于成金　李厚樸　李文魁

摘 要 針對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)教學(xué)需求，引入北斗科教創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱，進(jìn)行了北斗/GPS原始電文采集和分析、衛(wèi)星和用戶位置解算、傳輸誤差和幾何精度因子分析等實(shí)驗(yàn)，使抽象的北斗知識(shí)點(diǎn)以直觀的方式展示出來(lái)。教學(xué)實(shí)踐表明，北斗科教創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱的應(yīng)用促進(jìn)了學(xué)員對(duì)于教學(xué)內(nèi)容的理解，激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 教學(xué)實(shí)踐 北斗科教創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.05.047

The Research on Practice Teaching for Navigation Satellite

Based on BeiDou Experiment Box

YU Chengjin， LI Houpu， LI Wenkui

（Teaching and Research Office of Navigation， Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033）

Abstract Aiming at teaching requirements of BeiDou satellite navigation system， BeiDou science and education innovation experiment box was introduced into teaching. BeiDou/GPS original message acquisition and analysis， calculation of satellite and the user position， analysis of transmission error and geometric dilution of precision in the experiment， make the big dipper of the abstract knowledge displayed in an intuitive way. Teaching practice shows that application of BeiDou science and education innovation experiment box promoted the students understanding of the teaching content and stimulate the students' learning enthusiasm， which has obtained the good teaching effect.

Keywords BeiDou satellite navigation； teaching practice； BeiDou science and education innovation experiment box.

0 引言

20世紀(jì)70年代以來(lái)，美國(guó)和前蘇聯(lián)相繼啟動(dòng)了各自的衛(wèi)星導(dǎo)航定位計(jì)劃，美國(guó)發(fā)展了全球定位系統(tǒng)GPS，前蘇聯(lián)（以后為俄羅斯）發(fā)展了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASS。[1]2012年12月27日，第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)。[2]近年來(lái)，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)家科技進(jìn)步的重要組成部分。[3-4]在軍民各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。[5-6]導(dǎo)航專業(yè)作為我校的一個(gè)重點(diǎn)專業(yè)，有著悠久的歷史，我校緊跟行業(yè)的前沿領(lǐng)域已于20世紀(jì)90年代開(kāi)設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用這門專業(yè)課程，現(xiàn)在已經(jīng)成為了導(dǎo)航工程專業(yè)一門骨干專業(yè)課。

在衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用課程教學(xué)中，經(jīng)常遇到導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中的信息傳輸處理以及誤差分析等內(nèi)容，傳統(tǒng)上僅依賴于教員課堂語(yǔ)言描述結(jié)合板書(shū)的教學(xué)方法，不能直觀展示導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸與分析過(guò)程，不能對(duì)實(shí)際信息進(jìn)行處理與分析實(shí)驗(yàn)，學(xué)員感到理解困難。為了改善教學(xué)效果，近年來(lái)筆者所在“衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用”課程組將北斗科教創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱引入到衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用課程教學(xué)中，利用了許多相關(guān)實(shí)驗(yàn)，把適合于實(shí)際操作的內(nèi)容加入實(shí)驗(yàn)課，并通過(guò)學(xué)員自行解析計(jì)算，極大地激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動(dòng)了學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性。

1 北斗科教創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱及其功能

北斗科教創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱是常州市萊特信息科技有限公司生產(chǎn)的一款為了配合衛(wèi)星導(dǎo)航教學(xué)的專業(yè)型實(shí)驗(yàn)箱，北斗科教創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱由接收機(jī)模塊、傳感器模塊、GPRS通訊模塊、衛(wèi)星天線模塊、顯示模塊、電源模塊和各種外接串口組成。接收機(jī)模塊支持GPS、北斗、GLONASS三系統(tǒng)的導(dǎo)航電文的接收。實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物如圖1所示。

另外，還配套帶有GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信息解算實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，軟件主界面如圖2所示，學(xué)員可以利用此軟件直觀的觀察衛(wèi)星導(dǎo)航定位結(jié)果與各種星歷情況，同時(shí)還可以對(duì)相應(yīng)的定位解算過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 北斗科教創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

