《基于卫星宽带通信的船校交互式远程教学系统》
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摘 要：为了加强航海类专业的实践教学,提出一种基于卫星宽带通信的船校交互式的远程教学系统,可以借其实现理论结合实践的“现场式”教学.该系统包括船舶端子系统、用户子系统和岸端信息处理子系统等三部分组成,船舶实操现场和课堂教学间可以通过卫星宽带通信系统实现信息的交流,通过该系统可以实现课堂教学与船舶生产现场的远程互动教学,实现理实一体化,有利于学生更好地掌握相关知识和增强实践认知能力.
关键词：卫星宽带;第五代海事卫星;航海教育;交互式教学
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.217
0 引言
随着国务院《关于发展我国现代化远程教育的意见》的出台,我国的远程教育迎来了新的发展机遇.远程教学在技术上包括多种形式,主要有电视广播、有线电视、互联网、卫星数字频道等,当前以互联网技术为主体.所谓的交互式远程教育是指利用计算机技术、网络技术和通信技术等实现远程教学双方的信息互动和交互,克服传统远程教学单向信息传输的缺点[1].
远程教学可以作为实操现场教学的有益补充,满足实践教学的需要,尤其针对航海类专业上船实践教学的不足[2,5],交互式远程教学系统可以帮助课堂学生更好地了解船舶的实际生产操作情况,具有重要的教育和应用价值.但是,由于船岸通信手段的限制,采取卫星宽带技术作为通信手段成为船校间交互式远程教学系统的首选.
1 相关技术分析
1.1 海事卫星通信技术
卫星通信是一种特殊的微波中继通信,利用外层空间的通信卫星作为中继站.卫星通信具有覆盖区域广、灵活机动、线路稳定等优点.最初由国际海事组织（IMO）创立的Inmarsat公司现作为全球最大全球移动通信服务商,其掌握的Inmarsat海事卫星在海上安全通信领域发挥了重要作用.Inmarsat海事卫星从1979年使用至今经历了五代的发展,其中第一代为租用卫星,第二代为自建系统（已被第三代系统替代）,目前主要在用的卫星系统是第三代（L波段语音通信系统）、第四代（L波段数据通信系统）以及第五代（Ka宽带通信系统）[3].第四代海事卫星可为任何海域的船舶提供高速的数据传输和语音、图形与视频通信服务,然而由于上网速率最高只有492kbps,用于海上紧急、遇险和救援等情况的通信,数据传输速率和资费依然无法满足远程教学通信的要求.
Inmarsat在2013年开始着手发射Global Xpress第五代海事卫星通信系统定位于宽带通信系统,由3颗工作卫星和1颗备用卫星组成,采用IP体制,具有高带宽、高频段、高稳定性等特点.第五代海事卫星采用HTS技术,Ka频段,可以为宽带卫星终端用户提供下行50Mbps,上行5Mbps的速率,相比第四代海事卫星系统有了近百倍的增长[4,8],基本可以满足视频数据的无障碍传输,因此本系统选用第五代海事卫星的通信设备进行信息传送.
1.2 视频数据处理技术
由于高清摄像头录制的视频数据量太大,对通信带宽的要求太高,因此采取视频编码技术对其进行编码压缩后传输.视频编码的目的是为了降低所要传输数据的容量,通过将视频像素压缩为码流来实现.视频数据编码压缩的技术有很多,包括H.26x标准、S标准、H265（HEVC）标准等,由于H265标准的压缩率和编码质量较之其他标准具有明显的优势,并且是基于IP技术的,因此本系统采用H265协议下的编解码技术.
音频编码的主要作用是将音频采样数据压缩成音频码流,从而降低音频的数据量.音频编码对于音频信息的传输也很重要,但是由于音频数据量本身不大,所以对于技术的要求不高,本系统选取混合编码技术,综合利用各种编码技术的優点.
2 船校交互式远程教学系统
基于卫星宽带的船校交互式远程教学系统由软件和硬件组成,其硬件系统构成如图1所示,主要包括船舶端子系统、用户子系统和岸端信息处理子系统三部分.
2.1 船舶端子系统
船舶端子系统包括视频/音频收集与处理装置、卫星宽带通信船载装置和集中授课场地等.
装设的摄像头为具有红外功能的全方位云台高清摄像头,主要装在驾驶台、罗经甲板、船尾、机舱室、集控室、货舱、船头等主要部位,用于收集船舶作业现场的视频数据,摄像头附近对应装设麦克风来收集音频数据.
由于收集视频的原始数据量较大,现有海事卫星的技术和资费方面都难以满足其传输需求,同时为了节省储存空间,因此需要进行编码压缩处理.本子系统的处理装置主要是指视频/音频编码和解码设备,编解码设备是采用基于H265通信协议的编解码设备[6],是当前编解码效率较高的编码压缩技术.
卫星宽带通信船载装置选用第五代Inmarsat海事卫星终端,与VSAT卫星结合用于船舶与岸上数据的双向传输与接收.船载卫星通信设备通过局域网与视频/音频采集压缩装置相连接,通过卫星向岸基设备传输数据并接受卫星发来的岸基设备的数据.
2.2 岸端信息处理子系统
卫星宽带通信岸端装置负责接受船载卫星通信设备发送的数据,并将数据通过Internet进行传输,便于信息可以在不同场地均可被处理、储存和使用.前期录制的船舶业务操作和教师的讲解视频被分门别类的整理和储存,且不同船舶的上监控摄像头的实时监控画面也按照事先设定的程序和船舶的不同作业状态被分类显示.
信息的处理与存储设备负责对接受的数据按照要求进行处理和储存,根据教学的实际需要课件制作者有权对无用数据进行删除,对有用数据进行编辑和分类储存.授权操作者可以控制船舶上的摄像头获取需要的船舶操作视频,并要求船舶教师对船舶结构和相关操作进行讲解.
此外,该子系统还包括对通信系统和学习平台的技术支持与维护人员,包括学习系统的安全防护、故障处理和平台改进等[7].
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远程教学引用文献:
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