覆盖指定区域的卫星通信组网虚拟仿真实验教学创新研究

摘  要：卫星通信组网存在的空间跨度巨大、轨位受限、频率受控、系统复杂且节点动态可变等因素，导致实体实验平台建设成本极高，且无法开展系统级的多因素实验教学活动，开展卫星通信组网虚拟仿真实验教学是必要的。重庆邮电大学信息通信技术与网络国家级虚拟仿真实验教学中心凸显信息通信专业特色，依托科研项目成果转换，开发覆盖指定区域的卫星通信组网虚拟仿真实验教学系统，以“强实践动手、铸工程素养、培创新能力”为培养理念，建设“学、践、研、赛、创”五位一体的教学资源，避免传统实验教学对卫星通信组网设计不可见、高成本、空时受限等问题，激发学生工程意识，提高实践创新能力。

关键词：虚拟仿真；实验教学；卫星通信组网；创新能力；实验设计

中图分类号：G642         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）19-0040-04

Abstract： Due to the huge space span， limited orbit， controlled frequency， complex system and dynamic node of satellite communication network， the construction cost of its actual experiment platform is very high， so that it is unable to carry out system level multi-factor experiment teaching activities. Therefore， it is necessary to carry out virtual simulation experiment teaching of satellite communication network. The national virtual simulation experimental teaching center of information and communication technology and network of Chongqing University of Posts and Telecommunications highlights the characteristics of information and communication specialty. Relying on the transformation of scientific research achievements， it has developed a virtual simulation experimental teaching platform of satellite communication network for covering designated areas. With the cultivation concept of "strengthening practice， casting engineering literacy， and cultivating innovation ability"， "learning， practice， research， competition， and innovation" platform has been constructed. The five in one teaching  resources could effectively avoid the problems invisible， high cost， and space-time limitation in traditional experimental teaching， which has significantly stimulated students' engineering consciousness and improved their practical innovation ability.

Keywords： virtual simulation; experiment teaching; satellite communication network; innovation ability; experimental design

在经济全球化和新型工业化道路牵引下，面向工程实践，培养卓越工程科技人才是高等工程教学的首要任务[1-2]。自我国加入《华盛顿协议》和推出新工科计划以来，在推进信息化与工业化融合、创新型国家和人才培养战略要求下，以学生学习产出为导向，培养实践能力强、工程创新意识高的高素质复合型人才是高等院校对毕业生的培养目标。作为工程创新能力培养的不可或缺部分，实验教学积极适应计算机信息技术的快速发展，深度融合信息技术和教育教学，采用虚拟仿真等技术克服传统实体实验教学危险性高、建设成本大、资源分布不均及共享性低等诸多问题，多维度扩展实验教学内容，盘活实验教学示范共享性，助力高等工程教育对人才培养模式的变革，实现从知识技能型人才向应用创新型人才的转变，推进高等工程教学生态体系[3]。自2017年教育部发布《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》以来，全国高校掀起了建设虚拟仿真实验的热潮。截至2020年，在60个学科类别中已经认定了1 078项[4]。2018年8月教育部又明确要打造包括虚拟仿真实验教学在内的5大类型“金课”，改革实验教学模式、教学内容和教学方式。

可见，虚拟仿真实验教学在当今“智能+教育”新范式背景下，对创新工程人才培养具有重要作用，尤其是新型冠状病毒感染疫情防控期间虚拟仿真实验教学平台的推广应用能够有效地保障实验教学顺利开展[5-7]。

一 卫星通信组网虚拟仿真实验教学的意义和必要性

卫星互联网即通过通信卫星为全球提供互联网接入服务，各国已将其提升为国家重要战略。2020年4月，国家发改委明确“新基建”概念范围，首次将卫星互联网纳入“新基建”范畴[8]。在“科技创新2030——重大项目”中启动了天地一体化信息网络，该网络也被列入国家“十三五”规划纲要以及《“十三五”国家科技创新规划》。随着5G通信网络的大规模商业化部署，6G移动通信网络及相关技术成为研究热点。截至2020年11月，我国相继与138个国家、31个国际组织签署201份共建“一带一路”合作文件。在上述的卫星互联网、天地一体化信息网络、6G移动通信网络、“一带一路”倡议中，卫星通信是实现通信网络部署与建设的基石。

重庆邮电大学通信与信息工程学院一直围绕“强实践动手、铸工程素养、培创新能力”理念，致力于培养信息通信领域高水平技术人才，服务信息通信行业和地方经济社会发展。通信工程专业、广播电视工程和电子信息工程专业相继于2019年度和2020年度通过国家工程教育专业认证。学院在2012版、2016版与2020版培养方案制定中，面向卫星通信开展了实验教学，将培养从事科学研究、工程设计、开发等工程技术人才作为通信信息工程实践培养的重要环节。

