作者简介：
近藤喜美夫1971年毕业于东京大学，曾就职于邮电部通信技术研究所。1983年至1988年，他在日本国家空间技术开发署工作，参与研制和发射第五号工程试验卫星。从1988年起他担任邮电部通信技术研究所移动卫星通信部的主任，并负责利用第五号工程试验卫星，进行移动通信试验和泛太平洋卫星通信试验。1992年他加盟于教育部国家多媒体教育研究所，任研究方面的教授。他倡导并通过第五号工程试验卫星进行了历时两年的国际卫星交流试验SAWS，其中包括
来自6个国家的10所机构，这些国家包括泰国、印度尼西亚、美国（夏威夷）、斐济、巴布亚新几内亚及日本。在进行了一百多次完全基于卫星的教育交流后，他倡导并开发了校际间的卫星网络，现称为空中合作系统，此系统覆盖了123所大专院校和其他机构的150个基地，这些基地都使用了日本的国内商业通信卫星JAST3。近藤喜美夫博士一直负责研究教育网络，现任国家多媒体教育研究所研究和发展部主任。
【摘 要】日本校际间卫星网络系统（空中合作系统）开发于1995年，该系统基于国家多媒体教育研究所自1992年以来的合作经验 。空中合作系统自1996年启动，它提供双向1.5M带宽的传输信道，由位于国家多媒体教育研究所的中心站控制，支持大学之间150个站点间开展简便、灵活的多点合作，每年的使用时间在3000小时以上。由于学生们感觉合作过程象是集体构建自己班级的过程，他们非常喜欢这样的课堂。例如，在利用空中合作系统的一堂演讲课程中，学生自己进行了演讲，彼此间进行了充分的讨论，他们对这堂课的评价是：“得到激励”、“很有趣”。“交流教室”可以很好地体现空中合作系统的本质作用，空中合作系统为教师和学生提供了一个非常有用的交流工具，可以支持校外人员的参与。问卷反馈的结果显示，大家认为空中合作系统为大学提供了足够的功能，空中合作系统中图像和声音的质量在满分为5分的打分中得到4分，并且关于这个系统的总体印象得分超过4分。为了扩大这项服务的有效覆盖面，有3种方法正在研究之中，即：增加功能对等的站点，通过网络连接，以及提高信号质量。基于IP的多点合作系统还有待进一步研究，需要利用新的教学法和新的技术。
【关键词】 卫星网络；空中合作系统
介绍
卫星系统已经成为远程教育的一个重要媒体，因为它能覆盖广阔的区域，并能够提供足够的带宽进行视频信号的远程传输。目前，有许多利用卫星从一个或几个站点将课程传输到接收站的例子，而反馈信道的带宽一般很窄，许多情况下根本就没有反馈。尽管远程教育很重要，但是它并不是远程通信技术在大学中唯一的应用形式。事实上，每所大学都有各自的节目或关于不同主题的内容需要传送，与简单的接收课程相比，大学更需要组织研究人员和教师开展协作，共享有价值的课程和优秀的资源。每个站点在功能上都应该是对等的，也就是说，每个站点必须具备上传的能力。这种校际间的合作系统可以属于卫星系统，但是从概念上来讲，它不是远程教育系统，
建立校际间卫星网络的想法产生于1994年，作为由1个HUB控制的小型卫星地面站（VSAT）的一种应用[1]。随后进行了实地的试验，并由国家多媒体教育研究所（NIME）负责对基于1.5M带宽的双向网络的关键技术和操作平台进行了评估。HUB-VSAT配置过去主要用于数据收集、数据发布或广播系统，系统的输出带宽大于输入带宽，并且小型卫星地面站设计得尽可能小。但是，我们的设计思想是，为了保证小型卫星地面站之间能够连接，它的带宽应该尽可能宽。这一设想在1995年获得批准，并得到教育部的资助，被命名为空中合作系统[2][3][4]。
空中合作系统的运作始于1996年10月，截至2003年，这个网络已经包含了123个机构的150个站点。空中合作系统正在开展形式多样的教育或研究交流活动。评估结果显示，此网络非常有效也非常实用[5]。
合作系统的研制
国家多媒体教育研究所从1992年起开始研究校际间双向网络，1993至1994年，在邮电部（MOPT）资助的项目泛太平洋地区性电信网络研究卫星（PARTNERS）中开始使用第五号工程测试卫星（ETS-V）进行卫星讨论会（SAWS）试验，通过30多次的多点卫星讨论会试验，分析出了大学间网络系统的基本需求。在两年间，10个站点定期举行关于卫星频道的研讨会，彼此交流研究课题进展。这些站点分别设在日本邮电部通信研究实验室（CRL）、泰国马古国王理工学院（KMITL）、印度尼西亚万隆理工大学（ITB）、日本电子通信大学（UEC）、日本国家空间技术开发署（NASDA）、巴布亚新几内亚理工大学（UNITEC）、斐济南太平洋大学（USP）和夏威夷大学（PEACESAT）[6]。
