圖 1 衛星導航實驗系統組成框圖

  教師機與學生機之間采用以太網連接，組建實驗室內部局域網，實現實驗過程的全程在線管理。主要包括以下幾方面的功能：教師分發實驗任務、下發實驗數據、實驗中間環節的檢查與指導、學生提交實驗結果、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的驗證工作，以便有的放矢地指導學生順利完成實驗。

  學生機與實驗平臺之間采用 RS232 串行接口，實現學生機與實驗平臺之間的數據交互，主要包括實驗平臺配置命令交互和接收導航電文。RS232 串行接口結構簡單、可靠性高能夠完成數據的可靠傳輸。實驗系統具有一套功能強大的衛星導航實驗系統管理軟件，該軟件分為教師用版本和學生用版本，分別安裝在教師機和學生機上。教師只需通過該軟件界面即可完成諸如實驗任務生成與下發、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據庫留檔。學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、踐行各實驗環節、提交實驗報告以及與實驗平臺的命令和數據交互等。為了進一步加深學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，下發給學生。學生在線答題并提交，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 衛星信號轉發系統負責將空間信號接收下來，并通過轉發天線

  轉發到室內，實現真實信號環境的再現，使學生在真實的信號環境下開展實驗。

  2.2 實驗室軟硬件配置

  1） GNSS 衛星信號轉發系統

  為了使學生在真實衛星信號環境下開展實驗，實驗室配備 GNSS 衛星信號轉發系統。轉發系統的功能是接收室外 GNSS 衛星信號，經濾波、放大、轉發等環節，將室外天線收到的有效 GNSS 衛星信號轉入室內，解決室內無法接收到衛星信號的問題。室內全向發射天線將 GNSS 信號進行發射，即可使信號覆蓋范圍內的導航實驗平臺接收到衛星信號，順利開展各個實驗項目。

信號轉發系統實物如圖 2所示。

           圖 2 GNSS 衛星信號轉發系統實物圖

  2） 衛星接收天線

  衛星接收天線用于接收GPS和北斗頻段的衛星信號，天線具有高增益，良好的低仰角增益、廣角圓化和穩定的相位中心等特點。

          天線實物圖如圖 3所示。

    圖 3 衛星接收天線實物圖

  天線主要性能指標見表 1 所示。

  表 1 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）

  化方式

  右旋圓化

  天線增益

  ≥3.5dB

  放大器增益

  ≥37dB

  噪聲系數

  ≤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

  生

  任

  務

  機

  二

  次

  開

  發

  接

  口

  存

  儲

  器

  擴

  展

  實

  驗

  平

  臺

  狀

  態

  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

  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 雙模衛星導航實驗硬件平臺

  北斗/GPS 雙模衛星導航實驗硬件平臺負責接收轉發系統轉發的實際 GNSS 衛星信號，并進行捕獲、跟蹤定位、導航電文解析及觀測量提取等環節。實驗平臺通過串口將實驗必須的各項導航數據送入學生任務機，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 衛星導航試驗平臺原理框圖

  衛星導航實驗平臺選用了美國 U-Block 公司推出的定位授時接收機模塊 LEA-M8T 作為系統核心部件，配以 STM32 高性能單片機完成人機界面交互及與學生機的數據傳輸。系統主要包括 LEA-M8T 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、實驗平臺狀態顯示電路和電源電路等。

  另外，為了滿足教師或學生在此實驗平臺上開展課程設計、畢業設計教學或

  科研項目研發等工作，該實驗平臺預留了二次開發接口，通過該接口用戶可以直接訪問接收機模塊或通過既定協議與單片機通信。衛星導航實驗平臺實物圖如圖

  5 所示。

  圖 5 北斗/GPS 雙模衛星導航實驗平臺實物圖

  衛星導航實驗平臺主要性能參數見表 2。

  表 2 衛星導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

  －160dBm

  冷啟時間

  27S

  數據更新率

  2Hz

  工作溫度

  －40℃~85℃

  供 電

  220V AC

  4） GNSS 衛星導航實驗軟件系統

  衛星導航實驗室研發了一套集實驗開展和實驗網絡化管理于一體的大型實驗軟件系統。該軟件系統分為教師機版本和學生機版本。該軟件由實驗系統主程序、各實驗項目子程序和實驗管理子程序等幾部分組成。實驗系統主程序負責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星數據，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各個實驗項目的完成。該程序將本實驗所要完成的功能按照處理流程分步驟完成，并在界面上顯示。使學生在操作實驗的同時進一步理解實驗原理及處理方法。另外預留了自定制實驗程序入口，學生可通過自己編制C 語言程序來完成實驗。為培養學生實踐能力和創新能力提供了方便。網絡化實驗管理子程序實現實驗教學的網絡化管理。包括實驗任務下發、實驗中間過程管理及實驗報告提交、收集和入庫等環節。教師只需通過軟件就能掌控整個實驗室的運行情況，了解每個學生的實驗進度，并實現無紙化辦公。