基于北斗科教創(chuàng)新實驗箱的衛(wèi)星導(dǎo)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)教學需求，引入北斗科教創(chuàng)新實驗箱，進行了北斗/GPS原始電文采集和分析、衛(wèi)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(chuàng)新實驗箱的應(yīng)用促進了學員對于教學內(nèi)容的理解，激發(fā)了學員的學習熱情，取得了良好的教學效果。

關(guān)鍵詞 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 教學實踐 北斗科教創(chuàng)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(lián)相繼啟動了各自的衛(wèi)星導(dǎo)航定位計劃，美國發(fā)展了全球定位系統(tǒng)GPS，前蘇聯(lián)（以后為俄羅斯）發(fā)展了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASS。[1]2012年12月27日，第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)。[2]近年來，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)成為國家科技進步的重要組成部分。[3-4]在軍民各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。[5-6]導(dǎo)航專業(yè)作為我校的一個重點專業(yè)，有著悠久的歷史，我校緊跟行業(yè)的前沿領(lǐng)域已于20世紀90年代開設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用這門專業(yè)課程，現(xiàn)在已經(jīng)成為了導(dǎo)航工程專業(yè)一門骨干專業(yè)課。

在衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用課程教學中，經(jīng)常遇到導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中的信息傳輸處理以及誤差分析等內(nèi)容，傳統(tǒng)上僅依賴于教員課堂語言描述結(jié)合板書的教學方法，不能直觀展示導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)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(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用”課程組將北斗科教創(chuàng)新實驗箱引入到衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用課程教學中，利用了許多相關(guān)實驗，把適合于實際操作的內(nèi)容加入實驗課，并通過學員自行解析計算，極大地激發(fā)了學員的學習熱情，調(diào)動了學員學習的積極性。

1 北斗科教創(chuàng)新實驗箱及其功能

北斗科教創(chuàng)新實驗箱是常州市萊特信息科技有限公司生產(chǎn)的一款為了配合衛(wèi)星導(dǎo)航教學的專業(yè)型實驗箱，北斗科教創(chuàng)新實驗箱由接收機模塊、傳感器模塊、GPRS通訊模塊、衛(wèi)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(tǒng)的導(dǎo)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(wèi)星導(dǎo)航信息解算實訓系統(tǒng)，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(wèi)星導(dǎo)航定位結(jié)果與各種星歷情況，同時還可以對相應(yīng)的定位解算過程進行實驗。

2 北斗科教創(chuàng)新實驗箱在實踐教學中的應(yīng)用

北斗科教創(chuàng)新實驗箱進行衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用課程實踐教學的主要內(nèi)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(wèi)星導(dǎo)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(shè)置，選擇工作系統(tǒng)，對時鐘誤差、電離層誤差、對流層誤差和相對論效應(yīng)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(jù)原始電文的格式對導(dǎo)航電文進行分析，可以得到星歷及位置等信息，結(jié)果如圖3所示。

2.2 衛(wèi)星與用戶位置解算

衛(wèi)星位置解算在整個系統(tǒng)的導(dǎo)航解算中占有重要的位置，衛(wèi)星位置的解算是用戶位置的解算的基礎(chǔ)。因此需要得到星歷和系統(tǒng)時間，這些數(shù)據(jù)均包含在導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航電文中。學員利用北斗科教創(chuàng)新實驗箱解算得到衛(wèi)星的位置后，就可以根據(jù)三球交匯原理就可以對用戶位置進行解算，從而實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(dǎo)航系統(tǒng)中的各種誤差按誤差源大概分為三種類型：（1）與衛(wèi)星相關(guān)的誤差，包括衛(wèi)星星鐘的誤差、地球自轉(zhuǎn)的影響和相對論效應(yīng)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(shè)備的誤差，包括測量誤差和接收機鐘差等。實驗使用的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信息解算實訓系統(tǒng)具有分析和修正傳輸誤差的功能，因此可以對于衛(wèi)星信號傳輸過程中的實時傳輸誤差進行計算和分析。其結(jié)果如圖5所示。

利用GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信息解算實訓系統(tǒng)的相關(guān)功能，還可以對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的幾何精度因子變化圖。

學員在任課教員具體實驗指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，自己動手對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集，解算和分析，加強了學員對于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(jié)束語

衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)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(chuàng)新實驗箱的強大功能，設(shè)計了北斗/GPS原始電文采集和分析、衛(wèi)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(wèi)星導(dǎo)航原理的認識和掌握，提高了學員的動手能力，激發(fā)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(shè)項目

參考文獻

[1] 邊少鋒，紀兵，李厚樸.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概論（第二版）[M].北京：測繪出版社，2016.

[2] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進展、貢獻與挑戰(zhàn)[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(yīng)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(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航實驗教學平臺建設(shè)研究與實踐[J].實驗與實踐教學.

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

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