高校衛(wèi)星導航實驗室建設(shè)方案

Beidou /GPS Integrated Experimental Platform

User’s Manual

北斗/GPS綜合實驗平臺

1 概 述

隨著我國北斗衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多院校已經(jīng)認識到掌握衛(wèi)星導航相關(guān)知識的重要性，相繼開設(shè)了衛(wèi)星導航相關(guān)專業(yè)課程。但由于涉及到的相關(guān)知識比較多，包括無線通信、射頻、電子電路、計算機原理、基帶算法、地理信息等課程，課程中的知識相對都比較抽象，學習和理解起來會相對枯燥而吃力。

北斗/GPS綜合實驗平臺為配合學校GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）方面的教學而設(shè)計，該產(chǎn)品為學生提供開放式的實驗環(huán)境，使學生在真實設(shè)備、真實衛(wèi)星信號環(huán)境下，親自動手進行實驗和編程，真正地了解衛(wèi)星導航原理和實現(xiàn)。通過一系列實驗，讓學生理解和掌握GPS/BDS原理、特性和應(yīng)用，加深對GPS/BDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程的理解，掌握GPS/BDS接收機核心算法和導航解算過程。同時，通過慣性導航定位原理的了解，讓學生了解更多的定位方式方法，以及多種定位之間的互補，讓學生更好地了解和理解衛(wèi)星導航在未來各個應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

適用于通信、電子、信息、 計算機、測量、自動控制、導航、遙控遙測、環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、城市規(guī)劃、物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)本科生、研究生全球星基導航基礎(chǔ)教學和畢業(yè)設(shè)計及BDS/GPS應(yīng)用系統(tǒng)的工程技術(shù)和維護人員培訓使用，是高等院校和科研院所全球星基導航和組合導航教學及培訓的理想實驗設(shè)備。

實驗平臺不僅適用于教學實驗，同時，也是一個二次開發(fā)平臺，C#編程，程序代碼開放，便于二次開發(fā)。可以作為衛(wèi)星導航解算方法及其它項目的數(shù)據(jù)采集驗證平臺。

實驗覆蓋全面，包括基礎(chǔ)實驗，也可以增加擴展實驗及增強實驗，有較高的性價比，可為學校量身定制相關(guān)實驗內(nèi)容，提供全面的相關(guān)教學和實驗配套服務(wù)，為廣大師生和開發(fā)技術(shù)人員服務(wù)。

2 實驗平臺配置

2.1 主要組件及作用

1）GNSS天線：接收北斗/GPS衛(wèi)星信號；

2）GNSS接收板：接收北斗和GPS衛(wèi)星信號，并進行實時基帶信號處理，并提供相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)及標準語句等；

3）433M無線電臺及天線：接收發(fā)送差分信號；

4）GPRS模塊及天線：提供 GSM 信息收發(fā)功能（板載內(nèi)置）；

5）藍牙模塊及天線：同安卓平板電腦或手機通訊（板載內(nèi)置）；

6）慣導組件：提供慣性原始數(shù)據(jù)及載體姿態(tài)信息；

7）控制器：通訊與協(xié)調(diào)等；

8）觸摸顯示屏：實驗功能切換、顯示實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果等。

2.2 選配組件及作用

1）通用計算機系統(tǒng)：用于實驗平臺軟件運行，完成解算、顯示、仿真等操作等；

2）安卓平板電腦：用于顯示平臺提供的解算結(jié)果，比如 GPS 定位，北斗定位結(jié)果，載體姿態(tài)測量結(jié)果等

3）GNSS衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)器：用于轉(zhuǎn)發(fā)放大外部GNSS接收天線的衛(wèi)星信號，供各實驗平臺使用；

4）GNSS參考基準站：用于提供RTCM2.3或RTCM3.0差分信號；

5）GNSS衛(wèi)星信號模擬器：用于模擬衛(wèi)星信號。

3 實驗平臺特點及技術(shù)指標

3.1 特點

Ø 采用北斗、GPS及聯(lián)合定位，輸出標準語句和原始數(shù)據(jù)；

Ø 操作使用方便，便于搬動和攜帶，可到室外做實驗；

Ø 采用高精度多模板卡，除常規(guī)實驗外，還可以擴充高精度RTK實驗和學習；

Ø GNSS天線采用高精度全向天線，室內(nèi)無需角度調(diào)整就能良好接收轉(zhuǎn)發(fā)器信號；

Ø 系統(tǒng)集成慣性測量單元，可以測量姿態(tài)和提供加速度、速率、磁強等原始數(shù)據(jù)；

Ø 配置高性能通訊芯片可以連接移動通訊網(wǎng)絡(luò)，可做GSM實驗；

Ø 內(nèi)部配置電臺，可接收外部參考站發(fā)出的差分信號；

Ø 系統(tǒng)配有藍牙，可以和手持設(shè)備或安卓系統(tǒng)連接，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)；

