圖 1 衛(wèi)星導航實驗系統(tǒng)組成框圖

　　教師機與學生機之間采用以太網(wǎng)連接，組建實驗室內部局域網(wǎng)，實現(xiàn)實驗過程的全程在線管理。主要包括以下幾方面的功能：教師分發(fā)實驗任務、下發(fā)實驗數(shù)據(jù)、實驗中間環(huán)節(jié)的檢查與指導、學生提交實驗結果、實驗報告等。另外，教師機自帶硬件實驗平臺，教師可以先行完成實驗任務的驗證工作，以便有的放矢地指導學生順利完成實驗。

　　學生機與實驗平臺之間采用 RS232 串行接口，實現(xiàn)學生機與實驗平臺之間的數(shù)據(jù)交互，主要包括實驗平臺配置命令交互和接收導航電文。RS232 串行接口結構簡單、可靠性高能夠完成數(shù)據(jù)的可靠傳輸。實驗系統(tǒng)具有一套功能強大的衛(wèi)星導航實驗系統(tǒng)管理軟件，該軟件分為教師用版本和學生用版本，分別安裝在教師機和學生機上。教師只需通過該軟件界面即可完成諸如實驗任務生成與下發(fā)、收集實驗報告、評定實驗成績等工作，另外如需要可將實驗報告存入數(shù)據(jù)庫留檔。學生只需通過該軟件界面即可完成整個實驗的操作流程。包括接收實驗任務、踐行各實驗環(huán)節(jié)、提交實驗報告以及與實驗平臺的命令和數(shù)據(jù)交互等。為了進一步加深學生對實驗原理的理解，該軟件附帶題庫功能。每個實驗后都有一定數(shù)量的思考題，包括選擇、判斷、簡答等題型。教師可以隨機抽取若干思考題，下發(fā)給學生。學生在線答題并提交，教師可以以此作為實驗成績的參考。

　　另外，教師可自行對題庫進行擴充或刪減。

　　另外，GNSS 衛(wèi)星信號轉發(fā)系統(tǒng)負責將空間信號接收下來，并通過轉發(fā)天線

　　轉發(fā)到室內，實現(xiàn)真實信號環(huán)境的再現(xiàn)，使學生在真實的信號環(huán)境下開展實驗。

　　2.2 實驗室軟硬件配置

　　1） GNSS 衛(wèi)星信號轉發(fā)系統(tǒng)

　　為了使學生在真實衛(wèi)星信號環(huán)境下開展實驗，實驗室配備 GNSS 衛(wèi)星信號轉發(fā)系統(tǒng)。轉發(fā)系統(tǒng)的功能是接收室外 GNSS 衛(wèi)星信號，經(jīng)濾波、放大、轉發(fā)等環(huán)節(jié)，將室外天線收到的有效 GNSS 衛(wèi)星信號轉入室內，解決室內無法接收到衛(wèi)星信號的問題。室內全向發(fā)射天線將 GNSS 信號進行發(fā)射，即可使信號覆蓋范圍內的導航實驗平臺接收到衛(wèi)星信號，順利開展各個實驗項目。

信號轉發(fā)系統(tǒng)實物如圖 2所示。

           圖 2 GNSS 衛(wèi)星信號轉發(fā)系統(tǒng)實物圖

　　2） 高精度衛(wèi)星接收天線

　　高精度衛(wèi)星接收天線用于接收GPS和北斗頻段的衛(wèi)星信號，天線具有高增益，良好的低仰角增益、廣角圓極化和穩(wěn)定的相位中心等特點。

          天線實物圖如圖 3所示。

　　  圖 3 高精度衛(wèi)星接收天線實物圖

　　天線主要性能指標見表 1 所示。

　　表 1 高精度接收天線性能指標列表

　　電氣特性

　　頻率范圍

　　1575±5MHz（GPS）

　　1561±4MHz（北斗二代）

　　極化方式

　　右旋圓極化

　　天線增益

　　≥3.5dB

　　放大器增益

　　≥37dB

　　噪聲系數(shù)

　　≤1.5dB

　　反射損耗

　　-14dB（即駐波比≤1.5）L

　　E

　　A

　　-

　　M

　　8

　　T

　　高

　　精

　　度

　　接

　　收

　　機

　　模

　　塊

　　學

　　生

　　任

　　務

　　機

　　二

　　次

　　開

　　發(fā)

