卫星导航实验系统开发技术方案

目录

-项目概述......................................................................4

二卫星导航实验系统建设思路.....................................................5

2.1建设目标.................................................................5

2.2建设特色.................................................................6

三主要功能和技术指标...........................................................7

3.1卫星导航实验系统主要功能如下：.........................................7

3.2卫星导航实验系统技术指标如下：.........................................8

四关键技术......................................................................9

4.1导航模块的LEA-M8T开发技术.............................................9

4.2学生机与教师机通信技术.................................................11

43各实验源数据的获取技术.................................................13

4.4实验策划................................................................16

4.4.1基础性实验.........................................................17

4.4.2开拓性实验.........................................................18

4.4.3研发性实验.........................................................19

五系统设计概述................................................................21

六硬件设计.....................................................................22

6.2单片机选型..............................................................23

6.2.1STM32优势.......................................................24

6.2.2STM32F103优势...................................................24

6.3U-Blox选型.............................................................25

6.3.1U-BLOX优势.......................................................25

6.3.2LEA-M8T优势.....................................................26

七软件设计.....................................................................26

7.1教师机与学生机互联设计.................................................27

7.2教师子系统软件设计.....................................................29

7.2.1教师机功能设计.....................................................29

7.2.2教师机操作流程设计................................................30

73学生子系统软件设计.....................................................34

7.3.1学生机操作流程设计.................................................34

7.3.1学生机功能设计.....................................................35

7.5指导书，实验演示，题库扩展功能设计....................................36

7.4定制程序拓展功能设计....................................................37

八实验流程设计................................................................37

8.1基础类实验..............................................................37

8.1.1实验一ECEF坐标与WGS84坐标系转换实验........................37

8.1.2实验二UTC时间与本地时间转换实验...............................40

8.1.3实验三卫星位置和多普勒频移的分析与计算实验.....................42

8.1.4实验四实时传输误差分析...........................................43

8.1.5实验五卫星信噪比与仰角关系分析实验..............................45

8.1.6实验六几何精度因子的分析与计算..................................46

8.2开拓类实验..............................................................47

8.2.1实验七接收机位置解算实验.........................................47

8.2.2实验八卫星测速实验...............................................49

8.2.3实验九定向测姿实验...............................................49

