導航工程專業實驗室建設模式探索

符強 任風華 趙中華 劉慶華 韋珍艷

摘? 要：導航工程專業是一門多學科交叉的新興工程學科專業，主要涉及導航基礎理論、導航技術基本原理與方法、導航傳感器設備的集成及其應用;其中實驗在教學過程中具有舉足輕重的作用，結合我校“電子信息特色”的辦學特點和當前社會對導航專業人才的需要，探索了導航工程實驗室的建設模式;創建了衛星接收機軟硬件、慣性導航實驗平臺、高精度定位硬件平臺和相關軟件等實驗環境;實驗室為教師培養、課程設計、生產實習等提供了較好的平臺。從效果評價看，實驗室建設達到了導航工程專業人才培養所需的教學和實踐能力要求。

關鍵詞：導航工程;實驗室建設模式;實踐教學

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）09-0050-05

Abstract： Navigation engineering is a new interdisciplinary engineering major， which mainly involve basic navigation theory， basic principles and methods of navigation technology， integration and application of navigation sensor equipment. Experiment plays an important role in the teaching process. The construction mode of navigation engineering laboratory is explored combined with the school-running characteristics of "electronic information characteristics" of our school and the needs of the current society for navigation professionals. The experimental environment of satellite receiver hardware and software， inertial navigation experimental platform， high-precision positioning hardware platform and related software has been established. The laboratory provides a good platform for teacher training， curriculum design and production practice. The laboratory construction has met the teaching and practical ability requirements of navigation engineering personnel training from the effect evaluation.

Keywords： navigation engineering; construction mode of laboratory; practice teaching

2020年6月23日，隨著北斗三號衛星的成功發射，我國北斗系統這張天網正式為全球提供服務。可以為自動駕駛、精確泊車帶來巨大的前景;可以為搶險救災、應急通信發揮重大的作用;在這個信息化時代，結合其他信息技術，加快人工智能技術的發展……，對國民經濟全方位產生顯著的影響[1-2]。國家在北斗應用方面急需大量的人才，在導航應用中也需要專業的高科技人才。導航工程專業是我國高等院校各相關專業的一個特色專業，我校從2016年秋季開始招生，2020年7月培養的第一屆畢業生即將走向社會，為國家做出應有的貢獻。我校導航工程專業主要培養用戶終端的軟件和硬件設計，學生需要具備有如下基本能力：導航接收機硬件和軟件設計原理、高精度定位方法和數據處理、慣性導航原理及應用、組合導航等。本專業理論性和實踐性要求都比較高，通過建立導航工程專業實驗室，提供培養和鍛煉學生的動手實踐能力和學生的創新意識，基于這種客觀需求，我院對建設全球定位與導航實驗室的模式進行了探索和實踐，該實驗室的建設將我校的北斗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。

一、實驗室建設方案概述

導航實驗室由模塊化結構設計、二次開發平臺與創新應用開發平臺等組成[3]，分別建立了“導航原理實驗室”“多系統融合實驗室”和“慣性導航實驗室”等專業實驗教學平臺。實驗設備有：衛星導航接收機終端、慣性導航平臺、高精度接收機、導航應用平臺和組合導航開發板等。實驗室的建設不僅為學生提供了豐富的實驗教學平臺，也為教師提供了很好的科研和教學研究平臺。

二、實驗設備簡介

（一）衛星導航接收機終端

衛星導航（Satellite Navigation-SN）接收機終端系統由天線、下變頻、A/D轉換、FPGA、DSP和上位機等組成，見圖1所示。用于衛星導航原理相關課程的教學，可以在開發平臺上驗證接收機捕獲、跟蹤和定位解算等算法，并對這個過程中的數據及參數進行控制和監視。

