圖 1 衛(wèi)星導(dǎo)航實驗系統(tǒng)組成框圖
教師機與學(xué)生機之間采用以太網(wǎng)連接，組建實驗室內(nèi)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(wù)、下發(fā)實驗數(shù)據(jù)、實驗中間環(huán)節(jié)的檢查與指導(dǎo)、學(xué)生提交實驗結(jié)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(wù)的驗證工作，以便有的放矢地指導(dǎo)學(xué)生順利完成實驗。
學(xué)生機與實驗平臺之間采用 RS232 串行接口，實現(xiàn)學(xué)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(dǎo)航電文。RS232 串行接口結(jié)構(gòu)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(dǎo)航實驗系統(tǒng)管理軟件，該軟件分為教師用版本和學(xué)生用版本，分別安裝在教師機和學(xué)生機上。教師只需通過該軟件界面即可完成諸如實驗任務(wù)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(xué)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(wù)、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(xué)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(xué)生。學(xué)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(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)負責(zé)將空間信號接收下來，并通過轉(zhuǎn)發(fā)天線
轉(zhuǎn)發(fā)到室內(nèi)，實現(xiàn)真實信號環(huán)境的再現(xiàn)，使學(xué)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(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)
為了使學(xué)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(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，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)星信號轉(zhuǎn)入室內(nèi)，解決室內(nèi)無法接收到衛(wèi)星信號的問題。室內(nèi)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(nèi)的導(dǎo)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(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)實物如圖 2所示。
圖 2 GNSS 衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)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(xué)
生
任
務(wù)
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(dǎo)航實驗硬件平臺
北斗/GPS 雙模衛(wèi)星導(dǎo)航實驗硬件平臺負責(zé)接收轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的實際 GNSS 衛(wèi)星信號，并進行捕獲、跟蹤定位、導(dǎo)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(dǎo)航數(shù)據(jù)送入學(xué)生任務(wù)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(dǎo)航試驗平臺原理框圖
衛(wèi)星導(dǎo)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(xué)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?qū)W生在此實驗平臺上開展課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計教學(xué)或
科研項目研發(fā)等工作，該實驗平臺預(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模塊或通過既定協(xié)議與單片機通信。衛(wèi)星導(dǎo)航實驗平臺實物圖如圖
5 所示。
圖 5 北斗/GPS 雙模衛(wèi)星導(dǎo)航實驗平臺實物圖
衛(wèi)星導(dǎo)航實驗平臺主要性能參數(shù)見表 2。
表 2 衛(wèi)星導(dǎo)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
－40℃~85℃
供 電
220V AC
4） GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航實驗軟件系統(tǒng)
衛(wèi)星導(dǎo)航實驗室研發(fā)了一套集實驗開展和實驗網(wǎng)絡(luò)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(xué)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(zé)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(zé)各個實驗項目的完成。該程序?qū)⒈緦嶒炈瓿傻墓δ馨凑仗幚砹鞒谭植襟E完成，并在界面上顯示。使學(xué)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(yù)留了自定制實驗程序入口，學(xué)生可通過自己編制C 語言程序來完成實驗。為培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力提供了方便。網(wǎng)絡(luò)化實驗管理子程序?qū)崿F(xiàn)實驗教學(xué)的全面網(wǎng)絡(luò)化管理。包括實驗任務(wù)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(xué)生的實驗進度，并實現(xiàn)無紙化辦公。