8.2.4实验十卡尔曼滤波实验.............................................50

8.3研发类实验..............................................................51

8.3.1实验H--GPS与GIS结合实验.....................................51

8.3.2实验十二多系统融合定位实验......................................52

8.3.3实验十三RTK定位实验............................................53

8.3.4实验十四抗窄带干扰实验...........................................55

8.3.5实验十五NEMA命令解析实验.....................................55

行业与管理爽遁微慎密

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卫星导航实验系统开发技术方案

卫星导航实验系统开发技术方案

一项目概述

目前，随着技术、产业快速发展，各高校相继展开了导航相关专业或课程体

系的建设。但是，卫星导航技术涉及知识面宽、理论性强，学生学起来枯燥乏味，

教学工作不易开展。如果仅是停留在课堂教学层面，很难取得良好的教学效果。

只有把晦涩难懂的知识点以生动形象的实验形式展现在学生面前，让学生看得见

摸得着。才能更好的加深理解，灵活掌握，做到学以致用。从而从根本上提高教

学水平，培养出合格的专业人才。为了更好地辅助课堂教学，提升教学效果，培

养学生动手实践能力，我公司精心推出了本套完善的卫星导航实验系统解决方

案。该方案主要针对学科领域包括卫星导航、仪器仪表、测试测绘、系统仿真、

软件工程、通信工程、计算机、计量检测、电力电子等相关专业。

卫星导航实验系统建设方案中包括卫星导航实验平台、实验系统各种

配套设备、配套实验软件及实验指导书。本建设方案以《卫星导航实验原

理》作为理论基础、以培养新型人才目标，结合各高校的实际需求，通过

实验激发学生对卫星导航技术的学习兴趣和探索精神。卫星导航实验系统

配备的卫星导航实验平台以美国U-Block最新生产的高精度定位授时接收

机模块LEA-M8T作为系统核心部件，并配有STM32高性能单片机。为了

使学生在真实卫星信号环境下开展实验，实验室配备GNSS卫星信号转系

统。转发系统的功能是接收室外GNSS卫星信号，经滤波、放大、转发等

环节，将室外天线收到的有效GNSS卫星信号转入室内，解决室内无法接

收到卫星信号的问题。室内全向发射天线将GNSS信号进行发射，即可使

信号覆盖范围内的导航实验平台接收到卫星信号，顺利开展各个实验项目。

卫星导航实验系统配备的软件部分是一套集实验开展和实验网络化管理于

一体的大型实验软件系统。该软件系统分为教师机版本和学生机版本。软

件部分加入个性化设置，并配有卫星星座显示和卫星轨迹图功能。教师机

与学生机通过局域网设置，可以实现网络通信、实验任务编辑、实验数据

”典卫星导航实验系统开发技术方案

创一流，成为培养高素质人才的重要平台。

实验系统建设始终贯穿以学生为本的理念，以培养创新人才为核心，力争把

实验系统建设成基于网络化管理，实验教学体系合理、开放共享、特色鲜明、达

到国内领先的高水平导航技术实验教学示范中心。

卫星导航实验系统的建设旨在激发学生对卫星导航技术的学习兴趣和探索

精神。跟踪卫星导航技术发展前沿和市场应用趋势，配置相应的软硬件设备用于

开展学生实训，为学生就业提供重要支持。同时提供卫星原始观测数据以及数据

处理代码，方便教师的教学与科研工作。

2.2建设特色

卫星导航实验系统坚持以提高教学质量为目的，同时注重培养学生理论知识

和实践创新能力两个方面，让学生在实验系统这个开放的平台上理解先进的理论

知识同时，做到学以致用。为此，实验系统建设具有以下儿方面的建设特色：

1）先进性

实验系统配备的软硬件设备，与当前国际先进技术同步，并通过软件升级与

硬件扩展保持技术的先进性。使学生在先进的平台上做相关实验及二次开发，为

以后从事卫星导航教学、科研、应用等工作奠定坚实的理论基础、积累实践经验。

实践性

2）学生利用该卫星导航实验平台可以在真实的卫星信号环境下，进行实验，理

解北斗/GPS定位的基本原理，还可以通过开放的实验源程序，亲自动手编制实

验程序，进一步深刻理解北斗/GPS定位中的核心技术。

共享性

3）该卫星导航实验系统所用到的算法、原始数据、硬件接口及软件源程序等全

方位对用户开发，以便于用户顺利完成实验教学工作，或者进一步为相关科研匚

作提供参考帮助。

4）创新人才培养能力

该卫星导航实验平台具有开放的软硬件接口，并提供实验源代码，学生可以

在此平台上开展创新型实验。学生在实验过程中，学生的独立思维和个性得到充

”典卫星导航实验系统开发技术方案

分发挥，能培养出卫星导航一流的创新型人才。

5）网络化实验管理

卫星导航实验平台采用网络化管理模式，实验任务下发、实验开展、实验进

度把控及实验报告提交等实验环节，全面纳入统一的网络化管理，教师可以在网

络上实现对整个实验教学的全面控制和管理，从而提高实验效率和教学效果，可

真正实现了无纸化实验。

6）高品质服务

公司多年来一直从事卫星导航相关产品的研发和生产，进行了大量相关技术

的积累，并与国内多所高校保持良好的合作关系.具备为卫星导航实验系统提供

高品质服务和技术支持的能力。

三主要功能和技术指标

3.1卫星导航实验系统主要功能如下：

1）硬件部分可以同时接收北斗与GPS信号。

2）可以解算卫星导航信息。

3）软件部分可以实现教师机与学生机的联网控制。

4）教师机软件可以实现下发实验任务操作。

5）教师机软件可以对学生机发来的报告进行收集。

6）教师可以对实验过程进行检查指导。

7）教师机可以评定实验成绩以及实验任务的验记。

8）软件端有4个子模块；分别为实验指导子模块、实验演示子模块、和实验操

作子模块。

9）软件部分对每个实验配备了演示视频。

10）软件具有卫星星座显示和定位轨迹显示功能。

11）软件部分拥有个性化设置，可以自由搭配不同风格。

12）实验部分共有15项实验，分为基础性实验、开拓性实验和研发性实验。

13）学生机软件部分配备各个实验的思考题，可以进行上传实验报告操作。

X4M卫星导航实验系统开发技术方案

3.2卫星导航实验系统技术指标如下:

卫星导航实验平台主要性能参数如表3-1所示:

表3-I卫星导航实验平台主要性能参数

工作模式72通道GPS/北斗双模定位

定位精度2.5米

授时精度<20nS

灵敏度—160dBm

冷启时间27S

数据更新率2Hz

工作温度一40℃~85℃

供电220VAC

卫星接收天线用于接收GPS和北斗频段的卫星信号，天线具有高增益，良

好的低仰角增益、广角圆极化和稳定的相位中心等特点。天线主要性能指标如表

3-2所示。

表3-2接收天线性能指标列表

电气特性

1575±5MHz(CPS)

