下载文档原格式
基于北斗科教创新实验箱的卫星导航原理课程实践教学作者：于成金李厚朴李文魁来源：《科教导刊》2018年第15期摘要针对北斗卫星导航系统教学需求，引入北斗科教创新实验箱，进行了北斗/GPS原始电文采集和分析、卫星和用户位置解算、传输误差和几何精度因子分析等实验，使抽象的北斗知识点以直观的方式展示出来。
教学实践表明，北斗科教创新实验箱的应用促进了学员对于教学内容的理解，激发了学员的学习热情，取得了良好的教学效果。
关键词北斗卫星导航系统教学实践北斗科教创新实验箱中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2018.05.047The Research on Practice Teaching for Navigation SatelliteBased on BeiDou Experiment BoxYU Chengjin， LI Houpu， LI Wenkui（Teaching and Research Office of Navigation， Naval University of Engineering， Wuhan，Hubei 430033）Abstract Aiming at teaching requirements of BeiDou satellite navigation system， BeiDou science and education innovation experiment box was introduced into teaching. BeiDou/GPS original message acquisition and analysis， calculation of satellite and the user position， analysis of transmission error and geometric dilution of precision in the experiment， make the big dipper of the abstract knowledge displayed in an intuitive way. Teaching practice shows that application of BeiDou science and education innovation experiment box promoted the students understanding of the teaching content and stimulate the students' learning enthusiasm， which has obtained the good teaching effect.Keywords BeiDou satellite navigation； teaching practice； BeiDou science and education innovation experiment box.0 引言20世纪70年代以来，美国和前苏联相继启动了各自的卫星导航定位计划，美国发展了全球定位系统GPS，前苏联（以后为俄罗斯）发展了全球导航卫星系统GLONASS。
北斗物联网综合实验系统组成北斗物联网综合实训平台包括北斗物联网开发平台、传感器套装、北斗导航原理实验板、北斗高精度组合导航实验板四部分，互相配合可完成一系列实验。
北斗物联网开发平台功能描述北斗物联网开发平台为一个安卓操作系统的嵌入式开发平台，可与传感器套装、北斗导航原理实验板、北斗高精度组合导航实验板、上位机等对接，让学生完成一系列教学及应用实验，实现北斗教学功能及物联网开发功能。
平台开放UART，USB，GPIO，I2C，PWM等各类硬件接口，并提供示例程序及源代码，帮助学生在最短时间内上手掌握嵌入式开发平台的使用，完成一系列物联网综合性实验。
传感器套装功能描述传感器套装提供了重力传感器、超声波测距传感器、声音传感器等十余种传感器及功能组件，具体如下表所示：将嵌入式平台与传感器模块相连接后，平台可获取距离、声音、光强等各类环境信息，并提供声、光、电等输出信号，从而搭建出功能强大的物联网系统。
套装提供了各传感器的详尽技术资料、开发例程及源代码，帮助学生尽快上手开始使用传感器组件。
北斗导航原理实验板功能描述北斗导航原理实验板以一款定制北斗接收机为核心，可输出北斗原始观测量，结合精心设计的一系列实验和内容丰富的实验指导书，让学生深入学习北斗定位原理、接收机设计与使用等相关知识。
北斗高精度组合导航实验板功能描述北斗高精度组合导航实验板具有组合导航定位功能和RTK高精度定位功能，可接收北斗、GPS卫星信号，实现厘米级定位，输出NMEA数据。
实验内容北斗物联网综合实训平台可开展北斗卫星导航原理实验、北斗高精度及组合导航应用实训、北斗定位算法实训、物联网与传感器应用实训等四大部分实验。
北斗卫星导航原理实验北斗卫星导航原理实验深入浅出的讲解了北斗卫星导航相关基础知识和原理，主要实验有：实验一：卫星位置和多普勒频移的分析与计算实验二：实时传输误差分析实验三：卫星信噪比与仰角关系分析实验四：几何精度因子的分析与计算实验五：接收机位置解算实验六：UTC时间与本地时间转换计算实验七：直角坐标与大地坐标转换实验实验八：NMEA-0183导航电文解析实验北斗高精度及组合导航应用实训配合北斗高精度组合导航实验板，学生可进行差分定位实验及组合导航定位应用实验，学习北斗RTK高精度定位原理、RTK高精度定位接收机的使用、北斗组合导航定位原理和组合导航接收机的使用等相关知识。