北斗科教創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用課程實(shí)踐教學(xué)的主要內(nèi)容有：

2.1 原始電文采集及分析

利用北斗科教實(shí)驗(yàn)箱上集成接收機(jī)模塊，可以對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航天線接收到的原始電進(jìn)行采集，利用萊特GNSS實(shí)訓(xùn)工具可以將其讀取至計(jì)算機(jī)并進(jìn)行處理。

對(duì)接收機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)置，選擇工作系統(tǒng)，對(duì)時(shí)鐘誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差和相對(duì)論效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。然后將采集原始電文保存至本地“302 原始電文.dat”。使用 UltraEdit 打開(kāi)“302 原始電文.dat”，找到一條觀測(cè)量電文，根據(jù)原始電文的格式對(duì)導(dǎo)航電文進(jìn)行分析，可以得到星歷及位置等信息，結(jié)果如圖3所示。

2.2 衛(wèi)星與用戶位置解算

衛(wèi)星位置解算在整個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航解算中占有重要的位置，衛(wèi)星位置的解算是用戶位置的解算的基礎(chǔ)。因此需要得到星歷和系統(tǒng)時(shí)間，這些數(shù)據(jù)均包含在導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航電文中。學(xué)員利用北斗科教創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱解算得到衛(wèi)星的位置后，就可以根據(jù)三球交匯原理就可以對(duì)用戶位置進(jìn)行解算，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位功能。如圖4所示。

2.3 實(shí)時(shí)傳輸誤差及幾何精度因子分析

BD/GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)中的各種誤差按誤差源大概分為三種類型：（1）與衛(wèi)星相關(guān)的誤差，包括衛(wèi)星星鐘的誤差、地球自轉(zhuǎn)的影響和相對(duì)論效應(yīng)等；（2）信號(hào)傳輸誤差，包括電離層誤差和對(duì)流層誤差等；（3）接收設(shè)備的誤差，包括測(cè)量誤差和接收機(jī)鐘差等。實(shí)驗(yàn)使用的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信息解算實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有分析和修正傳輸誤差的功能，因此可以對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)傳輸過(guò)程中的實(shí)時(shí)傳輸誤差進(jìn)行計(jì)算和分析。其結(jié)果如圖5所示。

利用GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信息解算實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的相關(guān)功能，還可以對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的幾何精度因子進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算并分析，圖6為采集記錄北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的幾何精度因子變化圖。

學(xué)員在任課教員具體實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，自己動(dòng)手對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，解算和分析，加強(qiáng)了學(xué)員對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析和定位分析的理解，對(duì)于解算步驟有了直觀的認(rèn)識(shí)和掌握。

3 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用課程知識(shí)點(diǎn)繁多，理論學(xué)習(xí)比較枯燥，課程組充分利用北斗科教創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱的強(qiáng)大功能，設(shè)計(jì)了北斗/GPS原始電文采集和分析、衛(wèi)星和用戶位置解算、傳輸誤差和幾何精度因子分析等實(shí)驗(yàn)，加深了學(xué)員對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航原理的認(rèn)識(shí)和掌握，提高了學(xué)員的動(dòng)手能力，激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的教學(xué)效果，值得在今后的教學(xué)實(shí)踐中大力推廣。

*通訊作者：李厚樸

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41771487，41674037），軍隊(duì)2110工程三期建設(shè)項(xiàng)目

參考文獻(xiàn)

[1] 邊少鋒，紀(jì)兵，李厚樸.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概論（第二版）[M].北京：測(cè)繪出版社，2016.

[2] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2010.39（1）：1-5.

[3] 李黎，龍四春，張金平，等.GPS原理與應(yīng)用課程教學(xué)改革探討[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2014.6（5）：118-119.

[4] 韓帥，王文靜，孟維曉，等.通信工程專業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué).

[5] 皮亦鳴，李晉，曹宗杰，等.衛(wèi)星定位導(dǎo)航原理的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012.10（5）：96-98.

[6] 肖擁軍，劉新華，楊榮豐.工程地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)研究[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2011.3（4）：100-101.