模块一 通信链路认知
本模块包括步骤1-2，主要目的：让学生熟悉实验环境与基本操作，回顾相关专业知识，包括通信原理中的调制与解调、通信速率与带宽、接收端解调阈值；天线增益与波束宽度；卫星全链路设计、链路损耗、雨衰损耗等基础知识。同时，学生可通过场景及文字介绍，了解卫星平台的相关知识，观察典型高、中、低轨道卫星的分系统组成，并漫游中心站，观察了解天线组成与主要设备介绍。本模块中的基础知识将对正式实验模拟中的系统设计与模型计算起到至关重要的理论支撑作用，而卫星和地面站的观察能够给学生提供直观的学习体验，并进一步熟悉后续地面站部署的操作方法。本模块完成后，系统将给出测试题，考察学生对基础知识的掌握情况。
具体实验步骤：
[步骤1] 卫星通信系统认知
操作目的：让学生了解卫星通信系统组成，并通过场景的观察与漫游，直观了解典型卫星平台与地面站组成，为后续链路设计与地面站部署打下基础。
操作过程：进入实验后，首先出现如图15所示的界面，其中，顶部是模块和步骤引导，左侧是引导NPC“小星”，对实验全程的操作进行提示。在图15所示界面中，给出了卫星通信系统空间段、地面段、前向链路、回传链路的文字介绍，通过鼠标悬停于各个图标上，左侧NPC会给出相应的文字介绍。通过点击图15中的通信卫星图标，可进入卫星观察，首先系统进入地球轨道界面，如图16所示。其中给出了高、中、低轨卫星的典型模型。对不同的卫星进行点击，可以进入具体的典型高、中、低轨道卫星平台进行认知学习。完成卫星平台认知后，根据提示，学生首先点击中心站图标，学习中心站天线及其各个部件的组成，为后续部署做好准备。随后，点击中心站机房，学生将通过鼠标左键点击各台设备，包括调制解调器和天线控制器等，进行设备知识学习。最后点击完成学习，退出中心站认知。
操作结果：完成整个步骤后，学生能够直观地获得卫星通信回传链路的组成并对其中重点的通信卫星平台和地面站设备的认知，其所涉及的内容是后续星地链路部署与链路设计的基础。
图1 通信链路认知模块界面
图2 卫星平台认知
图3 典型高轨卫星三维模型
图4 典型中轨O3b卫星三维模型
图5 典型低轨StarLink卫星三维模型
图6 天线简介
图7 天线分系统简介
图8 主要通信设备认知
图9 通用设备认知（以调制解调器为例）
[步骤2] 链路设计知识学习与考核
操作目的：引导学生回顾及掌握链路设计所需要的知识点，包括通信原理、天线、卫星通信等方面，并通过阶段测试开展认知考核。
操作过程：点击上方“知识学习”按钮，打开知识点认知选项卡，学生在本模块必须完成所有知识点的查看与学习。在后续实验过程中，学生可以随时查看知识点内容，以帮助完成实验步骤。每一个知识点均包括文字描述与公式推导，所用公式与实验系统后台计算模型一致。点击结束学习后，系统会自动跳转到阶段测试题，学生必须按要求选择答案并提交后，方可进入下一模块。同时，学生也可以选择重新完成测试题、再次查看知识点。
操作结果：学生通过对知识点的学习和阶段测试的考核，掌握了链路设计关键参数的物理含义与数学模型。在完成阶段测试时，后台会自动记录学生的回答情况，自动计分，并且会给出提示，要求再次作答。
图10 链路设计知识学习
图11 阶段测试考核题
模块二 星地链路部署
本模块包括步骤3-7，主要目的：学生将领取到洪水应急救援通信或边境无人区应急通信中任一个随机任务，在任务指引下，完成通信卫星选择、中心站架构设计、设备线缆连接和中心站天线配置等工作，搭建完成卫星通信场景。本模块主要考察知识为：卫星波束宽度与覆盖范围、经纬高坐标系下球面两点间距离计算、卫星通信中心站设备架构、设备功能认知、设备部署、收发信号流向关系、天线孔径与增益的关系等知识点。
具体实验步骤：
[步骤3] 领取应急通信任务
操作目的：锻炼学生从任务描述中提取工程需求与设计约束的能力。
操作过程：学生进入本步骤后，界面会出现指挥中心的画面，中央席位的显示屏闪烁，系统会给出本次的任务内容，同时会给出应急通信的地点信息。任务领取后，交互NPC出现，引导开始任务。
操作结果：目前实验安排的应急通信任务是以中印班公湖边境冲突为背景的应急通信任务，通信地点即选为班公湖，通信任务为视频传输，对应的应急通信远端站点类型为单人便携式应急通信站。学生将根据任务描述，了解任务地点、任务类型、远端站类型，并能够在后续步骤中，将上述任务内容描述，结合相关知识，转化为量化的链路设计参数。
图12 领取应急任务
[步骤4] 通信卫星选择
