基于RTKLIB软件的“卫星导航原理及应用”课程教学实践

余德荧 李厚朴 程海军 纪兵

[摘 要] “卫星导航原理及应用”是海军工程大学导航工程专业学历教育的核心课程，该课程是导航工程专业学员学习卫星导航知识与导航学科其他相关知识的基础。针对“卫星导航原理及应用”课程教学需求，引入专业GNSS定位软件RTKLIB，对课程中涉及的实时定位解算、后处理分析和可视化分析等典型问题进行研究，并绘制了相应的轨迹图、星空图、残差图和各类参数变化图等图像，使抽象、枯燥的教学内容以形象、直观的方式展示出来。教学实践表明，RTKLIB软件的应用不仅促进了学员对于卫星导航相关教学内容的理解，而且提高了学员的实践创新能力，取得了良好的教学效果。

[关键词] 卫星导航;全球导航卫星系统;教学实践;开源程序包

[基金项目] 2017年度国家自然科学基金资助项目“空间地图投影计算机代数精密分析研究”（41771487）;2019年度国家自然科学基金资助项目“海上划界和北极航线专用海图及其法理应用研究”（41971416）;2019年度湖北省杰出青年科学基金资助项目“地图海图投影计算机代数精密分析研究”（2019CFA086）

[作者简介] 余德荧（1998—），男，广东潮州人，海军工程大学电气工程学院2020级控制科学与工程专业硕士研究生，研究方向为卫星导航;李厚朴（1985—），男，山东郓城人，博士，海军工程大学控制工程教研室副教授，硕士生导师，主要从事卫星导航研究;程海军（1981—），男，辽宁朝阳人，硕士，海军工程大学教务处讲师，主要从事教学管理和卫星导航研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）37-0089-04    [收稿日期] 2021-04-15

一、引言

卫星导航系统不仅是国家安全和经济的基础设施，也是体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。卫星导航为民用领域带来巨大的经济效益。当今社会，卫星导航已成为经济发展的强大发动机，全球导航卫星系统已成为重要的基础。军事应用历来是卫星导航的重要领域。卫星导航可为各种军事运载体导航，已成为武装力量的支撑系统和倍增器。当今世界正面临一场新军事革命，卫星导航系统作为一个功能强大的军事传感器，已经成为天战、远程作战、导弹战、电子战、信息战及导航战的重要武器[1]。“卫星导航原理及应用”是我校导航工程专业学历教育的核心课程，该课程是导航工程专业学员学习卫星导航知识与导航学科其他相关知识的基础[2]。鉴于卫星导航系统具有较强的民用价值和军事意义，该课程被大学列为导航工程专业必修课程和其他专业选修课程[3]。

该课程主要讲授卫星导航系统的发展和应用、卫星导航常用坐标与时间系统、卫星轨道理论、卫星导航系统组成、定位原理、定位性能、全球卫星导航系统、卫星导航增强系统及卫星导航新技术与展望等内容[4，5]。由于涉及导航电文、观测数据、星历、钟差、卫星可见性、精度因子、信噪比、多路径、截止高度角等许多复杂抽象的概念和实时定位解算、后处理分析、可视化分析等大量枯燥烦琐的数学推导，传统上仅依赖于教员课堂语言描述结合板书的教学方法，不仅讲授难度较大，而且由于不能直观展示卫星导航系统运行情况，对学员的空间想象能力要求较高，常常造成学员理解上的困难，甚至使其产生厌烦情绪，教学效果不佳。

计算机技术和数据分析处理软件因其便捷性与生动性，近年来在专业课程教学中得到了广泛应用[6-8]。为了丰富教学手段，近年来课程组将开源程序包RTKLIB（Open Source Program Package）软件引入“卫星导航原理及应用”课程教学中，制作了许多形象生动的图像，把适合动态演示的内容直观地展示出来，并通过软件操作实践，极大地激发了学员学习的兴趣，充分调动了学员学习的积极性。

二、RTKLIB软件简介

RTKLIB是日本东京海洋大学Tokyo University of Marine Science and Technology开发的一个开源程序包，用于全球导航卫星系统的标准和精确定位，内置详细的参数调整功能，可以设置定位方式，可以设置星历，可以查看卫星数据，让用户可以更方便地执行定位标准设置[9]。RTKLIB由一个可移植的程序库和几个利用该库的应用程序组成，拥有很多工具，支持AP启动器、實时定位、通信服务器、后处理分析、RINEX转换器、绘制解决方案和观察数据、全球导航卫星系统数据下载、NTRIP浏览器等功能，满足用户对定位的需求。RTKLIB 2.4.2应用程序启动器基本界面如图1所示。

三、RTKLIB教学实例

（一）RTKNAVI实时定位解算

卫星导航的基本作用是向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息。导航的核心是定位。实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。利用RTKLIB的RTKNAVI软件，输入GPS/GNSS接收机原始观测数据和星历信息，配置输入、输出和日志流等，可以实时进行导航处理。

RTKNAVI设置如图2（a）所示。各项内容设置完毕，点击“Start”按钮开始运行。解算后的实时定位结果如图2（b）所示。由图2（b）可以看出，GPS的定位结果为北纬35°43′08.2300″，东经138°27′02.1531″，高程367.430m，N方向的定位偏差为0.004m，E方向的定位偏差为0.004m，U方向的定位偏差为0.012m，14号星未被使用，21号星等待连接，9、12、15、18、22、26、27、30号星已连接。

通过RTKLIB的RTKNAVI实时定位解算，学员可以直接地观察经纬度、高程、N/E/U方向的定位偏差、卫星运行情况和流动站信噪比等导航定位信息随时间的变化情况，从而加深他们对卫星导航定位的理解。