現代北斗衛星船舶導航實驗室建設和運行

莊新慶， 鄒緒平， 劉 衛， 應士君

(上海海事大學商船學院，上海201306)

0 引言

在航運中，船舶通信導航和定位服務是船舶航行必不可少的［1］，全球衛星導航系統在船舶航行中占據著舉足輕重的作用。目前國內外的海事院校和相關科研機構都建設有衛星導航實驗室［2-3］，如大連海事大學的船舶導航系統國家工程研究中心有衛星導航應用實驗室，上海交通大學的北斗衛星導航模擬器實驗室等。隨著我國北斗二代衛星導航系統的不斷完善以及正式為亞太地區提供服務，目前該系統已經成功應用于測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等領域，產生顯著的經濟和社會效益。

北斗二代衛星導航系統由我國自主研制并且具備短信通信功能，這些優點是其他任何導航衛星系統所不具備的，將這套系統應用于航海中能為船舶的經濟安全提供更多的保障。目前，航海院校及相關研究機構對北斗衛星導航系統在船舶導航中的應用研究還處在初級階段。在北斗衛星船舶導航方面急需大量的人才，在船舶駕駛中也需要懂技術更為專業的航運人才。基于以上考慮，本文提出了建設現代北斗衛星船舶導航實驗室，該實驗室的建設將對北斗二代衛星導航系統關鍵技術研究、學科建設、實踐創新、課題研究、研究生和本科生的培養起到重要作用。

1 實驗室建設目標

結合我校的航運特色和借鑒國內外實驗室建設案例，本實驗室初步確立三項建設目標［4］:

(1)加強基礎研究，確保技術領先優勢。結合我校特色，從基礎研究著手，重點放在基礎研究和應用研究，開展科技創新。為航運專業及相關專業開設北斗衛星導航實驗課程，借助實驗室平臺學生能深入理解衛星導航定位原理和產品測試的方法［5-6］。

(2)完善人才管理機制，確保人才領先優勢。通過實驗室和加強北斗衛星導航領域師資隊伍建設，全面提高實驗教學和理論教學隊伍的綜合素質，凝聚本專業科研力量，融合現有學科方向專長，形成具有船舶特色的專業方向，為學科建設提供有力支持［7］。

建立一支以骨干教師為主，學歷、職稱和年齡結構合理，技術水平高、綜合素質好的實驗室隊伍，在引進具有衛星導航相關專業背景的高學歷及實驗教學人員的同時［8］，將相關的理論教師引入到實驗室和實驗研究中來，加強對青年教師的培訓，提高青年教師的實驗技術水平和科研能力，以實驗室建設促進管理機制建設，建立高效、可持續發展的實驗室管理模式［9］。制定實驗室管理制度，包括實驗室工作條例、管理條例、工作人員職責、學生實驗守則、實驗室儀器設備使用管理辦法等［10］。同時，在保證實驗室管理制度化、規范化的前提下，結合開設實驗項目、所需實驗設備、專項課題研究內容等方面制定實驗室開放條例，充分利用實驗室資源，實現學科間資源有效共享，為學生和教師的技能訓練、實驗教學及研究開發提供必要的保障［11］。

(3)加強科研環境建設，確保條件領先優勢。科研環境包括硬件環境、軟件環境，依托學校的資源購置了先進的北斗衛星導航信息模擬器、定位測姿儀、北斗二代接收機開發套件等現代化的硬件環境;軟件方面有數仿系統、監控系統、測評系統等配套的應用軟件。

實驗室可提供的研發條件:①研究軟件北斗接收機設計方法;②開發北斗接收機的相關算法;③ 開發北斗接收機導航解算算法;④開發北斗接收機基帶算法;⑤北斗芯片和接收機設計方法;⑥開發GPS/北斗二代多系統兼容接收機(抗多徑、高靈敏度、中動態、高動態);⑦ 多系統衛星導航終端測試;⑧ 研究GNSS/INS組合導航系統工作原理和使用方法;⑨多系統衛星導航接收機研究。

作為現代化的北斗衛星船舶導航實驗室，除了以上初步確立的目標外，還會在后續的研究和使用中為實驗室增加更多的功能，充分發揮本實驗室的功能。一方面對衛星船舶導航及相關領域的前沿技術和熱點應用進行深入研究，特別是海上搜救方面要充分利用北斗衛星導航系統進行研究，另一方面，由于北斗衛星船舶導航實驗室的應用性很強，實驗是教學實踐的主要形式，更要注重實驗環境的真實性，設計綜合的實驗，以培養學生的整體意識［12］。

2 實驗室建設方案概述

北斗二代衛星導航實驗室建設采取模塊化結構設計、二次開發與實際系統設備相結合的原則［13］，北斗二代實驗室系統由衛星導航信號模擬系統、定位測姿系統、北斗二代接收機開發系統和BD2/GPS兼容型用戶機組成。可以用于研究衛星導航定位技術在海洋測繪與導航中的各種應用，可以用于衛星導航相關知識的演示和教學，可以用于衛星導航終端設備的研究開發，也可以用于衛星導航接收設備的各項功能和性能指標的測試［14］。