操作目的：考察学生对卫星通信系统组成、波束宽度、天线增益的理解，让学生能够根据不同卫星的不同波束指向位置选择最优的通信卫星，锻炼学生将工程基础和专业知识用于解决实际问题的能力。
操作过程：界面中设置四颗高轨卫星，鼠标悬浮在卫星上，出现该卫星的参数信息。学生需要根据右侧任务地点的经纬度坐标和各卫星波束中心点的经纬度坐标，计算距离最近的卫星作为转发卫星。用鼠标左键点击卫星，卫星模型处于选中状态。点击确定，完成卫星选择。系统会自动根据选择结果进行计分。若选择错误，会要求学生重新选择。
操作结果：通过本步骤，学生能够得到距离班公湖最近的通信卫星。而较短的传输距离能够降低后续链路设计的功率消耗。同时，学生也能够对卫星的服务范围有更加直观的认识。
图13 通信卫星选择
[步骤5] 架构搭建与设备选择
操作目的：让学生在引导下完成中心站设备架构设计，以了解中心站通信设备的核心架构。学生需在架构图中完成地面站设备的部署架构示意图，包括室外天线、室内供电、室内处理等不同部分与具体的设备逻辑关系。
操作过程：通过鼠标点击与拖拽，将右侧的设备模块与信号流向分别放置到左侧的架构图中，完成中心站接收通道、发射通道、天线控制通道的架构搭建。
操作结果：通过本步骤，学生能够得到完整的架构图，对实际系统的信号收发有了总体的认识，了解了星地链路在地面设备端的信号流向，也为下一步设备的部署打下基础。
图14 设备架构设计
[步骤6] 中心站设备部署
操作目的：让学生掌握中心站收发信号的流向关系和设备间的控制关系，直观认识链路传播在物理设备中的承载形式，了解常用的射频线缆。
操作过程：天线控制设备的功能是控制天线的伺服系统进行天线指向调整。需要连接电源、天线伺服控制线等。用鼠标【左键】选择可操作机柜，点击所选设备，选择背板选项。待背板接口和可选线缆出现后，通过鼠标【左键】点击线缆与设备端口，完成部分连接。同上，针对室外天线的虚拟接口，用鼠标【左键】点击对应线缆接口至对应端口，完成连接。点击【完成连接】，若连接无误，进入下一步骤，连接错误时，无法连接成功。
操作结果：通过模拟中心站主要通信设备和天线控制设备的部署与连接过程，让学生直接参与到卫星通信系统的建设过程中，并且直观认识链路传输的物理承载过程，了解各设备的实际作用，为后续步骤的设备配置打下基础。
图15 设备连接过程图
图16 设备连接关系示意
[步骤7] 中心站天线设计与配置
操作目的：天线增益是链路设计的关键参数之一，本步骤在数学模型引导下，通过对不同口径天线的天线方向图与相应接收信号谱密度图进行计算，让学生直观掌握天线口径与天线最大增益之间的关系。
操作过程：通过鼠标左键，在左侧选择不同的天线口径，右侧方向图强度与信标信号谱密度会随之变化。天线口径越大，增益越大。本步骤中，在不考虑指向误差的情况下，参照工程实际，可选择4.5米和6米这2种天线口径尺寸，若选择不正确，系统会给出提示，要求重新选择。待选择正确后，根据选择的天线口径，结合系统给出的天线效率，计算天线增益。系统将判定是否正确，若正确，进入下一步，若不正确，系统给出提示，重新进行口径选择或增益计算。
操作结果：完成此步骤后，能够获得中心站天线口径与天线增益数据。同时，学生能够深刻了解不同天线口径与增益之间的关系，将数学模型与实际工程现场进行关联，从而更好地达成实验目标。
图17 中心站天线设计
图18 天线增益计算
模块三 回传链路设计
本模块包括步骤8-11，主要目的是在前述场景下让学生完成完整的回传链路设计过程，考察学生对卫星通信系统及链路设计知识的理解情况，锻炼学生综合运用所学知识分析工程问题、设计方案并解决问题的综合能力。本实验考察的知识点包括：链路设计约束、雨衰与降雨量的关系、发射功率配置、全链路设计方法等。
具体实验步骤：
[步骤8] 远端站设计约束分析
操作目的：考察学生对于应急通信任务中单人便携站天线口径和发射功率上限的理解，锻炼从实际任务中分析出解决方案的边界条件的能力。
操作过程：按照要求对应急通信远端站进行描述，学生通过鼠标左键首先选择不同任务中需要考察的约束条件，再通过左右滑块设计约束的上限，点击【提交】完成约束分析。若设计不合理，系统会给出提示。要同时考虑天线口径和发射功率，最大天线口径为1.2m，最大发射功率为30W。
操作结果：完成本步骤后，将得到远端站天线口径和发射功率的上限，后续步骤中远端站的天线口径和发射功率设计将有了边界和依据。
图19 设计约束分析