若要维持此系统，图像质量和带宽费用之间的平衡是关键问题。1993年在一个护理教育实验中，通过同时使用两个卫星对图像质量效果进行了研究，不同的教室同时接收通过“Superbird”商业卫星30M带宽的模拟全动态图像，同时，通过ETS-V卫星传送64k带宽的视频压缩信号和16k带宽的AC-AB语音信号，通过对比两种图像的质量，发现高质量的图像对于直观认识事物非常有效，且对于激发学生的学习兴趣也很有效，但在诸如理解能力等方面，教育效果的差别并不显著[7][8]。
许多视频会议系统都已将每秒1.5M作为最高速率。1995年，利用商业通信卫星JSAT，兽医研究生院之间进行了实验，实验中对1.5M传输速率下的图像质量进行了评估。在岐阜大学、带广兽医大学、岩手大学、东京农业技术大学和国家多媒体教育研究所这五个远程站点间进行了课程和研究生指导的的交流，此次交流使用了暂时安装在每一个站点的用于实验的卫星接收站，实验的结果表明，对于图象质量要求比较高的医学影象，例如X光影片和胸外科录像等，1.5M的信道太窄，但是对于普通的授课来说，这种信道还是得到了高度的认可[9]。
当时，教师不太愿意使用展示工具或远程教育系统，而如果此系统的操作足够简便，他们就不会太勉强。 教学工具和系统的易操作性是开展积极合作的关键，特别是直接面向用户的设备。1995年，作者开发了一个讲台，讲台可以控制三个摄像机、一个矩阵转接开关控制的两个监视器和两个显示器、混频器、编码器、一个回声消音器和一个机械键盘系统。开发该讲台的目的是要实现视音频信号和传输设备的单人操作[5]。这种讲台的操作简便性得到了高度的评价。
在合作系统中辩论、讨论或者会议等双向应用很容易实现，更不用说单向的授课。每个站点必须有上传的功能，简便的多点操作性是合作系统的关键，为此，必须将信号共享和频道控制设计好。在每个轨道单一信道系统（SCPC）中有两种信号共享的方法，在SAWS试验中对这两种方法都进行了尝试[6]。大多数系统使用的方法是，将从所有站点来的信号整合为一个信号，再发送给所有的站点。如果想达到画中画那样，即在所有接收到的图像中选择某一个图像显示，需要在中心站通过人工操作来实现。另一种办法是每个站点在一定教学单元时间内分别接收来自各个站点的信号，这种共享的方法要求站点都要有并行的接收器来同时接收不同站点的信号，这个方法简单，因为我们只需分别处理各个站点的信号，不必考虑图像的优先权。在卫星系统中，回声抑制非常容易，因为每个站点都可以将来自卫星的返回信号分离并消除[10]。
每个站点都具备上传功能的合作系统不同于远程教育系统，在远程教育系统中，大多数站点只是或者多数时间是从一个中心站接收信号。因此，对于卫星系统来说，必须设计好传送和接收的控制，还需要申请广播许可证。HUB－VSAT 配置被认为是校际间网络的优化解决方案[1][2][3]。如果所有大学的信号传送由一个中心站控制，并且由经过认证的操作人员进行监督，同时，如果控制失败，信号传输随即停止，那么各所大学就不需要分别配备经过认证的操作人员。有了HUB的远程控制，所有站点的信道选择和功能设置都能方便实现。例如，可以实现自动开始或者自动结束，或者按一个键就实现信道转 换[10]。
为了演示HUB－VSAT配置的可行性和有效性，作者于1995年开发了“卫星通信试验系统”。虽然必须整合视音频设备，但是两个带宽1.5M的信道很容易由HUB站点系统中的一个控制器进行设定，因此，这一基本系统配置的可行性得到验证。
空中合作系统的发展
作者提出的方案的重要性获得了教育部的认可，并且空中合作系统 在1995至1996年得到了发展。其设计目标如下：
● 所有的基站都是对等的，在一段教学（单元）时间内任何大学都可以成为一个广播者或主持者。
● 所有的操作包括教学的启动、频道的转换和视音频设备的操作应该非常简便，且单人可以实现所有操作。
● 各所大学不需要专门经过认证的操作人员，以节省人员费用。
● 信道费用不应太高，不能影响日常开支。
● 每所大学都可以方便地实现双向多站点间合作，从而形成一个大的虚拟团体。
● 所有的关键功能只是通过卫星连接而实现，不受区域间设施差别的限制。
● 在一个卫星上接入两个转发器，可使网络连接尤其是国际间的互连更为便捷。
卫星系统的配置依功能需要的不同而有所不同，要实现分散的大学间的合作，最基本的要求就是操作的简便性和使用他们熟悉的通信方式，即视频会议。召开一个普通的讨论会，两个站点间至少都能通过信道发言，如果增加一个主持站点进行管理，就可以实现所有类型的活动。空中合作系统通过每个站点的三个1.5M、 H.261图象编解码器来提供一个简便的视频会议环境。每个大学站点的VSAT 都有四个1.5M调制解调器和三个图象解码器，并附带一个2.4米的碟形卫星天线，在教学中要有两个或三个频道能够进行共享，在一个普通的教室里，如果学生能看到远端的教师和教师的板书，就会感到很舒服，为了实现这个环境，在必要时候，必须确保两个1.5M的图像能够从一个站点传输出去，SCS系统还可以通过多点控制系统实现多点间的交流。