频率范围

l561±4MHz(北斗二代)

极化方式右旋圆极化

天线增益>3.5dB

放大器增益237dB

噪声系数<1.5dB

反射损耗-14dB（即驻波匕四.5）

干扰抑制>25dB(f0±100MHz)

P-1>lOdBm

阻抗50Q

供电3V/5VDC

环境特性

卫星导航实验系统开发技术方案

工作温度-45C~85℃

贮存温度-50C~90℃

工作湿度95%不冷凝

四关键技术

4.1导航模块的LEA-M8T开发技术

卫星导航实验系统的核心模块LEA-M8TGNSS授时模块。是全球领先

的定位及无线通信技术提供商u-blox公司(SIX:UBXN),自主研发的

LEA-M8TGNSS授时模块通过国网电力科学研究院有限公司实验验证中心

认证，该模块可实现弄常闰秒和时间跳变的检则和报警功能，达到Q/GDW

11539-2016电力系统时间同步及监测技术规范标准oLEA-M8TGNSS授时

模块，支持GPS/QZSS、GLONASS＞北斗和Galileo全星座卫星信号接•!攵，

可为全球电力行业应用提供高完整性的精密授时服务。此外，依托信号高

捕获和追踪灵敏度的特性，u-bloxNEO/LEA-M8T即使在具有挑战性的信号

环境下也能精准定位和精密授时。

LEA-M8TGNSS授时系列模块可利用u-bloxAssistNow和符合行业

标准的校正数据，缩短首次定位时间，从而在产品首次安装时便可获得精

准位置、时间和频率信息。另外，凭借u-blox自主完整性监测(RAIM)

