现代北斗卫星船舶导航实验室建设和运行

庄新庆， 邹绪平， 刘 卫， 应士君

(上海海事大学商船学院，上海201306)

0 引言

在航运中，船舶通信导航和定位服务是船舶航行必不可少的［1］，全球卫星导航系统在船舶航行中占据着举足轻重的作用。目前国内外的海事院校和相关科研机构都建设有卫星导航实验室［2-3］，如大连海事大学的船舶导航系统国家工程研究中心有卫星导航应用实验室，上海交通大学的北斗卫星导航模拟器实验室等。随着我国北斗二代卫星导航系统的不断完善以及正式为亚太地区提供服务，目前该系统已经成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等领域，产生显著的经济和社会效益。

北斗二代卫星导航系统由我国自主研制并且具备短信通信功能，这些优点是其他任何导航卫星系统所不具备的，将这套系统应用于航海中能为船舶的经济安全提供更多的保障。目前，航海院校及相关研究机构对北斗卫星导航系统在船舶导航中的应用研究还处在初级阶段。在北斗卫星船舶导航方面急需大量的人才，在船舶驾驶中也需要懂技术更为专业的航运人才。基于以上考虑，本文提出了建设现代北斗卫星船舶导航实验室，该实验室的建设将对北斗二代卫星导航系统关键技术研究、学科建设、实践创新、课题研究、研究生和本科生的培养起到重要作用。

1 实验室建设目标

结合我校的航运特色和借鉴国内外实验室建设案例，本实验室初步确立三项建设目标［4］:

(1)加强基础研究，确保技术领先优势。结合我校特色，从基础研究着手，重点放在基础研究和应用研究，开展科技创新。为航运专业及相关专业开设北斗卫星导航实验课程，借助实验室平台学生能深入理解卫星导航定位原理和产品测试的方法［5-6］。

(2)完善人才管理机制，确保人才领先优势。通过实验室和加强北斗卫星导航领域师资队伍建设，全面提高实验教学和理论教学队伍的综合素质，凝聚本专业科研力量，融合现有学科方向专长，形成具有船舶特色的专业方向，为学科建设提供有力支持［7］。

建立一支以骨干教师为主，学历、职称和年龄结构合理，技术水平高、综合素质好的实验室队伍，在引进具有卫星导航相关专业背景的高学历及实验教学人员的同时［8］，将相关的理论教师引入到实验室和实验研究中来，加强对青年教师的培训，提高青年教师的实验技术水平和科研能力，以实验室建设促进管理机制建设，建立高效、可持续发展的实验室管理模式［9］。制定实验室管理制度，包括实验室工作条例、管理条例、工作人员职责、学生实验守则、实验室仪器设备使用管理办法等［10］。同时，在保证实验室管理制度化、规范化的前提下，结合开设实验项目、所需实验设备、专项课题研究内容等方面制定实验室开放条例，充分利用实验室资源，实现学科间资源有效共享，为学生和教师的技能训练、实验教学及研究开发提供必要的保障［11］。

(3)加强科研环境建设，确保条件领先优势。科研环境包括硬件环境、软件环境，依托学校的资源购置了先进的北斗卫星导航信息模拟器、定位测姿仪、北斗二代接收机开发套件等现代化的硬件环境;软件方面有数仿系统、监控系统、测评系统等配套的应用软件。

实验室可提供的研发条件:①研究软件北斗接收机设计方法;②开发北斗接收机的相关算法;③ 开发北斗接收机导航解算算法;④开发北斗接收机基带算法;⑤北斗芯片和接收机设计方法;⑥开发GPS/北斗二代多系统兼容接收机(抗多径、高灵敏度、中动态、高动态);⑦ 多系统卫星导航终端测试;⑧ 研究GNSS/INS组合导航系统工作原理和使用方法;⑨多系统卫星导航接收机研究。

