基于北斗科教創新實驗箱的衛星導航原理課程實踐教學

于成金　李厚樸　李文魁

摘 要 針對北斗衛星導航系統教學需求，引入北斗科教創新實驗箱，進行了北斗/GPS原始電文采集和分析、衛星和用戶位置解算、傳輸誤差和幾何精度因子分析等實驗，使抽象的北斗知識點以直觀的方式展示出來。教學實踐表明，北斗科教創新實驗箱的應用促進了學員對于教學內容的理解，激發了學員的學習熱情，取得了良好的教學效果。

關鍵詞 北斗衛星導航系統 教學實踐 北斗科教創新實驗箱

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.05.047

The Research on Practice Teaching for Navigation Satellite

Based on BeiDou Experiment Box

YU 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世紀70年代以來，美國和前蘇聯相繼啟動了各自的衛星導航定位計劃，美國發展了全球定位系統GPS，前蘇聯（以后為俄羅斯）發展了全球導航衛星系統GLONASS。[1]2012年12月27日，第二代北斗衛星導航系統正式提供區域服務。[2]近年來，衛星導航定位技術已經成為國家科技進步的重要組成部分。[3-4]在軍民各個領域都得到了廣泛的應用。[5-6]導航專業作為我校的一個重點專業，有著悠久的歷史，我校緊跟行業的前沿領域已于20世紀90年代開設衛星導航原理及應用這門專業課程，現在已經成為了導航工程專業一門骨干專業課。

在衛星導航原理及應用課程教學中，經常遇到導航衛星系統中的信息傳輸處理以及誤差分析等內容，傳統上僅依賴于教員課堂語言描述結合板書的教學方法，不能直觀展示導航衛星數據的傳輸與分析過程，不能對實際信息進行處理與分析實驗，學員感到理解困難。為了改善教學效果，近年來筆者所在“衛星導航原理及應用”課程組將北斗科教創新實驗箱引入到衛星導航原理及應用課程教學中，利用了許多相關實驗，把適合于實際操作的內容加入實驗課，并通過學員自行解析計算，極大地激發了學員的學習熱情，調動了學員學習的積極性。

1 北斗科教創新實驗箱及其功能

北斗科教創新實驗箱是常州市萊特信息科技有限公司生產的一款為了配合衛星導航教學的專業型實驗箱，北斗科教創新實驗箱由接收機模塊、傳感器模塊、GPRS通訊模塊、衛星天線模塊、顯示模塊、電源模塊和各種外接串口組成。接收機模塊支持GPS、北斗、GLONASS三系統的導航電文的接收。實驗箱實物如圖1所示。

另外，還配套帶有GNSS衛星導航信息解算實訓系統，軟件主界面如圖2所示，學員可以利用此軟件直觀的觀察衛星導航定位結果與各種星歷情況，同時還可以對相應的定位解算過程進行實驗。

2 北斗科教創新實驗箱在實踐教學中的應用

北斗科教創新實驗箱進行衛星導航原理及應用課程實踐教學的主要內容有：

2.1 原始電文采集及分析

利用北斗科教實驗箱上集成接收機模塊，可以對衛星導航天線接收到的原始電進行采集，利用萊特GNSS實訓工具可以將其讀取至計算機并進行處理。

對接收機軟件進行設置，選擇工作系統，對時鐘誤差、電離層誤差、對流層誤差和相對論效應進行補償。然后將采集原始電文保存至本地“302 原始電文.dat”。使用 UltraEdit 打開“302 原始電文.dat”，找到一條觀測量電文，根據原始電文的格式對導航電文進行分析，可以得到星歷及位置等信息，結果如圖3所示。

2.2 衛星與用戶位置解算

衛星位置解算在整個系統的導航解算中占有重要的位置，衛星位置的解算是用戶位置的解算的基礎。因此需要得到星歷和系統時間，這些數據均包含在導航系統的導航電文中。學員利用北斗科教創新實驗箱解算得到衛星的位置后，就可以根據三球交匯原理就可以對用戶位置進行解算，從而實現衛星導航系統的定位功能。如圖4所示。

2.3 實時傳輸誤差及幾何精度因子分析

BD/GPS 導航系統中的各種誤差按誤差源大概分為三種類型：（1）與衛星相關的誤差，包括衛星星鐘的誤差、地球自轉的影響和相對論效應等；（2）信號傳輸誤差，包括電離層誤差和對流層誤差等；（3）接收設備的誤差，包括測量誤差和接收機鐘差等。實驗使用的GNSS衛星導航信息解算實訓系統具有分析和修正傳輸誤差的功能，因此可以對于衛星信號傳輸過程中的實時傳輸誤差進行計算和分析。其結果如圖5所示。

利用GNSS衛星導航信息解算實訓系統的相關功能，還可以對衛星導航系統的幾何精度因子進行實時計算并分析，圖6為采集記錄北斗衛星導航系統的幾何精度因子變化圖。

學員在任課教員具體實驗指導的基礎上，自己動手對衛星導航系統的相關數據進行采集，解算和分析，加強了學員對于衛星導航系統誤差分析和定位分析的理解，對于解算步驟有了直觀的認識和掌握。

3 結束語

衛星導航原理及應用課程知識點繁多，理論學習比較枯燥，課程組充分利用北斗科教創新實驗箱的強大功能，設計了北斗/GPS原始電文采集和分析、衛星和用戶位置解算、傳輸誤差和幾何精度因子分析等實驗，加深了學員對衛星導航原理的認識和掌握，提高了學員的動手能力，激發了學員的學習興趣，取得了較好的教學效果，值得在今后的教學實踐中大力推廣。

*通訊作者：李厚樸

基金項目：國家自然科學基金項目（41771487，41674037），軍隊2110工程三期建設項目

參考文獻

[1] 邊少鋒，紀兵，李厚樸.衛星導航系統概論（第二版）[M].北京：測繪出版社，2016.

[2] 楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰[J].測繪學報，2010.39（1）：1-5.

[3] 李黎，龍四春，張金平，等.GPS原理與應用課程教學改革探討[J].當代教育理論與實踐，2014.6（5）：118-119.

[4] 韓帥，王文靜，孟維曉，等.通信工程專業衛星導航實驗教學平臺建設研究與實踐[J].實驗與實踐教學.

[5] 皮亦鳴，李晉，曹宗杰，等.衛星定位導航原理的實驗課程設計與實踐[J].實驗科學與技術，2012.10（5）：96-98.

[6] 肖擁軍，劉新華，楊榮豐.工程地質實踐教學研究[J].當代教育理論與實踐，2011.3（4）：100-101.