和连续相位不确定性估计技术，可以为实现LEA/NEO-M8T高标准的授时

完整性提供有力支持。

LEA-M8T模块内部集成u-bloxM8芯片，不仅为各级电力调度机构、

发电站、变电站等电力系统内的授时系统产品提供了高精度、高灵敏度、

低功耗的解决方案，也对其设备的时间同步状态进行实时监测，以保证电

力系统的稳定运行。

卫星导航实验平台所获得的实验参数全部为LEA-M8T模块接收的原

始数据。通过串口进行通讯，它用于和上位机的通信，它接收到上位机发送的

命令后会进入串口3接收中断服务函数，会按照与单片机和上位机已经协议好的

经典卫星导航实验系统开发技术方案

协议，进入串口3接收状态机，一共为6个状态，分别为：con」dell,用于接收

协议的开头字；con」del2,也用于接收协议的开头第二个字；con_Cmd,用于接

收命令，并放入串口接收缓冲区；con_Len,用于接收数据的长度，若数据长度

为0,则直接把数据放入串口接收缓冲区，并把状态跳到con.Check；若不为0,

则数据继续累加，并把数据放入串口接收缓冲区；con.Data,用于接收数据，包

括试验儿以及年月日，并放入串口接收缓冲区；con_Check,用于校验，若校验

成功，则置OK标志，代表是本机包，若校验不成功，则会跳到con」dell,重

新进行接收。

串口3发送中断服务函数，是把接收到的重新发送给上位机，用于ACK回

应，也为6个状态。分别为：conjdell,conjde12：是协议的字头；con_Cmd：

协议的命令；con_Datal：协议的数据；con.Ack：协议的ACK回应；con_Check：

用于校验，校验成功后关闭串口3发送中断，并把串口3发送置OK标志，用于

将接收机发过来的数据通过串口3发送时的一个条件判断，代表ACK校验完成，

串口3可进行别的数据发送。（目前没有使用ACK）

串口1：用于单片机和接收机的通信。它接收到接收机发送的命令会进入串

口1接收中断服务函数，如果串口3ACK校验完成，则会把串口1接收到的数

据通过串口3发送给上位机。

串口1发送中断服务函数，将对接收机的命令控制通过串口1发送给接收机。

该状态机一共分为9个状态，分别为：con_IdelLcon」del2：用于发送协议命令

的起始字节；con_Class：发送协议中的字节，发送的内容从串口发送缓冲区中

获得，该缓冲区是已经在Fun_Systcm.c中填写好的。conjd：发送协议的ID号，

发送的内容从串口发送缓冲区中获得，该缓冲区是已经在Fun_System.c中填写

好的；con_Len_L,con_Len_H：用于发送长度的低字节和高字节，发送的内容

从串口发送缓冲区中获得，该缓冲区是已经在Fun.System.c中填写好的；

con_Data：用于发送数据的具体内容，发送的内容从串口发送缓冲区中获得，该

缓冲区是已经在Fun_System.c中填写好的；con_CheckA,con_CheckB：两个字

节的校验，若校验不成功，则回到conjdello

经典卫星导航实验系统开发技术方案

4.2学生机与教师机通信技术

学生机与教师机之间的通信是通过套接字连接，使用的协议是UDP协

议。所谓套接字(Socket),就是对网络中不同主机上的应用进程之间进行双

向通信的端点的抽象。一个套接字就是网络上进程通信的一端，提供了应

用层进程利用网络协议交换数据的机制。从所处的地位来讲，套接字上联

应用进程，下联网络协议栈，是应用程序通过网络协议进行通信的接口，

是应用程序与网络协议根进行交互的接口。Sockel(套接字)可以看成是两个

网络应用程序进行通信时，各自通信连接中的端点，这是一个逻辑上的概

念。它是网络环境中进程间通信的API(应用程序编程接口)，也是可以被命

名和寻址的通信端点，使用中的每一个套接字都有其类型和一个与之相连

进程。通信时其中一个网络应用程序将要传输的一段信息写入它所在主机

的Socket中，该Socket通过与网络接口卡(NIC)相连的传输介质将这段信

息送到另外一台主机的Socket中，使对方能够接收到这段信息。Socket

是由IP地址和端口结合的，提供向应用层进程传送数据包的机制。套接字

Socket=(IP地址：端口号)，套接字的表示方法是点分十进制的1P地址

后面写上端口号，中间用冒号或逗号隔开。每一个传输层连接唯一地被通

信两端的两个端点(即两个套接字)所确定。例如：如果IP地址是

210.37.145.1,而端口号是23,那么得到套接字就是(210.37.145.1：23)。