（二）慣性導航實驗教學平臺

慣性導航平臺系統由航姿模塊、電動轉臺、電動轉臺控制器和工控機組成，見圖2所示：左邊的是航姿模塊3DM-E10A和雙軸電動轉臺TT-3DM-2E-10，中間的是雙軸電動轉臺控制器，右邊的是工控機。3DM-E10A含三種類型的傳感器，其中三軸陀螺用于測量物體三個方向上的絕對角速率;三軸加速度計用于測量三個方向的加速度;三軸磁強計測量三維地磁強度;TT-3DM-2E-10主要用于采集控制器串行接口連接上位計算機實現測量控制;雙軸電動控制器用于對TT-3DM-2E-10的測量和控制。

慣性導航平臺系統用于慣性導航原理及應用的教學，可以了解航向姿態參考系統（AHRS）及其內部微慣性傳感器、加速度計、陀螺儀測量與標度因數、加速度計測傾角、磁傳感三軸電子羅盤。利用3DM慣性實現平臺，實現慣導采集、陀螺測量與姿態計算，模擬飛機航行與姿態控制。

（三）高精度接收機

高精度接收機系統主要由高精度接收機硬件和軟件組成，外觀如圖3所示，用于GNSS測量與數據處理課程的教學，主要輸出原始觀測數據結合RTKLIB軟件對相對的原理及理論進行研究和學習。

（四）衛星導航應用平臺

衛星導航應用平臺系統由GNSS定位模塊、GPRS模塊、藍牙模塊、wifi模塊等組成，實驗開發板接口如圖4所示。結合慣性導航原理及應用主要用于多系統融合技術的教學，可以針對不同的應用場景對定位信息提取，完成相關應用研究和開發。

三、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[4]。

（一）衛星導航及原理實驗

實驗內容包括：繪制衛星軌道、模擬運動衛星、生成C/A碼、GPS接收機捕獲、接收機衛星信號采集與捕獲分析、GPS/BD2接收機選擇參與定位選星及接收機模塊定位信息獲取等。通過這些實驗，學生可以通過matlab了解衛星軌道運行、模擬運動衛星;可以掌握生成C/A碼方法和了解GPS接收機捕獲過程;可以掌握GPS/BD2接收機硬件平臺的使用方法;可以修改ARM和FPGA部分代碼，從而理解接收機工作原理;可以認識GPS或BD2接收模塊的NMEA-0183格式信息。

1. 繪制衛星軌道和模擬衛星運動的實驗

利用Matlab軟件，在掌握衛星軌道基本參數和坐標轉換方法和公式的基礎上繪制衛星軌道。利用Matlab影像動畫功能仿真衛星運動，加深理解衛星各參數的意義及其運動的過程，為后續的實驗做好基礎準備。

2. GPS接收機捕獲實驗

利用CA碼的特性，用一定的捕獲方法，在程序中修改相應的參數值，通過仿真結果來理解GPS捕獲程序，掌握離散化、量化和C/A碼等生成函數。1號星的功率譜密度如圖5所示，捕獲結果如圖6所示，非相關積分和相關積分結果如圖7所示。

3. GPS/BD2接收機參與定位選星實驗

GNSS衛星導航系統中應用到多種軌道衛星。我國的BDS空間星座由5顆地球靜止同步軌道衛星（GEO）、27顆中地球軌道衛星（MEO）和3顆傾斜地球同步軌道衛星（IGSO）組成[5]。在此實驗中通過修改程序限制從第幾顆星開始參與捕獲，哪幾顆星不參與定位計算，從而了解接收機各模塊功能，選星結果上位機顯示如圖8所示。

4. GPS/BD2接收機模塊定位信息獲取

此實驗的目的是通過單片機讀取接收機模塊中的數據，掌握導航協議數據格式，實驗硬件設備外觀如圖9所示，結構框圖如圖10所示，實驗結果如圖11所示。通過此實驗學生在真實設備、真實衛星信號環境下，通過編寫程序進行實驗，加深對測距原理、測量誤差、信號傳輸誤差、精度因子（DOP）、多普勒（Doppler）頻移等概念或原理的理解，掌握衛星位置和DOP計算方法[6]。