北斗卫星定位系统工作原理北斗卫星定位系统是全球卫星定位系统的一种，他工作的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当北斗卫星行为系统的卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。
北斗卫星定位系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。
C/A 码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。
而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。
导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。
它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。
导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。
前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。
后两帧共15000b。
导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。
当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
可见北斗卫星定位系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。
然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。
所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。
Hellognss-OrionGPS教学平台产品说明书V1.0北京星源北斗导航技术有限责任公司2010 年 7 月 20 日Item ContextAuthor hgLast Update 2010-7-20Version 1.0Copyright(c) 星源北斗公司密级对外交流星源北斗公司主要产品信息：1、Hellognss-MG5001开发套件/product/part/2010-01-11/11.html2、Hellognss-Orion教学平台/product/part/2010-01-01/9.html3、HG-SoftGPS02中频信号采集器/product/part/2010-04-22/14.html4、HG-ARMGPS商业开源软件V1.1/product/soft/2010-03-25/13.html更多详细信息请致电星源北斗咨询！公司地址：北京市海淀区海淀中街16号中关村公馆B座802室电话及传真：824840621 产品概述Hellognss-Orion的命名是为了纪念Zarlink的Orion硬件。
接收机的核心部分HG-RE01的主要设计也来源于Orion，实际性能也和Orion相当。
Hellognss-Orion硬件由三个部分组成：HG-ISACARD、HG-RE01( GP2015+GP2021 )和ISA主机。
图1 HG-RE01+HG-ISACARD插卡图2 ISA主机Hellognss-Orion和PC搭配销售，以降低客户安装系统的难度。
为了让更多的人可以单步调试OpenSourceGPS和HG-DJGPS，星源北斗用了一个月时间专门寻找具有ISA接口的PC主机。
最终将找到的主机和Hellognss-Orion联调成功，主机性能卓越，主频甚至可达2.4G，可以算是GNSS接收机开发套件的顶级配置。
HG-ISACARD采用金手指保证信号可靠连接。
Hellognss-Orion是国内唯一可以买到的、廉价的、支持OpenSourceGPS和HG-DJGPS 开源代码的硬件接收机。
1北斗多模导航研发创新实验室建设方案1．实验室建设的必要性伴随着北斗计划的实施，我国的卫星导航事业面临着新的机遇和挑战。
由目前以美国发射的卫星所构成的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统，逐步过渡到Galileo、北斗系统或者四者互补的定位系统，将成为趋势。
因此，尽快开发出具有自主知识产权的卫星导航接收机设备，形成我国独立的卫星导航产业，是十分必要的。
目前，各高校随着技术、产业快速发展逐步展开了导航与物联网专业的相关专业建设。
但实验室建设明显存在滞后和不足。
为帮助国内高等院校、科研院所建设先进实用的卫星导航实验室，为使学生完成基于北斗与物联网的基础实验到创新性应用系统的开发工作，提高学生的应用技术开发能力。
北京北斗教仪科技有限公司开发研制了卫星导航实验室必备设备，编写了卫星导航实验室建设方案，为推动我国北斗教育的发展提供基础平台，培养北斗导航领域专业人才。
2．实验室功能特性●实践性北斗多模卫星导航研发创新实验室提供的该实验室为老师和学生提供开放式的试验环境，使学生在真实设备、真实卫星信号环境下，亲自动手进行卫星导航实验和编程，研发出具有自主知识产权的导航产品。