主要类型

①流套接字(SOCK_STREAM)

流套接字用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务将保证数

据能够实现无差错、无重复送，并按顺序接收。流套接字之所以能够实现

可靠的数据服务，原因在于其使用了传输控制协议，即TOW

TransmissionControlProtocol)协议。

②数据报套接字(SOCK_DGRAM)

数据报套接字提供一种无连接的服务。该服务并不能保证数据传输的

可靠性，数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地

接收到数据。数据报套接字使用UDP(UserDatagramProtocol)协议进行数

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据的传输。由于数据报套接字不能保证数据传输的可靠性，对于有可能出

现的数据丢失情况，需要在程序中做相应的处理。

③原始套接字(SOCK_RAW)

原始套接字与标准套接字(标准套接字指的是前面介绍的流套接字和数

据报套接字)的区别在于：原始套接字可以读写内核没有处理的IP数据包，

而流套接字只能读取TCP协议的数据•，数据报套接字只能读取UDP协议的

数据。因此，如果要访问其他协议发送的数据必须使用原始套接。

在本套软件中使用了数据报套接字的方法，这种方法是种无连接的服

务，使用了UDP协议进行数据的传输，UDP协议与TCP协议一样用于处

理数据包，在OSI模型中，两者都位于传输层，处于IP协议的上一层。UDP

有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，

当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些

需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众

多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世

至今己经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，

但即使在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。

优点：UDP速度比TCP快，由于UDP不需要先与对方建立连接，也

不需要传输确认，因此其数据传输速度比TCP快得多。UDP有消息边界，

使用UDP不需要考虑消息边界问题，使用上比TCP简单。UDP可以一对

多传输，利用UDP可以使用广播或组播的方式同时向子网上的所有客户发

送信息，这一点也比TCP方便。

缺点：UDP可靠性不如TCP,与TCP不同，UDP并不提供数据传送的

保证机制。如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失，协

议本身并不能做出任何检测或提示。UDP不像TCP那样能保证有序传输，

UDP不能确保数据的发送和接收顺序。对于突发性的数据报，有可能会乱

序。事实上，UDP的这种乱序性基本上很少出现，通常只会在网络非常拥

挤的情况下才有可能发生。

教师机可以下发实验任务、下发实验数据以及评定成绩下发，还可以

收集实验报告、评定实验成绩。教师机下发任务、实验数据和成绩都是使

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用的特定端口发送的。教师机会将实验报告收集到一个文件夹，每当教师

机打开实验操作的窗口的时候，程序会在软件安装目录下的“实验报告（学

生上传）”的文件夹中自动创建一个以当前时间为名称的文件夹（以年月

日时为名称例2020081909）,学生上传的文件都会在这个文件夹中，这样

可以方便的找到想要找的实验报告。教师机可以显示学生的实时状态，学

生机不同的状态会有不同标志，教师机通过不断的接收这个标志并且更新

显示，就可以实时的查看学生机的状态。教师机还可以评定实验成绩，当

老师查看完学生提交的实验报告，可以返回到教师机评定成绩，成绩全部

给完之后可以就可以下发成绩了。

4.3各实验源数据的获取技术

本软件实验的数据大部分是由U-blox芯片接收到的数据，采用的是

UBX协议，U-blox协议三个特点：1.字节对齐2.low-overhead校验算法3.

