导航工程专业实验室建设模式探索

摘  要：导航工程专业是一门多学科交叉的新兴工程学科专业，主要涉及导航基础理论、导航技术基本原理与方法、导航传感器设备的集成及其应用;其中实验在教学过程中具有举足轻重的作用，结合我校“电子信息特色”的办学特点和当前社会对导航专业人才的需要，探索了导航工程实验室的建设模式;创建了卫星接收机软硬件、惯性导航实验平台、高精度定位硬件平台和相关软件等实验环境;实验室为教师培养、课程设计、生产实习等提供了较好的平台。从效果评价看，实验室建设达到了导航工程专业人才培养所需的教学和实践能力要求。

关键词：导航工程;实验室建设模式;实践教学

2020年6月23日，随着北斗三号卫星的成功发射，我国北斗系统这张天网正式为全球提供服务。可以为自动驾驶、精确泊车带来巨大的前景;可以为抢险救灾、应急通信发挥重大的作用;在这个信息化时代，结合其他信息技术，加快人工智能技术的发展……，对国民经济全方位产生显著的影响[1-2]。国家在北斗应用方面急需大量的人才，在导航应用中也需要专业的高科技人才。导航工程专业是我国高等院校各相关专业的一个特色专业，我校从2016年秋季开始招生，2020年7月培养的第一届毕业生即将走向社会，为国家做出应有的贡献。我校导航工程专业主要培养用户终端的软件和硬件设计，学生需要具备有如下基本能力：导航接收机硬件和软件设计原理、高精度定位方法和数据处理、惯性导航原理及应用、组合导航等。本专业理论性和实践性要求都比较高，通过建立导航工程专业实验室，提供培养和锻炼学生的动手实践能力和学生的创新意识，基于这种客观需求，我院对建设全球定位与导航实验室的模式进行了探索和实践，该实验室的建设将我校的北斗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。

一、实验室建设方案概述

导航实验室由模块化结构设计、二次开发平台与创新应用开发平台等组成[3]，分别建立了“导航原理实验室”“多系统融合实验室”和“惯性导航实验室”等专业实验教学平台。实验设备有：卫星导航接收机终端、惯性导航平台、高精度接收机、导航应用平台和组合导航开发板等。实验室的建设不仅为学生提供了丰富的实验教学平台，也为教师提供了很好的科研和教学研究平台。

二、实验设备简介

（一）卫星导航接收机终端

卫星导航（Satellite Navigation-SN）接收机终端系统由天线、下变频、A/D转换、FPGA、DSP和上位机等组成，见图1所示。用于卫星导航原理相关课程的教学，可以在开发平台上验证接收机捕获、跟踪和定位解算等算法，并对这个过程中的数据及参数进行控制和监视。

（二）惯性导航实验教学平台

惯性导航平台系统由航姿模块、电动转台、电动转台控制器和工控机组成，见图2所示：左边的是航姿模块3DM-E10A和双轴电动转台TT-3DM-2E-10，中间的是双轴电动转台控制器，右边的是工控机。3DM-E10A含三种类型的傳感器，其中三轴陀螺用于测量物体三个方向上的绝对角速率;三轴加速度计用于测量三个方向的加速度;三轴磁强计测量三维地磁强度;TT-3DM-2E-10主要用于采集控制器串行接口连接上位计算机实现测量控制;双轴电动控制器用于对TT-3DM-2E-10的测量和控制。

惯性导航平台系统用于惯性导航原理及应用的教学，可以了解航向姿态参考系统（AHRS）及其内部微惯性传感器、加速度计、陀螺仪测量与标度因数、加速度计测倾角、磁传感三轴电子罗盘。利用3DM惯性实现平台，实现惯导采集、陀螺测量与姿态计算，模拟飞机航行与姿态控制。

（三）高精度接收机

高精度接收机系统主要由高精度接收机硬件和软件组成，外观如图3所示，用于GNSS测量与数据处理课程的教学，主要输出原始观测数据结合RTKLIB软件对相对的原理及理论进行研究和学习。

（四）卫星导航应用平台

卫星导航应用平台系统由GNSS定位模块、GPRS模块、蓝牙模块、wifi模块等组成，实验开发板接口如图4所示。结合惯性导航原理及应用主要用于多系统融合技术的教学，可以针对不同的应用场景对定位信息提取，完成相关应用研究和开发。