由于卫星通信系统及组网的空间跨度巨大、造价极高、轨位稀缺、通信环境复杂、系统复杂且空间节点动态可变等因素，几乎不可能建设系统级实体实验平台。以往基于实验箱的实验不仅建设成本大、整体性不足、真实性欠缺、示范推广难，而且单纯的实验室教学还不能复现真实的通信网，致使学生难以理解和吸收抽象的理论知识，探究性不足的教学活动更无法满足对工程创新能力复合型人才的培养需求[9-10]。可见，在“智能+教育”背景下依托虚拟仿真低成本投入、逼真表现形式、高度示范推广等优势，建设卫星通信虚拟仿真实验系统是必要的，这在后疫情时代具有较强的现实意义。

二  实验架构设计

前瞻空天地一体化信息网络、卫星互联网新基建、6G移动通信网络中的卫星通信，依托国家级实验教学示范中心和国家级虚拟仿真实验教学中心，以覆盖“全球”区域、“一带一路”区域和“中国”区域的卫星通信组网应用为背景，以凸显信息通信专业特色为宗旨，围绕新工科建设思想，依托科研成果转换，设计了卫星通信组网虚拟仿真系统，力争搭建特色示范性项目，打造“学、践、研、赛、创”五位一体的仿真实验。实验系统架构包括实验服务模块、知识学习、虚拟实验、管理平台和实验考核评价与达成度检查。

虚拟实验分为引导和考核模式，均遵循学生认知能力和知识递进规律，采用“自顶向下”设计思想，分为空间段、地面段、星地链路、通信能力与传输质量测试模块，构建了“空-地”虚拟环境，即高度仿真了卫星星座、卫星平台、地球站、通信环境及星地链路等实验对象和实验环境，使学生在直观逼真的实验场景中，高效地掌握卫星通信组网设计全流程，实验系统界面如图1所示。

三  实验内容和步骤设计

（一）  实验内容设计

实验项目设计初衷是针对通信与信息类专业高年级学生或初级卫星通信系统设计与研发人员，熟悉并掌握卫星通信组网整体知识体系，为其提供一个仿真度高、开放性强、科学性足及互动性好的实验平台。按照启始阶段基础练习型、研究设计型、综合设计型和研究探索型四个层次，设计了以下三部分实验内容：①通过星轨设计、星座设计、卫星平台等内容，完成对指定区域的组网覆盖设计；②通过地球站平台、地球站跟踪控制，完成地面段地球站与空间段卫星平台间的对接设计；③通过不同天气条件下的链路损耗计算、全链路传输质量与性能测试，完成完整的卫星通信系统设计。设计以上的实验内容，打造了“学、践、研、赛、创”五位一体的教学资源，助力于培养学生高阶工学思维，提升解决“复杂工程”问题的综合能力和科学素质。

（二）  实验步骤设计

本实验系统为本科生专业课程微波与卫星通信提供支撑，共计4学时：0.5学时熟悉卫星通信系统设计的基础知识、熟悉本实验项目的软件系统；2学时设计覆盖指定区域的卫星通信网络；1.5学时测试覆盖能力与通信性能。交互性操作共16步，包括2步知识学习、8步指定覆盖区域的卫星组网覆盖设计、2步地球站与空间段卫星平台间的对接设计，以及4步全链路传输质量和性能测试，实验步骤设计如图2所示。

1）知识学习。初步了解本系统开发背景、技术手段、实验内容及实验目的等，掌握系统整体设计思路，以及卫星通信、星座设计、附加链路损耗、卫星通信链路及卫星通信系统端到端全链路传输特性等原理知识。

2）指定覆盖区域的卫星组网覆盖设计。获取实验任务后，选择覆盖区域，基于单卫星对地覆盖特性和区域总面积，合理输入回归参数，设计卫星轨道，在三维动态界面中观察不同设计参数下的卫星轨道；采用Delta星座设计方法，以实时数据复杂计算实现卫星星座设计，并且判断星间链路和计算星下点轨迹，测试覆盖效果，如图3所示。最后在虚拟实验台上完成卫星平台组装，观察发射入轨流程。

3）地球站与空间段卫星平台的对接设计。选定需要搭建的通信环境（包含城市、开阔地及农村），选择地球站基座后组装地球站信号收发装置，依次将各模块放至实验台，确定全部模块后用连接线连接各端口。对地球站经度等参数进行设定，通过地球站连接口的旋转带进行俯仰角和方位角的粗调，通过ASDW键进入地面段的虚拟通信实验室，在虚拟控制软件上将俯仰角及方位角细调至设计数值。

4）全链路传输质量和性能测试。根据卫星通信系统的实际工程设计要求，设定地球站至卫星、卫星至用户、用户至卫星、卫星至地球站4段传输链路的接收系统灵敏度、通信频率等参数，计算自由空间传播损耗和天气影响下的附加损耗，依次判断4段链路预算结果是否符合要求。若满足，则进行下一段传播链路的分析与判断；反之，返回重新优化设计，直到在已知性能参数和设备指标要求下满足接收系统灵敏度要求。在此基础上，设计调制方式（BPSK/QPSK/DPSK调制）、传输速率参数，实时计算误码率并动态展示曲线，分析通信系统性能。