为了有效管理在几个合作站点间开展的教学活动，必须有一个主持站点负责卫星信道切换。空中合作系统的中心站安装在国家多媒体教育研究所的HUB站，这个中心站作为主席站在课程开始时向所有站点发送信息，它也能够允许各个站点成为一个主持站点。站点间的切换在教学过程中由主持站点控制，控制信号从国家多媒体教育研究所的中心站发送，控制信号在64k或46k的信道中进行交换。在控制信号的控制下，参与各方在开始前3分钟内做好一切准备，站点切换只需用一个手指按一下触摸屏就可以实现，站点间的切换只需6.5秒，其中包括3.6秒编解码器的同步时间。视音频切换控制器也需要仔细设计，确保镜头前的讲课者能够方便实现信号切换。
选择1.5M、H2.61编码作为最佳方案[4][5]，原因如下：
● 图像质量对于讨论或者讲课来说足够好，并且信道的成本效益最高。
● 带宽不太宽，可多信道操作。
● 实时互动是合作性活动的基本要求，H2.61标准的编解码速度最快。
● 编码器不是很昂贵，这一点对空中合作系统很重要，因为每个站点都有上传功能。
空中合作系统的使用和效果
空中合作系统的运行始于1996年10月，第一批有50个站点，并且使用了国家多媒体教育研究所的HUB站。到2002年，已经拥有了分布在123所机构中的150个站点，其中包括95所大学、14个全国性的技术院校、11个校际间的研究机构和3个其他机构。每个站点都可以作为一个广播者或者主持者，这有利于大学间开展各种合作活动。
可移动的SCS站点于1998年研制成功，它可以实现SCS的主要功能，甚至可以实现主持功能和多信道操作功能，可移动的SCS站点可以使一个公园成为空中合作系统的一个对等的站点。
当空中合作系统用于类似辩论或者研讨的合作性活动时，最有效、平等的双向交流的功能得到充分的使用，研讨会是这种应用的典型例子。1998年以来，空中合作系统每年用于研讨会的时间高达600到700小时。
一方面，与计算机辅助教学环境相比，由于能够同步展示每个参与者的面部表情 空中合作系统提供的视频会议与面对面的教学环境更相似；另一方面，通过精心设计使远端学生参与课堂教学也非常重要。基于网络的同步教学存在一些普遍性问题，例如，各大学间课程表的差别和不可预知的问题都可能在实时的课堂上发生，空中合作系统同样面临这些问题。
空中合作系统用户对系统满意程度的反馈意见中，“满意”占80％，“还可以”占20％，还有“质量优于计算机网络应用”，“图像和声音质量高”等等。课堂的效果和学生的满意度与内容和课堂设计有关，也与音视频环境有关。这种形式的课堂是否重要，与大学的条件有直接关系，例如，北海道大学的学生反映护理课程对于他们非常重要，如果没有空中合作系统，学生就不可能学到这门课程。空中合作系统双向互动式的课堂在偏远地区学生身上效果显著。来自校外有关学习的意见和建议可以激励和鼓励学生，还可以帮助学生从不同角度认识问题。
并非媒体本身而是这种精心设计的教学为教育带来了更为重要的效果。更好地理解了媒体的这种作用，我们就必须将媒体融入到教学设计当中。教学方法必须精心设计，要使用双向的互动教学而不是单向的一般的讲课。如果每个课堂的学生不是很多，每个参与者都有机会发言，那么他们对这种讨论型课堂，甚至在远程教育模式下，都会表示出很高的满意度并得到了充分的激励。
学生们如果感到好像他们在一起组织自己的课堂，那么他们就会乐于接受这种课堂。例如，在利用空中合作系统的一堂演讲课程中，学生自己进行了演讲，彼此间进行了充分的讨论，他们对这堂课的评价是“得到激励”、“很有趣”。“交流教室”可以很好地体现空中合作系统的本质作用，空中合作系统为教师和学生提供了一个非常有用的交流工具，可以支持校外人员的参与。
从各所大学调查问卷的反馈来看，大家认为空中合作系统有足够的功能和良好的性能。空中合作系统的图像和语音质量在满分为5分的打分中得到4分（5分是优秀，1分是非常差），对此系统综合印象的得分高于4分。关于操作简便性的得分是3.3，这表明对控制面板的操作还需进一步熟练。虽然还需要不断提高性能，但是大学都认为空中合作系统具备了足够的功能和性能。
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