衛星導航差分定位實踐教學研究

蘇偉斌 李厚樸 紀兵

摘要：針對“衛星導航原理及應用”課程教學需求，實驗室引入基準站流動站硬件設施，對課程中涉及的差分定位，進行全套流程操作教學，使單調的教學內容以具體的方式展示出來。教學實踐表明，實踐教學極大地提升了學員的學習自主性和動手能力，在數據分析的過程中也對數據處理能力進行了鍛煉，教學效果顯著。

關鍵詞：衛星導航；差分定位；教學實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）47-0140-02

一、引言

衛星導航技術的發展如今已經滲透進了人類世界的方方面面，影響著人們的日常生活。在衛星定位過程中，定位精度受到各方面因素的影響。為了解決這一問題，差分定位技術出現并迅速發展，其利用衛星軌道誤差、衛星鐘差、信號傳播電離層延遲和對流層延遲四種誤差的相關性，通過建立差分系統，削弱誤差的影響，從而獲得移動站的精確位置[1-2]。

在高精度衛星導航定位教學中，應用廣泛的載波相位差分技術是很重要的一部分，但基于客觀原因，往往存在于口頭式、抽象式的闡述，學員只能對其原理有個模糊的印象，且理解費勁，無法真正讓學員切實體會到差分定位的優勢。在如今的專業課教學中，對概念的掌握已經不再滿足于崗位的需要，尤其在當前全軍院校所倡導的“實戰化教學”大背景下，課程組尤其關注學員對儀器的操作能力、對數據的處理能力以及對統計結果的分析能力，這些才是戰場上所需要的“硬本領”[3-4]。

二、教學思路

在差分定位教學中，教員首先帶領學員了解高精度差分定位技術的發展現狀，了解課題研究的背景及研究意義，接下來重點對差分定位技術原理、組成和應用進行深入學習，并利用實驗室相應設備指導學員開展差分定位實驗，培養軟硬件的操作、數據處理能力，最后根據數據處理結果進行討論分析。

實驗流程如圖1所示。

三、教學實施

1.實驗儀器及配置。實驗儀器包括CORS機、流動站、DTU、測量天線、數據連接線若干，如圖2所示。

使用計算機的串口配置軟件，對CORS機和DTU進行配置。對CORS機的配置主要為衛星電文（GPS電文1074、GLONASS電文1084、北斗電文1124），差分數據輸出模式；對DTU主要設置中心站地址和端口號。最后架設天線，連接DTU與CORS機，完成CORS基站的建設，實現差分信號播發。此處重點培養學員對配置軟件的操作能力。

流動站與基準站連接成功后，將流動站放置于開闊地帶，待鎖定衛星成功后，在手簿上點擊狀態即可顯示定位結果、星空圖、衛星表和信噪比等各項參數，如圖3所示。實時、直觀、動態、準確的信息和衛星數據遠比在課堂上的口頭教學更讓學員容易接受。

2.實時靜態定位性能測試對比。固定流動站至開闊地帶靜置，分別進行差分模式下與非差分模式下的實時靜態定位性能測試。引導學員對兩者的可見星數、精度值、DOP值進行觀測，并通過手簿軟件采集數據，采集完畢后數據可通過Excel、Matlab等方式導出。此時需要教員引導學員對各采集值的均方根值、均方根誤差、標準差進行統計與分析，了解其含義并繪制圖表觀察其數據大小及波動變化狀況。既培養學員的數據處理能力，通過圖表也可以直觀地反映出差分定位的優勢。

由于篇幅限制，本文僅展示實驗中HRMS（平面精度）的對比。結果分析如表1、圖4所示：

由表1、圖4可以看出：在靜態實驗中，HRMS在差分解下基本無波動，在無差分信號時存在較明顯波動；非差分模式下HRMS值都比差分模式下大，體現出差分模式下定位精度更高。

3.實時動態定位性能測試對比。將接收機固定在移動介質，在動態模式下分別進行差分與非差分下的連續采點，并對數據進行相同的處理。此處重點培養學員的動手實操能力以及團結協作配合能力，包括儀器的架設、數據的采集等工作都需要學員之間的互相配合。采集結束后，手簿軟件可將每一個采集點在地圖上顯示出來。結果分析如表2、圖5所示：

由表2、圖5可以看出：在動態實驗中，HRMS均存在波動，但非差分解下波動更加劇烈，起伏更大；非差分模式HRMS值普遍比差分模式下大，體現出差分定位的優勢。

四、結束語

在差分定位實踐教學過程中，還應該注意以下幾點：（1）為提高實驗效率，靜態實驗可與動態實驗同步進行；（2）實驗地點應選擇盡量空曠的場地，保持良好衛星可見性；（3）實驗過程中愛護設備，注意人員安全，教員全程跟進指導，及時對實驗中出現的問題進行指正；（4）在對基準站與流動站的配置過程中，還可以將實時差分數據通過串口用計算機軟件采集，使學員對差分數據的格式和差分定位的解算有更深入的理解。

參考文獻：

[1]楊杰，張凡.高精度GPS差分定位技術比較研究[J].移動通信，2014，（2）：54-58.

[2]邊少鋒，紀兵，李厚樸.衛星導航系統概論[M].第2版.北京：測繪出版社，2016：162-164.

[3]閆民，張作前，劉俊瀛.推進軍隊院校任職教育應突出特色發展[J].繼續教育，2013，（7）：59-61.

[4]孔巧麗，韓李濤，劉智敏，郭金運.GNSS實驗室儀器設備信息化管理設計與實現[J].實驗室研究與探索，2015，（6）：236-239.