作为现代化的北斗卫星船舶导航实验室，除了以上初步确立的目标外，还会在后续的研究和使用中为实验室增加更多的功能，充分发挥本实验室的功能。一方面对卫星船舶导航及相关领域的前沿技术和热点应用进行深入研究，特别是海上搜救方面要充分利用北斗卫星导航系统进行研究，另一方面，由于北斗卫星船舶导航实验室的应用性很强，实验是教学实践的主要形式，更要注重实验环境的真实性，设计综合的实验，以培养学生的整体意识［12］。

2 实验室建设方案概述

北斗二代卫星导航实验室建设采取模块化结构设计、二次开发与实际系统设备相结合的原则［13］，北斗二代实验室系统由卫星导航信号模拟系统、定位测姿系统、北斗二代接收机开发系统和BD2/GPS兼容型用户机组成。可以用于研究卫星导航定位技术在海洋测绘与导航中的各种应用，可以用于卫星导航相关知识的演示和教学，可以用于卫星导航终端设备的研究开发，也可以用于卫星导航接收设备的各项功能和性能指标的测试［14］。

北斗二代实验室系统的功能和性能指标满足以下文件要求:①《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件(ICD)》;②《卫星系统与应用系统(RNSS)接口控制文件(2.0版)》，卫星导航定位总站 2007.02;③《GPS Interface Control Document(ICD GPS-200D)》。

北斗二代实验室系统可分成用于船舶航迹仿真的船舶航迹仿真系统和用于卫星导航接收终端研制开发教学和实验的卫星导航接收终端研制开发教学实验系统组成［15］，建设方案如图1、图2所示。

图1 船舶航迹仿真测试系统

船舶航迹仿真系统由射频信号仿真系统、定位测姿系统、航迹管理主机、数学仿真系统、监控系统、测试评估系统等组成。

数学仿真系统是根据用户的设置生成GPS L1频点C/A码和北斗二代 B1频点C/A码的观测数据和导航电文，同时最多能够生成对应于3个天线的观测数据和导航电文。数学仿真系统根据预先设定载体运动轨迹数据或航迹管理主机发送的轨迹信息，生成对应的仿真场景数据，并通过千兆网发送给监控系统和测试评估系统。

射频信号仿真系统接收监控系统发送的由数学仿真系统生成的仿真场景数据，负责生成能够模拟通过实际空间传播的叠加延迟效应和多普勒效应的射频导航信号。射频仿真分系统可同时输出3路射频信号，分别模拟定位测姿系统3个接收天线所接收到的导航信号，这三路射频信号通过有线的方式连接到定位测姿系统对应的3个射频输入端口。

监控系统运行控制软件和显示软件，实现对射频信号仿真系统的全程控制操作，控制软件接收数学仿真系统发送的仿真场景数据，并发送给射频信号仿真系统;显示软件接收数学仿真系统发送的仿真场景数据，以图表的方式实现数学仿真系统仿真场景信息的直观展示，主要包括卫星星座图、用户轨迹、用户的三维位置、速度、加速度等用户所关心的信息。

测试评估系统运行测试评估软件，能够接收由北斗二代接收机开发系统输出的标准格式的定位解算信息及数学仿真系统发送的仿真场景数据，对接收机开发过程中的关键技术指标进行测试评估。

定位测姿系统为具有测姿功能的卫星导航终端系统，能够完成测姿功能。定位测姿系统的定位、定向和测姿结果，通过串口或者网络上传到航迹管理主机。

图2 卫星导航接收终端研制开发教学实验系统

卫星导航接收终端研制开发教学实验系统由射频信号仿真系统、数学仿真系统、监控系统、测试评估系统和用于教学的15套BD2/GPS兼容型接收机开发系统组成。这套系统可用于卫星导航定位、测姿算法的研究，也可用于卫星导航相关课程的教学。用户可以在开发板上验证各种算法，并对在这过程中的数据及参数进行控制和监视。