北斗二代實驗室系統的功能和性能指標滿足以下文件要求:①《北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件(ICD)》;②《衛星系統與應用系統(RNSS)接口控制文件(2.0版)》，衛星導航定位總站 2007.02;③《GPS Interface Control Document(ICD GPS-200D)》。

北斗二代實驗室系統可分成用于船舶航跡仿真的船舶航跡仿真系統和用于衛星導航接收終端研制開發教學和實驗的衛星導航接收終端研制開發教學實驗系統組成［15］，建設方案如圖1、圖2所示。

圖1 船舶航跡仿真測試系統

船舶航跡仿真系統由射頻信號仿真系統、定位測姿系統、航跡管理主機、數學仿真系統、監控系統、測試評估系統等組成。

數學仿真系統是根據用戶的設置生成GPS L1頻點C/A碼和北斗二代 B1頻點C/A碼的觀測數據和導航電文，同時最多能夠生成對應于3個天線的觀測數據和導航電文。數學仿真系統根據預先設定載體運動軌跡數據或航跡管理主機發送的軌跡信息，生成對應的仿真場景數據，并通過千兆網發送給監控系統和測試評估系統。

射頻信號仿真系統接收監控系統發送的由數學仿真系統生成的仿真場景數據，負責生成能夠模擬通過實際空間傳播的疊加延遲效應和多普勒效應的射頻導航信號。射頻仿真分系統可同時輸出3路射頻信號，分別模擬定位測姿系統3個接收天線所接收到的導航信號，這三路射頻信號通過有線的方式連接到定位測姿系統對應的3個射頻輸入端口。

監控系統運行控制軟件和顯示軟件，實現對射頻信號仿真系統的全程控制操作，控制軟件接收數學仿真系統發送的仿真場景數據，并發送給射頻信號仿真系統;顯示軟件接收數學仿真系統發送的仿真場景數據，以圖表的方式實現數學仿真系統仿真場景信息的直觀展示，主要包括衛星星座圖、用戶軌跡、用戶的三維位置、速度、加速度等用戶所關心的信息。

測試評估系統運行測試評估軟件，能夠接收由北斗二代接收機開發系統輸出的標準格式的定位解算信息及數學仿真系統發送的仿真場景數據，對接收機開發過程中的關鍵技術指標進行測試評估。

定位測姿系統為具有測姿功能的衛星導航終端系統，能夠完成測姿功能。定位測姿系統的定位、定向和測姿結果，通過串口或者網絡上傳到航跡管理主機。

圖2 衛星導航接收終端研制開發教學實驗系統

衛星導航接收終端研制開發教學實驗系統由射頻信號仿真系統、數學仿真系統、監控系統、測試評估系統和用于教學的15套BD2/GPS兼容型接收機開發系統組成。這套系統可用于衛星導航定位、測姿算法的研究，也可用于衛星導航相關課程的教學。用戶可以在開發板上驗證各種算法，并對在這過程中的數據及參數進行控制和監視。

BD2/GPS兼容型用戶機能夠接收北斗二代衛星播發的B1、B3頻點導航信號和GPS衛星L1頻點導航信號，完成定位解算功能，并輸出相關信息。

以上為北斗衛星船舶導航實驗室的建設方案，本方案除了適用于船舶航跡仿真和接收終端研制開發教學實驗外，還適用于北斗二代實驗室系統的研制和開發，包括概述、需求和任務分析、總體方案設計、功能模塊實現、電磁兼容性設計、可靠性和維修性設計以及可測試性設計，是北斗二代實驗室系統的硬件設計和軟件開發的依據。

3 實驗內容設計及部分實例介紹

實驗內容分為基礎實驗、綜合實驗和創新設計型實驗三大類型［16］。現以基礎實驗作為實驗內容設計，衛星導航基礎實驗內容包括:實時衛星位置解算及結果分析，實時傳輸誤差計算與特性分析及信噪比與衛星仰角關系，幾何精度因子(DOP)的實時計算與分析導航解算(接收機位置、時間)及結果分析，可視衛星預測。

本實驗就北斗二代衛星導航接收機在船舶航行中的性能進行分析，實驗需要在船舶上安裝北斗二代接收機，進行實測數據分析才能得出結論。要完成這樣一個實驗是非常困難的，即使在航海院校有這樣的硬件條件，但也需要花費大量的人力、物力、時間等。那么，有了現代的北斗二代衛星船舶導航實驗室，實驗就可以進行如下設計:實驗設計硬件平臺示意圖如圖3所示。北斗二代衛星信號及船舶航行的場景由衛星信號模擬器完成，根據我們實驗測試的需要由控制主機完成模擬場景的設計并控制模擬器產生相應的射頻信號，再由接收機接收來自模擬器的信號，送入監控、測評、數據接收系統，監控、測評、數據接收系統可實時監控測評，可將實驗產生的數據用于對產品的分析。

