通信

系统同时支持TCP与UDP传输层通信协议。

3  应用支撑

系统依托成熟第三方应用系统作为基础服务，使用rabbitmq消息队列作为系统内部通信骨干，Nginx服务器作为网络连接反向代理和静态资源服务器，tomcat作为测控业务web服务器，grafana提供遥测历史查询功能，mycat用于数据库代理，Cesium用于三维渲染引擎。

4 数据层与数据库

系统使用mariadb数据库作为系统运行支持库，redis内存数据库作为系统缓存，Influxdb时序数据库作为遥测信息持久存储库，并在数据库之上定义完整的数据操作和存储策略，支持测控业务的运行。

5 业务层

完成航天器遥测、遥控处理，控制计算，健康评估，计划生成等测控管理功能，完成测控网监视与控制功能。

6  展示层与前端UI

前端服务采用http、WebSocket应用协议与后端服务进行数据通信，实现基于浏览器的系统功能展示与操作，提供丰富航天器的2维/3维态势展示方式。

系统数据分为实时处理和非实时处理两部分。由网络通信、数据交换、遥测处理、遥控处理、实时存储、实时显示、控制计算和前后端等功能组成，各功能之间的数据流如下。

外部与网络通信之间通过UDP/TCP协议完成数据传输；网络通信、数据交换、遥控处理、遥测处理、实时存储、实时显示之间采用消息通信进行数据传输；实时显示采用WebSocket向显示前端推送数据；控制计算向后端开放调用接口，完成数据交互；遥控处理通过消息通信接收后端发送的遥控命令；显示前端与后端之间通过http协议完成数据交互；系统通过显示前端和用户之间完成信息交互。

（三）  运行模式

高校平台大中心对所接入的民商航天资源进行统一协同和调配，根据各民商测运控中心系统上报的各自所管辖的星地态势进行汇总分析，结合教学训练任务需求，采用以下几种运行模式开展教学。

1  需求订单模式：单一企业资源支持教学模式

平台大中心根据各民商航天测运控中心系统推送的空闲时段，优选对教学训练任务满足度最高的民商航天企业，将对民商航天资源支持教学训练的需求清单下发至选定的民商测运控中心系统，由民商测运控中心系统完成本企业航天资源的任务规划、资源调度、测控站网控制、在轨卫星测控等具体工程任务，将任务状态、数据实时共享至高校平台大中心，从而支持教学训练。

2  询问优选模式：询问优选企业支持教学模式

高校也可初选多家民商企业的资源支持教学任务，向初选的多家民商测运控中心系统下发需求，民商测运控中心接收并确定是否响应。如果有多个民商测运控中心系统响应，则由高校最终选定最佳服务单位。若各民商测运控中心均回复无法满足需求，则启动如下所述的多民商航天企业混合资源支持教学的总体调度模式。

3  联合调度模式：多企业混合资源支持教学模式

在单一民商航天企业所管辖的地面站网或在轨卫星资源均无法满足教学需求时，则由平台大中心根据各家航天资源的空闲时段，对多家企业地面站网和在轨卫星资源进行统一规划调度，生成混合资源任务计划，下发至参与教学任务的各民商航天测运控中心，多家民商企业联动配合完成任务。

（四）  平台特色

1  建设集约高效，航天资产价值充分发挥

采用整合、利用现有民商航天资源的创新途径，以开放融合的创新理念，构建天地一体、广域分布的新型教学条件，避免高价值的航天系统重复建设问题，充分发挥民商航天资源的应用余量，用较小的经费投入获取较高的建设效益。如此庞大的教学资源体系，仅靠教学条件建设的传统路子是无法实现的。

2  装备远程接入，复杂体系不占高校场地

通过网络远程接入广域分布的民商测控中心、测控站等航天设施，这些大量设施不占用高校场地。在高校任意教室、实验室、训练场等教学场所，只需部署一定数量的笔记本电脑，运行平台大中心软件系统，即可通过网络远程接入控制异地部署的大量航天设施。这是一套小核心、大外围的新型教学条件。