BD2/GPS兼容型用户机能够接收北斗二代卫星播发的B1、B3频点导航信号和GPS卫星L1频点导航信号，完成定位解算功能，并输出相关信息。

以上为北斗卫星船舶导航实验室的建设方案，本方案除了适用于船舶航迹仿真和接收终端研制开发教学实验外，还适用于北斗二代实验室系统的研制和开发，包括概述、需求和任务分析、总体方案设计、功能模块实现、电磁兼容性设计、可靠性和维修性设计以及可测试性设计，是北斗二代实验室系统的硬件设计和软件开发的依据。

3 实验内容设计及部分实例介绍

实验内容分为基础实验、综合实验和创新设计型实验三大类型［16］。现以基础实验作为实验内容设计，卫星导航基础实验内容包括:实时卫星位置解算及结果分析，实时传输误差计算与特性分析及信噪比与卫星仰角关系，几何精度因子(DOP)的实时计算与分析导航解算(接收机位置、时间)及结果分析，可视卫星预测。

本实验就北斗二代卫星导航接收机在船舶航行中的性能进行分析，实验需要在船舶上安装北斗二代接收机，进行实测数据分析才能得出结论。要完成这样一个实验是非常困难的，即使在航海院校有这样的硬件条件，但也需要花费大量的人力、物力、时间等。那么，有了现代的北斗二代卫星船舶导航实验室，实验就可以进行如下设计:实验设计硬件平台示意图如图3所示。北斗二代卫星信号及船舶航行的场景由卫星信号模拟器完成，根据我们实验测试的需要由控制主机完成模拟场景的设计并控制模拟器产生相应的射频信号，再由接收机接收来自模拟器的信号，送入监控、测评、数据接收系统，监控、测评、数据接收系统可实时监控测评，可将实验产生的数据用于对产品的分析。

在实验中，评估系统我们采用性能评估软件，该软件包括系统配置和评估功能选项二个操作面板，系统配置包括打开串口和关闭串口两个操作选项;评估功能选项包括定位精度、测速精度、灵敏度、伪距精度、通道一致和报告六个功能模块，可以实现卫星导航信号接收机性能指标的评估分析。性能评估软件能够实时分析处理由卫星导航信号接收机输出的标准格式的定位解算信息及卫星导航信号模拟器输出的仿真场景理论数据，也可进行事后的数据文件分析处理，对卫星导航信号接收机的关键技术指标进行测试评估。

在伪距观测精度确定的情况下，如何使精度因子的数值尽可能减小，是提高定位精度的一个重要途径。由于卫星的运动以及观测卫星的选择不同，所测卫星在空间分布的几何图形是变化的，导致精度因子的数值也是变化的。在试验中，根据不同的要求，可选用不同的精度评价模型和相应的精度因子，通常有平面位置精度衰减因子(HDOP)、高程精度衰减因子(VDOP)、空间位置精度衰减因子(PDOP)、接收机钟差精度衰减因子(TDOP)、几何精度衰减因子(GDOP)等。根据数据接收系统的数据进行整理并得出如图4所示的DOP值的变化图，对下图进行分析可知实验、研究成果是否达到预期的性能指标。

图3 实验硬件平台搭建示意图

图4 几何精度因子(DOP)值的变化图

4 结语

目前实验室已基本建成，在2012年已经通过验收，得到了卫星船舶导航领域多位专家的认可，实验室多采用模块化设计，在实验室设备更新、设备维修等方面较为灵活。有力地支撑了学院的科技创新、专业课程实验及毕业设计等教学实践环节。积极自主开发全球船舶定位导航实验技术，使实验室发挥功能最大化、效益最大化，把先进的北斗二代卫星导航系统引入航海院校实验室，实现了教学实践与社会现实技术的结合，根据航海院校的教学要求结合工程实践设计相关实验，涵盖北斗卫星导航定位技术的各个方面，可以很好地帮助学生理解北斗二代卫星导航系统基本原理，提高学生在船的实际操作能力，真正做到让学生成为懂原理懂技术的使用者。本实验室的建设不仅能为卫星导航科研机构、航运企业培养专业人才也能教师的科研、学校卫星船舶导航相关专业的实验教学提供一个更好的创新研究平台。

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