●先进性北斗多模卫星导航研发创新实验室提供的技术及设备，与当前国际尖端技术同步，并通过软件升级与硬件扩展保持技术的先进性。
为学生毕业后顺利进入卫星导航领域，从事卫星导航教学、科研、应用等工作奠定坚实的理论基础、积累实践经验。
●共享性2卫星导航综合实验室实现了卫星导航接收机内部核心算法、软件源程序、原始数据、硬件接口等全方位开放，有效地把信号生成、信号转发、信号接收、数据处理等功能在不同设备上实现，这些设备既可以独立工作，又可以互联互通，实现数据、软件、硬件的共享。
●升级换代能力随着导航技术迅速发展，北斗导航系统要在2020年覆盖全球，北斗系统新体制信号需代替原有体制信号，北斗多模卫星导航研发创新实验室提供的技术及设备具备平滑升级到支持北斗系统新体制信号的能力。
北斗系统基本原理
北斗系统是一种全球卫星导航系统，由中国自主研发和建设。
它基于卫星技术和大数据处理技术，为全球用户提供高精度、高可靠、全天候的定位、导航和时间服务。
北斗系统的基本原理包括以下几个方面：
1. 卫星发射和地面控制：北斗系统由一组卫星组成，通过发射
卫星的方式将信号传输到地球上的各个角落。
地面控制中心负责对卫星进行监测和控制，确保卫星运行稳定。
2. 信号传输和接收：北斗系统通过卫星向用户发送信号，用户
设备接收信号后进行解码处理，获取定位和导航信息。
北斗系统可以支持多种不同的信号传输方式，包括单向传输、双向传输和广播传输等。
3. 定位和导航算法：北斗系统通过算法对接收到的信号进行处理，计算出用户的位置和速度等信息。
同时，北斗系统还可以提供导航服务，根据用户需求提供最优的行进路线和时间预测等信息。
4. 数据处理和应用：北斗系统通过大数据处理技术，将海量的
数据进行整合和分析，为用户提供更加精准的服务。
北斗系统可以广泛应用于交通运输、公共安全、精准农业、环境监测等领域。
总之，北斗系统是一种高度复杂的技术体系，它的建设和运行需要涉及多个学科领域和技术手段。
通过不断创新和发展，北斗系统将为全球用户提供更加优质的服务，为人类社会的进步和发展做出贡献。
- 1 -。
北斗卫星导航教学模块
-----核心功能介绍
莱特卫星导航教学仿真软件主要以GPS和北斗卫星导航系统为对象，融合动画演示，仿真和真实数据演示，交互操作三种方式对卫星导航相关的基础知识和原理进行分类讲解。
具体教学内容涵盖了坐标系、卫星轨道、定位原理、高程概念和时间系统等基础知识；卫星导航信号生成原理，接收机原理，测距原理及误差，典型最小二乘及卡尔曼滤波定位，定位精度评估及测速，差分定位及增强系统等。
◆核心功能
★卫星导航全过程数学仿真
莱特卫星导航教学仿真软件提供了GPS/BD2卫星导航系统的全套教学仿真模型，用户可以利用模型完成坐标转换、时间转换、信号模拟、定位解算、精度分析等仿真与应用，加深学生对概念的理解，辅助学生掌握卫星导航系统的典型教学算法和信号处理方法，为未来从事相关工作打下基础。
信号仿真
★卫星导航教学仿真软件动态演示内容
★实际导航卫星数据接
收与演示
卫星导航教学仿真软件可通过与卫星导航接收机连接配合工作，完成卫星真实数据信息的输出和演示，也能通过加载丰富的地图功能，完成实际定位的示,为用户提供真实和身临其境的体验。
GPS/BD2位置服务。
北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号两代系统，是中国研发的卫星导航系统。
北斗一号是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，北斗二号则是一个正在建设中的全球卫星导航系统。
北斗卫星导航系统和美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统、欧盟伽利略定位系统被联合国确认为全球4个卫星导航系统核心供应商。
北斗一号北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。
该系统由四颗（两颗工作卫星、2颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。
北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。
美国的GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。
北斗一号导航定位卫星由中国空间技术研究院研究制造。
2008年北京奥运会期间，它将在交通、场馆安全的定位监控方面，和已有的GPS卫星定位系统一起，发挥“双保险”作用。
北斗一号卫星定位系统的英文简称为BD，在ITU（国际电信联合会）登记的无线电频段为L波段（发射）和S波段（接收）。
系统工作原理“北斗一号”卫星定位系出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。
另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。
从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。
“北斗一号”的覆盖范围是北纬5°一55°，东经70°一140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。
其定位精度为水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。