两级消息标识符，分为classid和消息id

Dec181

HexB5

图4-1帧结构

U-blox数据，帧头为0xB50x62

帧头之后紧接一个字节的classid和messageid

LENGTH为两个字节的消息长度，此长度仅仅包含PAYLOADA,字节序

为低字节序

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PAYLOAD为输出GPS数据

CK_A和CK_B都是一个字节的校验位，校验算法如下：

CK_A=0

CK_B=0

For(I=0;I<N;I++)

{CK_A=CK_A+BufferUJCK_B=CK_B+CK_A)

通过查找U-blox的数据手册整理实验所需数据的命令所下所示：

1.实验一所需命令，坐标转换

1)NAV-PVT(0x010x07)：输出经纬度定位信息，用于坐标转换。

(WGS84)

2)NAV-PGSECEF(0x010x01)：输出XYZ定位信息，用于坐标转换。

(ECEF)

2.实验二所需命令，时间转换

1)NAV-PVT(0x010x07)：输出UTC时间信息，用于时间转换。

3.实验三所需命令，卫星位置解算和多普勒频移实验

1)AID-EPH(0x0B0x31)：输出各卫星的星历参数。

2)NAV-TIMEGPS(0x010x20)：取出精确GPS时刻，作为发射时刻，代

入算法，解算卫星位置。

3)NAV-POSECEF(0x010x01)：输出XYZ定位信息和GPS时间。用于

计算多普勒频移。

4.实验四所需命令，电离层和对流层误差实验

1)AID-HUI(0x0B0x02):输出八个电离层模型校正参数

2)NAV-POSSLLH(0x010x02):输出经纬高定位信息和对应的GPS时

间

3)NAV-SAT(0x010x35):输出卫星号,载噪比，仰角和方位角

5.实验五所需命令，载噪比和卫星仰角的关系

1)NAV-SAT(0x010x35):输出卫星号,载噪比，仰角和方位角

6.实验六所需命令，儿何精度因子

1)NAV-SAT(0x010x35):输出卫星号，载噪比，仰角和方位角

卫星导航实验系统开发技术方案

2)NAV-POSLLH(0x010x02)：输出经纬度定位信息.

7.实验七所需命令，接收机位置解算实验

1)AID-EPH(OxOB0x31)：输出各卫星的星历参数。

2)NAV-TIMEGPS(0x010x20)：获得iTOW,取出精确的GPS时刻，作

为发射时刻。

3)RXM-RAWX(0x020x15):解析出伪距信息。

4)NAV-PVT(0x010x07):获得接收矶的位置信息(经度纬度高度)

与解算出来的接收机位置作对比。

8.实验八所需命令，卫星测速

1)NAV-POSSLLH(OxOi0x02)：输出经纬高的位置。

9.实验九所需命令，定向测姿

1)NAV-POSLLH(()x()l0x02)：输出经纬高的位置。

2)NAV-POSECEF(0x010x01)：输出XYZ定位信息和GPS时间

10.实验十所需命令，卡尔曼滤波

1)NAV-POSECEF(OxOI0x01)：输出XYZ定位信息和GPS时间。

11.实验H^一所需命令，GPS与GIS结合

1)NAV-SAT(0x010x35)：输出可见卫星一般状态信息，包括可见卫

星数，卫星号，各自仰角及方位角，用于显示星座图。

2)NAV-PVT(0x010x07):获得接收机的位置信息、(经度纬度高度)与

解算出来的接收机位置作对比

12.实验十二所需命令，多系统融合导航

1)NAV-SAT(0x010x35):输出卫星号，载噪比，仰角和方位角

2)AID-EPH(OxOB0x31)：输出各卫星的星历参数。

3)NAV-TIMEGPS(0x010x20)：获得iTOW,取出精确的GPS时刻，作

为发射时刻。

4)RXM-RAWX(0x020x15):解析出伪距信息。

5)NAV-PVT(0x010x07):获得接收矶的位置信息(经度纬度高度)

与解算出来的接收机位置作对比。

6)NAV-POSECEF(OxOi0x01)：输出XYZ定位信息和GPS时间。

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7)NAV.TIMEBDS(0x020x13):输出北斗星历

13.实验十三所需命令，RTK定位

1)NAV-SAT(0x010x35):输出卫星号,载噪比,仰角和方位角

2)NAV-TIMEGPS(0x010x20)：获得iTOW,取出精确的GPS时刻，作

为发射时刻。

3)NAV-PVT(0x010x07):获得接收矶的位置信息(经度纬度高度)