[步骤9] 远端站天线配置
操作目的：要求学生掌握一定天线口径下，天线实际增益与天线指向误差之间的关系。
操作过程：选择不同的天线口径，右侧方向图强度与信标信号强度会随之变化。与中心站不同的是，红色线指示出了存在1指向误差的情况下，系统在不同口径天线下的实际增益。本步骤中，在考虑指向误差的情况下，0.9米是合理的天线口径尺寸，若选择不正确，系统会给出提示，并要求重新选择。选择完天线口径后，根据天线效率，计算实际的天线增益，填入文本框中。
操作结果：通过本步骤，能够获得远端站天线实际发射增益，并且让学生掌握天线口径与指向误差对天线增益的影响。
图20 天线口径设计与实际增益计算
[步骤10] 回传链路通信参数设计与解调阈值计算
操作目的：本步骤要求学生根据通信业务的特点，设计合适的物理层通信参数。在此基础上，计算此参数设计下接收端的解调载噪比阈值。此步骤使用了自主探究式的教学方式，学生可以在合理范围内自由设计参数，且前向链路与回传链路的通信参数可以不同，考察学生对物理概念的理解程度。
操作过程：根据业务设计调制方式、通信波特率、成型滤波器的滚降系数、工作带宽等物理层参数，通过鼠标左键点击滑块或填写文本框，同时根据右侧实时计算出的波形图和频谱图，观察不同参数设置对物理波形带来的改变。点击【提交】完成参数配置。若配置结果与任务需求不符，系统会给出错误提示，并要求重新设计。完成通信参数配置后，计算解调阈值，填入文本框中，点击【提交】完成计算。
操作结果：通过本步骤，能够将应急通信任务描述转化为量化的通信参数，最终得到此参数下的接收端解调阈值，供全链路设计时使用。
图21 回传链路物理层参数设计
[步骤11]雨衰与发射功率配置
操作目的：考察学生根据通信双方地点天气状况选择合理的雨衰损耗，最终结合损耗，设计合理的发射功率，完成常规链路设计。
操作过程：学生根据任务地点描述，选择当前天气所需考虑的雨衰损耗，用鼠标左键点击单选框，系统会自动将对应的数值填入。完成选择后，学生根据链路设计需要，在线下计算出合适的发射功率，配置到公式中。系统在右侧绘制了接收信号谱密度图，可以同时显示无雨衰和当前选择雨衰值下发射功率在接收端获得的功率谱密度，直观显示雨衰对链路接收质量的影响。同时，在功率谱密度上显示解调阈值，已表示当前发射功率是否满足接收端解调要求，学生需要根据接收端频谱密度图，调试发射功率，直至当前接收信号的功率谱密度超过解调阈值。待确认配置方案后，提交配置结果，作为基础设计实验的评价对象。
操作结果：完成本步骤后，面向当前应急通信任务的基础链路设计已完成，获得了完整的一套设计方案，系统将自动判断当前方案是否满足设计要求，给出评分。学生也可在本步骤的操作与探究过程中掌握发射功率、雨衰对链路设计的重要影响。
图22 噪声与链路传播损耗计算
模块四 链路设计与配置
[步骤12] 链路优化方案设计
操作目的：本步骤会给出随机突发状况，更新任务内容。要求学生对于通信业务或自然环境变化下的链路进行设计优化，锻炼学生面对工程实际中的问题设计解决方案的能力。
操作过程：系统会给出动画显示突发状况，学生将从弹框中获得突发状况的具体描述，随后学生需要查看全链路设计和接收解调阈值的数学模型，以分析出需要优化的参数，形成优化方案，并在接下来的优化方案设计中，通过鼠标左键选择可行的优化方式，点击【提交】，若选择正确，会进入下一步具体实施参数优化，若选择错误，系统会给出提示，要求重新设计方案。
操作结果：完成本步骤后，学生能够得到合理的优化方案和优化参数，锻炼了面对复杂工程需求分析并给出解决方案的能力。
图23 突发任务领取与方案设计
图24 方案设计评价
[步骤13] 突发状况下链路设计优化
操作目的：本步骤具体实施突发状况下的设计优化。主要从发射功率和通信速率两个方面考察学生对全链路设计的计算能力，要求学生在面临续航时间延长和雨衰增加的情况下，能够综合给出参数优化方案，满足多目标优化要求。
操作过程：在右侧的接收信号功率谱密度图和续航时间曲线中可以直观观察到链路质量的变化。学生根据雨衰带来的链路损耗变化，调整通信速率、发射功率，在界面中完成填写，点击【测试】观察右侧波形和曲线变化，确认优化效果，待学生认为满足要求后，点击【提交】完成优化。
操作结果：通过优化步骤，得到最终突发状况下的链路设计优化结果，作为优化模块的评价基准。
图25 应急通信远端站通信参数优化
图26 优化结果评估
图27 实验结果保存