基于北斗科教创新实验箱的卫星导航原理课程实践教学

于成金　李厚朴　李文魁

摘 要 针对北斗卫星导航系统教学需求，引入北斗科教创新实验箱，进行了北斗/GPS原始电文采集和分析、卫星和用户位置解算、传输误差和几何精度因子分析等实验，使抽象的北斗知识点以直观的方式展示出来。教学实践表明，北斗科教创新实验箱的应用促进了学员对于教学内容的理解，激发了学员的学习热情，取得了良好的教学效果。

关键词 北斗卫星导航系统 教学实践 北斗科教创新实验箱

中图分类号：G424 文献标识码：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世纪70年代以来，美国和前苏联相继启动了各自的卫星导航定位计划，美国发展了全球定位系统GPS，前苏联（以后为俄罗斯）发展了全球导航卫星系统GLONASS。[1]2012年12月27日，第二代北斗卫星导航系统正式提供区域服务。[2]近年来，卫星导航定位技术已经成为国家科技进步的重要组成部分。[3-4]在军民各个领域都得到了广泛的应用。[5-6]导航专业作为我校的一个重点专业，有着悠久的历史，我校紧跟行业的前沿领域已于20世纪90年代开设卫星导航原理及应用这门专业课程，现在已经成为了导航工程专业一门骨干专业课。

在卫星导航原理及应用课程教学中，经常遇到导航卫星系统中的信息传输处理以及误差分析等内容，传统上仅依赖于教员课堂语言描述结合板书的教学方法，不能直观展示导航卫星数据的传输与分析过程，不能对实际信息进行处理与分析实验，学员感到理解困难。为了改善教学效果，近年来笔者所在“卫星导航原理及应用”课程组将北斗科教创新实验箱引入到卫星导航原理及应用课程教学中，利用了许多相关实验，把适合于实际操作的内容加入实验课，并通过学员自行解析计算，极大地激发了学员的学习热情，调动了学员学习的积极性。

1 北斗科教创新实验箱及其功能

北斗科教创新实验箱是常州市莱特信息科技有限公司生产的一款为了配合卫星导航教学的专业型实验箱，北斗科教创新实验箱由接收机模块、传感器模块、GPRS通讯模块、卫星天线模块、显示模块、电源模块和各种外接串口组成。接收机模块支持GPS、北斗、GLONASS三系统的导航电文的接收。实验箱实物如图1所示。

另外，还配套带有GNSS卫星导航信息解算实训系统，软件主界面如图2所示，学员可以利用此软件直觀的观察卫星导航定位结果与各种星历情况，同时还可以对相应的定位解算过程进行实验。

2 北斗科教创新实验箱在实践教学中的应用

北斗科教创新实验箱进行卫星导航原理及应用课程实践教学的主要内容有：

2.1 原始电文采集及分析

利用北斗科教实验箱上集成接收机模块，可以对卫星导航天线接收到的原始电进行采集，利用莱特GNSS实训工具可以将其读取至计算机并进行处理。

对接收机软件进行设置，选择工作系统，对时钟误差、电离层误差、对流层误差和相对论效应进行补偿。然后将采集原始电文保存至本地“302 原始电文.dat”。使用 UltraEdit 打开“302 原始电文.dat”，找到一条观测量电文，根据原始电文的格式对导航电文进行分析，可以得到星历及位置等信息，结果如图3所示。

2.2 卫星与用户位置解算

卫星位置解算在整个系统的导航解算中占有重要的位置，卫星位置的解算是用户位置的解算的基础。因此需要得到星历和系统时间，这些数据均包含在导航系统的导航电文中。学员利用北斗科教创新实验箱解算得到卫星的位置后，就可以根据三球交汇原理就可以对用户位置进行解算，从而实现卫星导航系统的定位功能。如图4所示。

2.3 实时传输误差及几何精度因子分析

BD/GPS 导航系统中的各种误差按误差源大概分为三种类型：（1）与卫星相关的误差，包括卫星星钟的误差、地球自转的影响和相对论效应等；（2）信号传输误差，包括电离层误差和对流层误差等；（3）接收设备的误差，包括测量误差和接收机钟差等。实验使用的GNSS卫星導航信息解算实训系统具有分析和修正传输误差的功能，因此可以对于卫星信号传输过程中的实时传输误差进行计算和分析。其结果如图5所示。

利用GNSS卫星导航信息解算实训系统的相关功能，还可以对卫星导航系统的几何精度因子进行实时计算并分析，图6为采集记录北斗卫星导航系统的几何精度因子变化图。

学员在任课教员具体实验指导的基础上，自己动手对卫星导航系统的相关数据进行采集，解算和分析，加强了学员对于卫星导航系统误差分析和定位分析的理解，对于解算步骤有了直观的认识和掌握。

3 结束语

卫星导航原理及应用课程知识点繁多，理论学习比较枯燥，课程组充分利用北斗科教创新实验箱的强大功能，设计了北斗/GPS原始电文采集和分析、卫星和用户位置解算、传输误差和几何精度因子分析等实验，加深了学员对卫星导航原理的认识和掌握，提高了学员的动手能力，激发了学员的学习兴趣，取得了较好的教学效果，值得在今后的教学实践中大力推广。

*通讯作者：李厚朴

基金项目：国家自然科学基金项目（41771487，41674037），军队2110工程三期建设项目

参考文献

[1] 边少锋，纪兵，李厚朴.卫星导航系统概论（第二版）[M].北京：测绘出版社，2016.

[2] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报，2010.39（1）：1-5.

[3] 李黎，龙四春，张金平，等.GPS原理与应用课程教学改革探讨[J].当代教育理论与实践，2014.6（5）：118-119.

[4] 韩帅，王文静，孟维晓，等.通信工程专业卫星导航实验教学平台建设研究与实践[J].实验与实践教学.

[5] 皮亦鸣，李晋，曹宗杰，等.卫星定位导航原理的实验课程设计与实践[J].实验科学与技术，2012.10（5）：96-98.

[6] 肖拥军，刘新华，杨荣丰.工程地质实践教学研究[J].当代教育理论与实践，2011.3（4）：100-101.