与解算出来的接收机位置作对比。

4)NAV-POSECEF(OxO)0x01)：输出XYZ定位信息和GPS时间。

5)AID-EPH(Ox()B0x31)：输出各卫星的星历参数。

除了UBLOX芯片接收到的协议，还有一些我们自己生成的数据，这些

数据是为了仿真用的，比如实验九的定向测姿实验，各种姿态都是我们自

己设置的然后生成仿真数据，进行实验，利用算法解算出答案。还有实验

十三的RTK定位实验，参数是我们自己设定的根据这个参数程序给出我们

一些仿真数据来进行实验。仿真实验可以说是实际实验的的前提，而实际

的操作又是对仿真实验的验证。二者的关系是相辅相成的。有些我们不能

直接去进行实验的只能用方正来做，虽然实际实验的话可能会因为外界的

影响产生误差，但是没有仿真的理论支持那么实际实验也是完成不了的。

4.4实验策划

随着社会的不断发展，卫星导航技术的发展越来越广泛。目前在大学教育中，

卫星导航技术并没有完全作为一个必修学科进行普及。学生很难在短暂的学习中

真正掌握基本原理和应用知识，因此推出了卫星导航教学实验系统。本次实验采

用由浅入深、循序渐进的思路进行策划，为了更好的使学生尽快掌握导航的知识

点，本次实验部分一共设计了15项实验，主要分为基础性实验、开拓性实验和

研发性实验。通过实验项目的开展，让学生在理论知识、实践能力和创新精神等

方面得到全面的培养和锻炼。

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4.4.1基础型实验

基础性实验主要用来对学生的基础理论知识进行全面系统的梳理，使学生通

过实验加深对卫星导航技术中的理论难点的理解。基础性实验主要谋划了坐标转

换、时间转换、卫星位置和多普勒频移的分析与计算、实时传输误差分析、卫星

信噪比与仰角关系分析实验与几何精度因子的分析与计算六个实验项目：

1）实验一ECEF坐标与WGS84坐标系转换实验

GPS领域经常涉及的空间坐标系统，通常可以分为惯性坐标系和地球坐标系

两大类，不同的坐标系统对于描述GPS卫星和用户的空间位置有着不同的特点。

进行坐标转换实验的目的是为了使学生掌握ECEF及WGS84坐标系统的概念和

基本知识，了解ECEF及WGS84坐标系统下坐标的转换方法。

2）实验二UTC时间与本地时间转换实验

目前，几乎所有国家实行的标准时间均采用协调时\这样，对于处于不同时

区的国家和地区而言，他们的当地时间与协调时之间只存在一个整数小时的差

异。进行UTC时间与本地时间转换实验不仅是为了使学生了解UTC时间与本地

时间的基本概念，而且能根据所在时区计算本地时间。

3）实验三卫星位置和多普勒频移的分析与计算实验

卫星位置和多普勒频移的分析与计算实验是方便学生理解实时卫星位置解

算在卫星导航解算过程中所起的作用，完成卫星位置解算所需的条件，GPS时间、

卫星的额定轨道周期的含义，星历的构成、周期及应用条件；了解Dopp做频移

的成因、作用以及根据已知条件预测Doppler频移的方法，Doppler频移的变化

范围及其与卫星仰角之间的关系。

4）实验四实时传输误差分析

GPS卫星属于中轨道卫星，GPS信号在传播时要经过大气层。信号传输误差

主要是由于信号受到电离层和对流层的影响，因此电离层和对流层的实时传输误

差是本实验的一个研究重点。

实时传输误差分析是为了使学生了解GPS测量过程中的两种主要误差来源，

理解信号实时传输过程中，电离层延时、对流层延时误差的特性、计算方法以及

消除或减弱的手段。

经典卫星导航实验系统开发技术方案

5)实验五卫星信噪比与仰角关系分析实验

为了使学生了解卫星信噪比与卫星仰角之间的关系，设计了此实验，通过观

察同一时刻不同卫星仰角的情况以及观察同一颗卫星不同时刻仰角的变化情况，

比较其信噪比的大小。本实验通过实时测量卫星信号的信噪比和所需观察的卫星

的仰角，在星座图中直观地观察仰角的大小，同时信噪比的大小也可以通过柱状

图直观地表示出来，使学生直观了解实时情况，观察信噪比与卫星仰角之间的关

系，总结出一般规律。与此同时，对于实验中出现的特殊情况，思考卫星的信噪

比除了受卫星仰角影响外，还受哪些因素的影响

6)实验六几何精度因子的分析与计算

在导航学中，我们一般喜欢用精度因子(DOP)这个概念来表示误差的放大

倍数，而GPS接收机通常也会将精度因子的值随同定位结果一起输出，以供用

户参考。在确定使用当前选择的卫星进行定位所得到的定位结果是否可用时，会

使用精度因子来进行判定，精度因子一般用来表示定位误差的放大倍数。本次实

验的设计旨在使学生理解几何精度因子(DOP)在接收机导航解算过程中所起的

作用，理解DOP值与卫星几何分布的关系以及GDOP、VDOP、PDOP、HDOP、

TDOP等不同精度因子的计算过程。

4.4.2应用型实验

开拓性实验主要将目前卫星导航中的一些典型的处理算法或环节，以

各个实验项目的形式加以分解、细化。使学生通过实验熟悉常见的处理算

法及程序，甚至能够自己独立编程完成部分环节。开拓性实验可开设接收

机位置解算实验、卫星测速实验、定向测姿实验与卡尔曼滤波此四个实验

项目：

1)实验七接收机位置解算实验

通过接收机位置解算实验使学生理解接收机位置解算的基本原理及公

式，本地钟差对位置解算的影响以及各传输延迟对位置解算精度的影响。

2)实验八卫星测速实验

经典卫星导航实验系统开发技术方案

卫星测速实验的目的是为了使学生了解卫星导航测速的基本原理以及基本

步骤。卫星测速是通过卫星利用移动物体从一点到另一个点的时间来计算其移动

速度。GPS接收器(载波L1频点1575.42M)可以利用其输出TTL数据算出每

一秒钟的具体经纬度坐标，通过经纬度坐标可转换成位置向量，位置向量差除以

时间间隔，就是单位时间内的平均速度了

3)实验九定向测姿实验

进行此实验的目的是为了确定飞机姿态所需要的量，是学生了解站心坐标系

和大地坐标系之间的关系及其卫星导航定向测姿的基本原理。

4)实验十卡尔曼滤波实验

进行卡尔曼滤波实验的目的是使学生理解卡尔曼滤波的原理，卡尔曼滤波在

接收机位置解算中的作用。GPS接收机测量得到的测量值一般都会有误差，一个

测量值的测量误差一般可认为是卫星星历误差、大气延时误差、多路径、接收机

信号跟踪误差、噪声等所有各部分误差方差之和。卡尔曼滤波是用一套数学递推

公式对系统状态进行最优估计，使系统状态的估计值有最小误差，针对的是一个

离散时间线性系统进行最优估计。卡尔蛙滤波假定每个测量噪声变量也是一个均

值为零的正态白噪声。在接收机接收到数据后对其进行卡尔曼滤波即可，对其得

到的数据进一步的准确，使其更加集中。

4.4.3研发性实验

研发性实验根据目前卫星导航领域内的一些研究热点或应用领域开设，使学

生通过实验对该领域有更加深入的了解，希望能给学生一定的启发，以便于后期

进行创新型学习和发展。研发性实验主要开设GPS与GIS结合实验、多系统融

合定位实验、RTK定位实验、抗窄带干扰实验与NEMA命令解析五个实验项目

1)实验H••一GPS与GIS结合实验

全球导航定位系统(GPS)获取数据的局限性很小，通常可以全天连续性的

作业，并且较为方便快捷，正是基于这样的优势引发对于在地理信息系统(GIS)