在實驗中，評估系統我們采用性能評估軟件，該軟件包括系統配置和評估功能選項二個操作面板，系統配置包括打開串口和關閉串口兩個操作選項;評估功能選項包括定位精度、測速精度、靈敏度、偽距精度、通道一致和報告六個功能模塊，可以實現衛星導航信號接收機性能指標的評估分析。性能評估軟件能夠實時分析處理由衛星導航信號接收機輸出的標準格式的定位解算信息及衛星導航信號模擬器輸出的仿真場景理論數據，也可進行事后的數據文件分析處理，對衛星導航信號接收機的關鍵技術指標進行測試評估。

在偽距觀測精度確定的情況下，如何使精度因子的數值盡可能減小，是提高定位精度的一個重要途徑。由于衛星的運動以及觀測衛星的選擇不同，所測衛星在空間分布的幾何圖形是變化的，導致精度因子的數值也是變化的。在試驗中，根據不同的要求，可選用不同的精度評價模型和相應的精度因子，通常有平面位置精度衰減因子(HDOP)、高程精度衰減因子(VDOP)、空間位置精度衰減因子(PDOP)、接收機鐘差精度衰減因子(TDOP)、幾何精度衰減因子(GDOP)等。根據數據接收系統的數據進行整理并得出如圖4所示的DOP值的變化圖，對下圖進行分析可知實驗、研究成果是否達到預期的性能指標。

圖3 實驗硬件平臺搭建示意圖

圖4 幾何精度因子(DOP)值的變化圖

4 結語

目前實驗室已基本建成，在2012年已經通過驗收，得到了衛星船舶導航領域多位專家的認可，實驗室多采用模塊化設計，在實驗室設備更新、設備維修等方面較為靈活。有力地支撐了學院的科技創新、專業課程實驗及畢業設計等教學實踐環節。積極自主開發全球船舶定位導航實驗技術，使實驗室發揮功能最大化、效益最大化，把先進的北斗二代衛星導航系統引入航海院校實驗室，實現了教學實踐與社會現實技術的結合，根據航海院校的教學要求結合工程實踐設計相關實驗，涵蓋北斗衛星導航定位技術的各個方面，可以很好地幫助學生理解北斗二代衛星導航系統基本原理，提高學生在船的實際操作能力，真正做到讓學生成為懂原理懂技術的使用者。本實驗室的建設不僅能為衛星導航科研機構、航運企業培養專業人才也能教師的科研、學校衛星船舶導航相關專業的實驗教學提供一個更好的創新研究平臺。

［1］ 解志斌，田雨波，顏培玉，等.船舶通信與導航實驗室構建研究［J］.實驗室研究與探索，2012，31(10):418-419.

［2］ 李天松，周海燕，陳名松.工科院校GPS基礎實驗室規劃與建設［J］.實驗室研究與探索，2010，29(6):177-180.

［3］ 史建青，董春來.全球定位與導航實驗室建設模式探索［J］.實驗技術與管理，2011，28(5):182-184.

［4］ 蔣景華.貝爾實驗室創新經驗的啟迪［J］.實驗技術與管理，2010，27(3):6-8.

［5］ 陳孝云，林金春，魏起華.教學與科研相結合型實驗室的建設與管理［J］.農業科學與技術，2008，28(3):180-182.

［6］ 畢大強.科研實驗平臺建設與使用的幾點思考［J］.實驗技術與管理，2011，28(12):178-180.

［7］ 朱健平.實驗室建設的關鍵是實驗技術隊伍的建設［J］.實驗室研究與探索，2004，23(10):81-83.

［8］ 殷志明，徐永清.高校實驗室開放工作的實踐與探索［J］.實驗技術與管理，2010，27(8):188-189.

［9］ 趙澤剛.高校重點實驗室建設管理研究［D］.武漢:武漢理工大學，2006.

［10］ 王志華，龍安厚.專業實驗室建設及規范化管理的探索［J］.實驗科學與技術，2009，7(6):128-130.

［11］ 周坤芳，萬岳文.航海訓練綜合實驗室建設［J］.實驗室研究與探索，2011，30(2):164-167.

［12］ 侯亞彬，宮德龍，丁 穎.高校重點實驗室建設與管理模式的創新和實踐［J］.實驗室科學，2012，15(1):150-151.

［13］ 左鐵鏞.高等學校實驗室建設的作用與思考［J］.實驗室研究與探索，2011，30(4):1-5.

［14］ 李天松，周海燕，蔡成林.北斗導航與物聯網的聯合實驗室建設［J］.實驗技術與管理，2013，30(6):160-162.

［15］ 王玲玲，富 立，杜 衛.導航系統實驗教學的研究［J］.實驗室研究與探索，2010，29(2):133-134.

［16］ 董春來，史建青，周 立.全球定位與導航實驗室的建設和運行實踐［J］.實驗室研究與探索，2011，30(9):188-190.