北斗教学实验系统

图 1 卫星导航实验系统组成框图

  教师机与学生机之间采用以太网连接，组建实验室内部局域网，实现实验过程的全程在线管理。主要包括以下几方面的功能：教师分发实验任务、下发实验数据、实验中间环节的检查与指导、学生提交实验结果、实验报告等。另外，教师机自带硬件实验平台，教师可以先行完成实验任务的验证工作，以便有的放矢地指导学生顺利完成实验。

  学生机与实验平台之间采用 RS232 串行接口，实现学生机与实验平台之间的数据交互，主要包括实验平台配置命令交互和接收导航电文。RS232 串行接口结构简单、可靠性高能够完成数据的可靠传输。实验系统具有一套功能强大的卫星导航实验系统管理软件，该软件分为教师用版本和学生用版本，分别安装在教师机和学生机上。教师只需通过该软件界面即可完成诸如实验任务生成与下发、收集实验报告、评定实验成绩等工作，另外如需要可将实验报告存入数据库留档。学生只需通过该软件界面即可完成整个实验的操作流程。包括接收实验任务、践行各实验环节、提交实验报告以及与实验平台的命令和数据交互等。为了进一步加深学生对实验原理的理解，该软件附带题库功能。每个实验后都有一定数量的思考题，包括选择、判断、简答等题型。教师可以随机抽取若干思考题，下发给学生。学生在线答题并提交，教师可以以此作为实验成绩的参考。

  另外，教师可自行对题库进行扩充或删减。

  另外，GNSS 卫星信号转发系统负责将空间信号接收下来，并通过转发天线

  转发到室内，实现真实信号环境的再现，使学生在真实的信号环境下开展实验。

  2.2 实验室软硬件配置

  1） GNSS 卫星信号转发系统

  为了使学生在真实卫星信号环境下开展实验，实验室配备 GNSS 卫星信号转发系统。转发系统的功能是接收室外 GNSS 卫星信号，经滤波、放大、转发等环节，将室外天线收到的有效 GNSS 卫星信号转入室内，解决室内无法接收到卫星信号的问题。室内全向发射天线将 GNSS 信号进行发射，即可使信号覆盖范围内的导航实验平台接收到卫星信号，顺利开展各个实验项目。

信号转发系统实物如图 2所示。

 

           图 2 GNSS 卫星信号转发系统实物图

  2） 卫星接收天线

  卫星接收天线用于接收GPS和北斗频段的卫星信号，天线具有高增益，良好的低仰角增益、广角圆化和稳定的相位中心等特点。

          天线实物图如图 3所示。

    图 3 卫星接收天线实物图

  天线主要性能指标见表 1 所示。

  表 1 接收天线性能指标列表

  电气特性

  频率范围

  1575±5MHz（GPS）

  1561±4MHz（北斗二代）

  化方式

  右旋圆化

  天线增益

  ≥3.5dB

  放大器增益

  ≥37dB

  噪声系数

  ≤1.5dB

  反射损耗

  -14dB（即驻波比≤1.5）L

  E

  A

  -

  M

  8

  T

  高

  精

  度

  接

  收

  机

  模

  块

  学

  生

  任

  务

  机

  二

  次

  开

  发

  接

  口

  存

  储

  器

  扩

  展

  实

  验

  平

  台

  状

  态

  显

  示

  按

  键

  及

  其

  它

  配

  置

  电

  路

  电

  源

  S

  T

  M

  3

  2

  高

  性

  能

  单

  片

  机

  串

  口

  授

  时

  信

  号

  输

  出

  卫

  星

  信

  号

  输

  入

  干扰抑制

  ≥25dB（f0±100MHz）

  p-1

  ≥ 10dBm

  阻抗

  50Ω

  供 电

  3V/5V DC

  外形尺寸

  体 积

  φ 96×126mm

  电缆长度

  10 米/30 米或任选

  安装方式

  螺纹（M24×1.5）连接

  环境特性

  工作温度

  -45℃~85℃

  贮存温度

  -50℃~90℃

  工作湿度

  95%不冷凝

  3） 北斗/GPS 双模卫星导航实验硬件平台

  北斗/GPS 双模卫星导航实验硬件平台负责接收转发系统转发的实际 GNSS 卫星信号，并进行捕获、跟踪定位、导航电文解析及观测量提取等环节。实验平台通过串口将实验必须的各项导航数据送入学生任务机，支持各个实验项目的开展。

  实验平台原理框图如图 4 所示。

  图 4 卫星导航试验平台原理框图

  卫星导航实验平台选用了美国 U-Block 公司推出的定位授时接收机模块 LEA-M8T 作为系统核心部件，配以 STM32 高性能单片机完成人机界面交互及与学生机的数据传输。系统主要包括 LEA-M8T 接收机模块、STM32高性能单片机、存储器扩展、按键及其它配置电路、实验平台状态显示电路和电源电路等。

  另外，为了满足教师或学生在此实验平台上开展课程设计、毕业设计教学或

  科研项目研发等工作，该实验平台预留了二次开发接口，通过该接口用户可以直接访问接收机模块或通过既定协议与单片机通信。卫星导航实验平台实物图如图

  5 所示。

  图 5 北斗/GPS 双模卫星导航实验平台实物图

  卫星导航实验平台主要性能参数见表 2。

  表 2 卫星导航实验平台主要性能指标列表

  工作模式

  72 通道 GPS/北斗双模定位

  定位精度

  2.5 米

  授时精度

  ≤20nS

  灵敏度

  －160dBm

  冷启时间

  27S

  数据更新率

  2Hz

  工作温度

  －40℃~85℃

  供 电

  220V AC

  4） GNSS 卫星导航实验软件系统

  卫星导航实验室研发了一套集实验开展和实验网络化管理于一体的大型实验软件系统。该软件系统分为教师机版本和学生机版本。该软件由实验系统主程序、各实验项目子程序和实验管理子程序等几部分组成。实验系统主程序负责通过串口与硬件实验平台进行交互，实时读取实验所需的卫星数据，并通过文件的形式传送给实验项目子程序。实验项目子程序负责各个实验项目的完成。该程序将本实验所要完成的功能按照处理流程分步骤完成，并在界面上显示。使学生在操作实验的同时进一步理解实验原理及处理方法。另外预留了自定制实验程序入口，学生可通过自己编制C 语言程序来完成实验。为培养学生实践能力和创新能力提供了方便。网络化实验管理子程序实现实验教学的网络化管理。包括实验任务下发、实验中间过程管理及实验报告提交、收集和入库等环节。教师只需通过软件就能掌控整个实验室的运行情况，了解每个学生的实验进度，并实现无纸化办公。