中应用全球导航定位系统(GPS)的研究。通过GPS和GIS结合实验使学生掌

”典卫星导航实验系统开发技术方案

握其原理，了解GIS的基本概念以及应用GPS和GIS系统构成简单的导航系统。

此实验使用全球导航定位系统确定所在区域得到空间坐标，通过地理信息系统查

找空间坐标的所在地图像，确定坐标在图像上的具体位置。

2）实验十二多系统融合定位实验

GPS/北斗双系统卫星观测相对于GPS单系统在卫星可视数量、卫星对于观

测站的儿何分布、扩大连续运行参考站系统网（CORS）的作用范围等方面有很

大的优势，而且双系统组合定位算法有效地提高了接收机的定位性能。通过多系

统融合定位解算的实验使学生了解其基本原理及公式，理解多系统融合定位和单

系统定位的差别和各传输延迟对位置解算精度的影响。

3）实验十三RTK定位实验

载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将

基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用

的GPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能

获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，

它采用了载波相位动态实时差分方法。RTK定位实验的目的是使学生掌握RTK

定位实验的原理，了解RTK定位实验的基本概念以及单差、双差、三差的基本

概念和原理。

4）实验十四抗窄带干扰实验

GPS导航卫星能全天候地在全球范围内提供精确的PVT信息（位置、速度、

时间），目前已成为支持世界范围各种民用科研和商业活动的一种重要资源，但

是由于GPS卫星的发射功率不可能很大，GPS在地面上接收到的信号功率比较

弱，使得GPS容易受到来自地面或近地空间的电磁干扰，特别是在军事通信中

还会受到敌方的有意干扰。在各种干扰信号中，单载波信号和窄带干扰是最容易

生产也最容易遇到，对GPS也有较强的干扰效果。一个10kW的单载波干扰发

射机在理论上可阻止GPS接收机在干扰机视线范围1850km以内捕获卫星信号。

因此研究GPS接收机的抗窄带干扰技术具有十分重要的意义。

抗窄带干扰实验是使学生理解抗窄带干扰实验的原理，了解抗窄带干扰实验

的基本概念。

经”卫星导航实验系统开发技术方案

5）实验十五NEMA命令解析实验

NEMA-O183,是GPS接收机应当遵守的标准协议，也是目前GPS接收机上

使用最广泛的协议，大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件

都遵守或者至少兼容这个协议。本实验旨在使学生理解NEMA-0183协议在导航

电文解析过程中所起的作用，了解NEMA-0183协议各个命令的含义和作用。

五系统设计概述

卫星导航实验系统主要由教师机、学生机和实验硬件平台三部分组成。

实验平台和计算机通过USB实现数据的交互，教师机和学生机通过以太网

实现命令传输。其基本系统组成及连接框图如图5-1所示。

实验平台—►学生机，以军学生机——-.实验平台

LOuVoD

图5-1卫星导航试验系统结构图

该实验系统由教师机、学生机和实验平台三部分组成。

教师机与学生机之间拟采用以太网连接，组建实验室内部局域网，实

现实验数据的下发及上传。主要实现以下几方面的功能设计：包括教师分

发实验任务、下发实验数据、实验中间环节的检查与指导、学生提交实验

结果、实验报告等。另外，教师机自带硬件实验平台，教师可以先行完成

实验任务的验证工作，以便有的放矢地指导学生顺利完成实验。

学生机与实验平台之间拟采用USB接口，实现学生机与实验平台之间

的数据交互，由于大部分数据由仿真产生，学生机与实验平台之间有大量

的数据需要传输，而USB接口结构简单、传输速率快能够完成数据的快速

传输。

实验系统需独立研发导航原理实验系统管理软件，该软件分为教师用

经典卫星导航实验系统开发技术方案

版本和学生用版本，分别安装在教师机和学生机上。教师只需通过该软件

界面即可完成诸如实验任务生成与下发、收集实验报告、评定实验成绩等

工作，另外如需要可将实验报告存入数据库留档。学生只需通过该软件界

面即可完成整个实验的操作流程。包括接收实验任务、践行各实验环节、

提交实验报告以及与实验平台的命令和数据交互等。

基于该实验系统体系可以开展以下四类实验项目：

1.基础性实验

1）ECEF坐标与WGS84坐标系转换实验

2）UTC时间与本地时间转换实验

3）卫星位置和多普勒频移的分析与计算实验

4）实时传输误差分析

5）卫星信噪比与作】角关系分析实验

6）几何精度因子的分析与计算

2.开拓性实验

1）接收机位置解算实验

2）卫星测速实验

3）定向测姿实验

4）卡尔曼滤波实验

3.研发性实验

1）GPS与GIS结合实验

2）多系统融合定位实验

3）RTK定位实验

4）抗窄带干扰实验

5）NEMA命令解析实验

六硬件设计

卫星导航实验硬件平台负责接收转发系统转发的实际GNSS（全球卫星导航

系统）卫星信号，并进行捕获、跟踪定位、导航电文解析及观测量提取等环节。

纪典卫星导航实验系统开发技术方案

实验平台通过串口将实验必须的各项导航数据送入学生任务机，支持各个实验项

目的开展。它能让学生更好地理解卫星导航原理，且操作简单、功耗低、成本低、

通用性和可扩展性很强大，可以满足各类高校的使用。

卫星导航实验硬件平台选用了美国U-Blox公司最新推出的高精度定位授时

接收机模块LEA-M8T作为系统核心部件，配以STM32高性能单片机完成人机

界面交互及与学生机的数据传输。卫星导航实验系统硬件平台主要包括

LEA-M8T高精度接收机模块、STM32高性能单片机、存储器扩展、按键及其它

配置电路、实验平台状态显示电路和电源电路等。卫星导航实验系统硬件平台内

部结构图如图6-1所示：

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授

学