　　接

　　口

　　存

　　儲

　　器

　　擴

　　展

　　實

　　驗

　　平

　　臺

　　狀

　　態(tài)

　　顯

　　示

　　按

　　鍵

　　及

　　其

　　它

　　配

　　置

　　電

　　路

　　電

　　源

　　S

　　T

　　M

　　3

　　2

　　高

　　性

　　能

　　單

　　片

　　機

　　串

　　口

　　授

　　時

　　信

　　號

　　輸

　　出

　　衛(wèi)

　　星

　　信

　　號

　　輸

　　入

　　干擾抑制

　　≥25dB（f0±100MHz）

　　p-1

　　≥ 10dBm

　　阻抗

　　50Ω

　　供 電

　　3V/5V DC

　　外形尺寸

　　體 積

　　φ 96×126mm

　　電纜長度

　　10 米/30 米或任選

　　安裝方式

　　螺紋（M24×1.5）連接

　　環(huán)境特性

　　工作溫度

　　-45℃~85℃

　　貯存溫度

　　-50℃~90℃

　　工作濕度

　　95%不冷凝

　　3） 北斗/GPS 雙模衛(wèi)星導航實驗硬件平臺

　　北斗/GPS 雙模衛(wèi)星導航實驗硬件平臺負責接收轉發(fā)系統(tǒng)轉發(fā)的實際 GNSS 衛(wèi)星信號，并進行捕獲、跟蹤定位、導航電文解析及觀測量提取等環(huán)節(jié)。實驗平臺通過串口將實驗必須的各項導航數(shù)據(jù)送入學生任務機，支持各個實驗項目的開展。

　　實驗平臺原理框圖如圖 4 所示。

　　圖 4 衛(wèi)星導航試驗平臺原理框圖

　　衛(wèi)星導航實驗平臺選用了美國 U-Block 公司推出的高精度定位授時接收機模塊 LEA-M8T 作為系統(tǒng)核心部件，配以 STM32 高性能單片機完成人機界面交互及與學生機的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)主要包括 LEA-M8T 高精度接收機模塊、STM32高性能單片機、存儲器擴展、按鍵及其它配置電路、實驗平臺狀態(tài)顯示電路和電源電路等。

　　另外，為了滿足教師或學生在此實驗平臺上開展課程設計、畢業(yè)設計教學或

　　科研項目研發(fā)等工作，該實驗平臺預留了二次開發(fā)接口，通過該接口用戶可以直接訪問接收機模塊或通過既定協(xié)議與單片機通信。衛(wèi)星導航實驗平臺實物圖如圖

　　5 所示。

　　圖 5 北斗/GPS 雙模衛(wèi)星導航實驗平臺實物圖

　　衛(wèi)星導航實驗平臺主要性能參數(shù)見表 2。

　　表 2 衛(wèi)星導航實驗平臺主要性能指標列表

　　工作模式

　　72 通道 GPS/北斗雙模定位

　　定位精度

　　2.5 米

　　授時精度

　　≤20nS

　　靈敏度

　?。?60dBm

　　冷啟時間

　　27S

　　數(shù)據(jù)更新率

　　2Hz

　　工作溫度

　?。?0℃~85℃

　　供 電

　　220V AC

　　4） GNSS 衛(wèi)星導航實驗軟件系統(tǒng)

　　衛(wèi)星導航實驗室研發(fā)了一套集實驗開展和實驗網(wǎng)絡化管理于一體的大型實驗軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)分為教師機版本和學生機版本。該軟件由實驗系統(tǒng)主程序、各實驗項目子程序和實驗管理子程序等幾部分組成。實驗系統(tǒng)主程序負責通過串口與硬件實驗平臺進行交互，實時讀取實驗所需的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過文件的形式傳送給實驗項目子程序。實驗項目子程序負責各個實驗項目的完成。該程序將本實驗所要完成的功能按照處理流程分步驟完成，并在界面上顯示。使學生在操作實驗的同時進一步理解實驗原理及處理方法。另外預留了自定制實驗程序入口，學生可通過自己編制C 語言程序來完成實驗。為培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力提供了方便。網(wǎng)絡化實驗管理子程序實現(xiàn)實驗教學的全面網(wǎng)絡化管理。包括實驗任務下發(fā)、實驗中間過程管理及實驗報告提交、收集和入庫等環(huán)節(jié)。教師只需通過軟件就能掌控整個實驗室的運行情況，了解每個學生的實驗進度，并實現(xiàn)無紙化辦公。