Ø 采用USB接口連接外部電腦，支持各種教學實驗。

3.2 技術(shù)指標

3.2.1 衛(wèi)星信號接收

Ø 信號跟蹤：80通道  北斗 B1 I支路C碼；GPS L1 C/A碼、L1；GLONASS L1；SBAS: WAAS,EGNOS,MSAS；

Ø 精度指標（GNSS）：單點定位精度：1.5m （RMS）；DGPS差分精度：0.6m （RMS）；差分定位精度：0.025 m （RMS）

Ø 授時精度：20ns

Ø 信號獲�。豪鋯樱�<50s ； 溫啟動：<30s ； 熱啟動：<15s ；信號重捕獲 ：<2s

Ø 數(shù)據(jù)格式：標準NMEA-0183，CMR/CMR+ 支持，RTCM2.3 支持，RTCM3.0 支持

Ø 通訊接口：RS232（默認115200bps）

Ø 數(shù)據(jù)更新率：定位數(shù)據(jù)更新率：1Hz、5Hz、10Hz

Ø 功耗：小于5.0W

3.2.2 慣性測量單元

Ø 輸出數(shù)據(jù)格式：原始數(shù)據(jù)、姿態(tài)角、四元數(shù)；

Ø 內(nèi)部更新率：100Hz；

Ø 啟動時間：< 1 sec；

Ø 俯仰、滾動誤差：±0.5 degree；

Ø 航向誤差：±2.0 degree；

Ø 航向角分辨率：< 0.1 degree；

Ø 加速度計測量范圍：±2g；

Ø 速率陀螺測量范圍 ±2000°/sec；

Ø 磁力計測量范圍：±1.3 Gauss；

3.2.3 通訊連接

Ø USB接口：115200bps

Ø USB接口1:9600bps

Ø RF無線電臺：433M

Ø 串口1：RS232

（115200bps）

Ø 藍牙：2.4G Blue2.0

3.2.4 主控器及觸摸屏

Ø 高性能ARM主控芯片，采用嵌入式操作系統(tǒng)；

Ø 采用5寸全屏觸摸、滑動控制屏幕；

Ø C#編程，程序代碼開放。

3.2.5 總體指標

Ø 外部尺寸：420x280x180mm；

Ø 重量：<5kg；

Ø 電源：DC +12V（可用+12V蓄電池供電）。

4 實驗平臺操作及連接

實驗平臺為鋁合金箱結(jié)構(gòu)，打開后效果如上圖中所示，圖中標出了各主要組成部分。面板上有USB/電源接口（包括電源開關(guān)及指示燈）、觸摸屏、慣性測量單元、GNSS/RF天線插座以及一個收納袋和一個收納盒（用于收納實驗用電纜、電源適配器、用戶手冊、GNSS天線、RF天線等）。

主界面如圖所示，通常的實驗無需進行“設(shè)置”操作，進行的操作是由實驗內(nèi)容來決定的，具體實驗中根據(jù)實驗指導要求操作。

5.北斗GPS衛(wèi)星導航教學實驗箱實驗內(nèi)容：

5.1. 基本實驗 

 實驗一 空間衛(wèi)星觀測 ；

  實驗二 北斗/GPS數(shù)據(jù)采集與解析；

  實驗三 實時衛(wèi)星坐標計算；

  實驗四 接收機高精度定位和測速；

  實驗五 定位精度因子 DOP 值；

  實驗六 電離層、對流層、時鐘誤差計算；

  實驗七 載體慣性姿態(tài)測量；

  實驗八 組合導航實驗 ；

配置建議： 

   可根據(jù)經(jīng)費和實驗室的大小來配置實驗系統(tǒng)套數(shù)，實驗室也可以分期建設(shè)，逐步配置齊全。