整個實驗從衛星發射信號到射頻，經A/D轉換進入FPGA進行基帶處理（捕獲和跟蹤），最后位置定位解算，通過這些實驗讓學生掌握GPS/BD2接收機的整個工作流程。

（二）多系統融合實驗

實驗內容包括：GPS信息獲取;組合導航選星;GNSS定位信息處理;陀螺儀、重力加速度參數讀取;單片機編程定位顯示信息;GPS/GPRS組合定位;GPS與地圖匹配;GPS/INS組合導航等八個實驗，以下選取部分實驗進行簡介。

1. 陀螺儀、重力加速度參數獲取

在硬件航向姿態參考系統、雙軸電動轉臺、采集控制器和計算機環境支持下利用matlab和AHRS用戶軟件編程測試陀螺儀和加速度計的核心參數，分析測得的參數并理解他們的含義和意義。

2. GPS/GPRS組合實驗

利用GPRS/GNSS綜合開發實驗箱軟硬件，在熟悉導航協議數據格式的情況下，更改單片機內程序，利用SIM900A 模塊發送定位短信到相應的手機上，體會GPS和GPRS組合定位的好處。

3. GPS與地圖匹配實驗

先利用GPRS/GNSS綜合開發實驗箱讀取位置的定位經緯度信息，如lon=110.331154，lat=25.285717桂林，lon=116.391311，lat=39.905533北京國旗基座的位置;再調用百度地圖的相關函數讀取百度地圖的位置信息并在地圖上顯示;比較同一經緯度位置在兩種方式讀取情況下的誤差，并分析兩者的區別，分析兩者的優缺點，從而促使學生理解GPS定位信息與地圖匹配的原理。

4. GPS/INS組合導航實驗

先通過GPRS/GNSS綜合開發實驗箱和3DM-E10A慣導傳感器采集相關信息并保存;再利用matlab編程讀取保存的GPS定位的經度、緯度、高度信息和慣導信息的經度、緯度、高度、角度、加速度等信息;然后修改matlab程序繪制出GPS定位信息化的運動軌跡和慣導信息部分位置的運動軌跡;最后分析繪制出來的軌跡是否正確。通過此實驗可以促使學生了解GPS和INS組合導航的方法和好處。

四、結束語

目前實驗室已經基本建成，有力地支撐了學院在衛星導航方向的專業課程實驗、課程設計、畢業設計和學生創新項目的實施等教學實踐環節。積極自主開發導航定位實驗新內容及應用技術和產品，使實驗室發揮功能最大化、效益最大化，實驗室的建立實現了教學實踐與社會現實技術的結合，根據導航工程專業的教學要求結合工程實踐設計相關實驗內容，涵蓋衛星導航定位技術各方面的原理及應用，可以很好地幫助學生理解衛星導航系統基本原理，提高學生在衛星導航專業實際應用能力，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培養專業人才，也能為教師的科研、學校的衛星導航相關專業的實驗教學提供一個更好的學習和創新平臺。

參考文獻：

[1]莊新慶，鄒緒平，等.現在北斗衛星船舶導航實驗室建設和運行[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：465-468.

[2]史建青，董春來.全球定位與導航實驗室建設模式探索[J].實驗室研究與探索，2011，28（5）：182-184.

[3]楊金顯，張穎.地方高校重點學科實驗室建設與實踐-以河南理工大學導航實驗室建設為例[J].實驗室研究與探索，

2010，29（10）：157-159.

[4]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].實驗室研究與探索，2013，30（6）：157-162.

[5]王爾申，岳孝東，等.基于STK的衛星導航原理與應用課程教學方法研究[J].實驗技術與管理，2016，33（5）：129-131.

[6]王爾申，李玉峰，等.“衛星導航原理與應用”課程教學內容和方法研究[J].實驗技術與管理，2015，32（7）：206-209.