圖 1 衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖

　　教師機(jī)與學(xué)生機(jī)之間采用以太網(wǎng)連接，組建實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)任務(wù)、下發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)中間環(huán)節(jié)的檢查與指導(dǎo)、學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。另外，教師機(jī)自帶硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師可以先行完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的驗(yàn)證工作，以便有的放矢地指導(dǎo)學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)。

　　學(xué)生機(jī)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間采用 RS232 串行接口，實(shí)現(xiàn)學(xué)生機(jī)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互，主要包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置命令交互和接收導(dǎo)航電文。RS232 串行接口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高能夠完成數(shù)據(jù)的可靠傳輸。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有一套功能強(qiáng)大的衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管理軟件，該軟件分為教師用版本和學(xué)生用版本，分別安裝在教師機(jī)和學(xué)生機(jī)上。教師只需通過該軟件界面即可完成諸如實(shí)驗(yàn)任務(wù)生成與下發(fā)、收集實(shí)驗(yàn)報(bào)告、評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)等工作，另外如需要可將實(shí)驗(yàn)報(bào)告存入數(shù)據(jù)庫留檔。學(xué)生只需通過該軟件界面即可完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作流程。包括接收實(shí)驗(yàn)任務(wù)、踐行各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的命令和數(shù)據(jù)交互等。為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，該軟件附帶題庫功能。每個(gè)實(shí)驗(yàn)后都有一定數(shù)量的思考題，包括選擇、判斷、簡(jiǎn)答等題型。教師可以隨機(jī)抽取若干思考題，下發(fā)給學(xué)生。學(xué)生在線答題并提交，教師可以以此作為實(shí)驗(yàn)成績(jī)的參考。

　　另外，教師可自行對(duì)題庫進(jìn)行擴(kuò)充或刪減。

　　另外，GNSS 衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將空間信號(hào)接收下來，并通過轉(zhuǎn)發(fā)天線

　　轉(zhuǎn)發(fā)到室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)信號(hào)環(huán)境的再現(xiàn)，使學(xué)生在真實(shí)的信號(hào)環(huán)境下開展實(shí)驗(yàn)。

　　2.2 實(shí)驗(yàn)室軟硬件配置

　　1） GNSS 衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)

　　為了使學(xué)生在真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境下開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室配備 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的功能是接收室外 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)濾波、放大、轉(zhuǎn)發(fā)等環(huán)節(jié)，將室外天線收到的有效 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)入室內(nèi)，解決室內(nèi)無法接收到衛(wèi)星信號(hào)的問題。室內(nèi)全向發(fā)射天線將 GNSS 信號(hào)進(jìn)行發(fā)射，即可使信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接收到衛(wèi)星信號(hào)，順利開展各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)實(shí)物如圖 2所示。

           圖 2 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)實(shí)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(hào)，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(diǎn)。

          天線實(shí)物圖如圖 3所示。

　　  圖 3 高精度衛(wèi)星接收天線實(shí)物圖

　　天線主要性能指標(biāo)見表 1 所示。

　　表 1 高精度接收天線性能指標(biāo)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(jī)

　　模

　　塊

　　學(xué)

　　生

　　任

　　務(wù)

　　機(jī)

　　二

　　次

　　開

　　發(fā)

　　接

　　口

　　存

　　儲(chǔ)

　　器

　　擴(kuò)

　　展

　　實(shí)

　　驗(yàn)

　　平

　　臺(tái)

　　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(jī)

　　串

　　口

　　授

　　時(shí)

　　信

　　號(hào)

　　輸

　　出

　　衛(wèi)

　　星

　　信

　　號(hào)

　　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(zhǎng)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(dǎo)航實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)

　　北斗/GPS 雙模衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)負(fù)責(zé)接收轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)際 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)，并進(jìn)行捕獲、跟蹤定位、導(dǎo)航電文解析及觀測(cè)量提取等環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過串口將實(shí)驗(yàn)必須的各項(xiàng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)送入學(xué)生任務(wù)機(jī)，支持各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展。

　　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理框圖如圖 4 所示。

　　圖 4 衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)平臺(tái)原理框圖

　　衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用了美國 U-Block 公司推出的高精度定位授時(shí)接收機(jī)模塊 LEA-M8T 作為系統(tǒng)核心部件，配以 STM32 高性能單片機(jī)完成人機(jī)界面交互及與學(xué)生機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)主要包括 LEA-M8T 高精度接收機(jī)模塊、STM32高性能單片機(jī)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、按鍵及其它配置電路、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)狀態(tài)顯示電路和電源電路等。

　　另外，為了滿足教師或?qū)W生在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開展課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)或

　　科研項(xiàng)目研發(fā)等工作，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)預(yù)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(jī)模塊或通過既定協(xié)議與單片機(jī)通信。衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖

　　5 所示。

　　圖 5 北斗/GPS 雙模衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

　　衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要性能參數(shù)見表 2。

　　表 2 衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要性能指標(biāo)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(shí)精度

　　≤20nS

　　靈敏度

　?。?60dBm

　　冷啟時(shí)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(dǎo)航實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)

　　衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一套集實(shí)驗(yàn)開展和實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)化管理于一體的大型實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)分為教師機(jī)版本和學(xué)生機(jī)版本。該軟件由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主程序、各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子程序和實(shí)驗(yàn)管理子程序等幾部分組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)通過串口與硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)讀取實(shí)驗(yàn)所需的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過文件的形式傳送給實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子程序。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子程序負(fù)責(zé)各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成。該程序?qū)⒈緦?shí)驗(yàn)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(xué)生在操作實(shí)驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)原理及處理方法。另外預(yù)留了自定制實(shí)驗(yàn)程序入口，學(xué)生可通過自己編制C 語言程序來完成實(shí)驗(yàn)。為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提供了方便。網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)管理子程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面網(wǎng)絡(luò)化管理。包括實(shí)驗(yàn)任務(wù)下發(fā)、實(shí)驗(yàn)中間過程管理及實(shí)驗(yàn)報(bào)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(gè)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行情況，了解每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，并實(shí)現(xiàn)無紙化辦公。