三、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[4]。

（一）卫星导航及原理实验

实验内容包括：绘制卫星轨道、模拟运动卫星、生成C/A码、GPS接收机捕获、接收机卫星信号采集与捕获分析、GPS/BD2接收机选择参与定位选星及接收机模块定位信息获取等。通过这些实验，学生可以通过matlab了解卫星轨道运行、模拟运动卫星;可以掌握生成C/A码方法和了解GPS接收机捕获过程;可以掌握GPS/BD2接收机硬件平台的使用方法;可以修改ARM和FPGA部分代码，从而理解接收机工作原理;可以认识GPS或BD2接收模块的NMEA-0183格式信息。

1. 绘制卫星轨道和模拟卫星运动的实验

利用Matlab软件，在掌握卫星轨道基本参数和坐标转换方法和公式的基础上绘制卫星轨道。利用Matlab影像动画功能仿真卫星运动，加深理解卫星各参数的意义及其运动的过程，为后续的实验做好基础准备。

2. GPS接收机捕获实验

利用CA码的特性，用一定的捕获方法，在程序中修改相应的参数值，通过仿真结果来理解GPS捕获程序，掌握离散化、量化和C/A码等生成函数。1号星的功率谱密度如图5所示，捕获结果如图6所示，非相關积分和相关积分结果如图7所示。

3. GPS/BD2接收机参与定位选星实验

GNSS卫星导航系统中应用到多种轨道卫星。我国的BDS空间星座由5颗地球静止同步轨道卫星（GEO）、27颗中地球轨道卫星（MEO）和3颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）组成[5]。在此实验中通过修改程序限制从第几颗星开始参与捕获，哪几颗星不参与定位计算，从而了解接收机各模块功能，选星结果上位机显示如图8所示。

4. GPS/BD2接收机模块定位信息获取

此实验的目的是通过单片机读取接收机模块中的数据，掌握导航协议数据格式，实验硬件设备外观如图9所示，结构框图如图10所示，实验结果如图11所示。通过此实验学生在真实设备、真实卫星信号环境下，通过编写程序进行实验，加深对测距原理、测量误差、信号传输误差、精度因子（DOP）、多普勒（Doppler）频移等概念或原理的理解，掌握卫星位置和DOP计算方法[6]。

整个实验从卫星发射信号到射频，经A/D转换进入FPGA进行基带处理（捕获和跟踪），最后位置定位解算，通过这些实验让学生掌握GPS/BD2接收机的整个工作流程。

（二）多系统融合实验

实验内容包括：GPS信息获取;组合导航选星;GNSS定位信息处理;陀螺仪、重力加速度参数读取;单片机编程定位显示信息;GPS/GPRS组合定位;GPS与地图匹配;GPS/INS组合导航等八个实验，以下选取部分实验进行简介。

1. 陀螺仪、重力加速度参数获取

在硬件航向姿态参考系统、双轴电动转台、采集控制器和计算机环境支持下利用matlab和AHRS用户软件编程测试陀螺仪和加速度计的核心参数，分析测得的参数并理解他们的含义和意义。

2. GPS/GPRS组合实验

利用GPRS/GNSS综合开发实验箱软硬件，在熟悉导航协议数据格式的情况下，更改单片机内程序，利用SIM900A 模块发送定位短信到相应的手机上，体会GPS和GPRS组合定位的好处。

3. GPS与地图匹配实验

先利用GPRS/GNSS综合开发实验箱读取位置的定位经纬度信息，如lon=110.331154，lat=25.285717桂林，lon=116.391311，lat=39.905533北京国旗基座的位置;再调用百度地图的相关函数读取百度地图的位置信息并在地图上显示;比较同一经纬度位置在两种方式读取情况下的误差，并分析两者的区别，分析两者的优缺点，从而促使学生理解GPS定位信息与地图匹配的原理。

4. GPS/INS组合导航实验

先通过GPRS/GNSS综合开发实验箱和3DM-E10A惯导传感器采集相关信息并保存;再利用matlab编程读取保存的GPS定位的经度、纬度、高度信息和惯导信息的经度、纬度、高度、角度、加速度等信息;然后修改matlab程序绘制出GPS定位信息化的运动轨迹和惯导信息部分位置的运动轨迹;最后分析绘制出来的轨迹是否正确。通过此实验可以促使学生了解GPS和INS组合导航的方法和好处。