北斗/GPS卫星导航综合实验平台

通过实验揭示北斗/GPS接收机内部核心技术

大中专院校卫星导航类实验室工具

一、概述

   随着我国北斗卫星导航产业的发展，许多院校已经认识到掌握卫星导航相关知识的重要性，相继开设了卫星导航相关专业课程。但由于涉及到的相关知识比较多，包括无线通信、射频、电子电路、计算机原理、基带算法、地理信息等课程，课程中的知识相对都比较抽象，学习和理解起来会相对枯燥而吃力。BGE2200A北斗/GPS综合实验系统为学生提供开放式的实验平台，使学生在真实设备、真实卫星信号环境下，亲自动手进行实验和编程，真正的了解卫星导航原理和实现，为今后工作奠定理论基础、积累实践经验。

二、系统功能 

   BGE2200A北斗/GPS综合实验箱除卫星导航定位、授时等基本功能外，还设计了惯性测量组合及通讯等模块，适用于通信、电子、信息、测量测绘、自动控制、导航、环境监测、交通运输、城市规划、物联网等专业的相关教学实验和实训使用。

BGE220A综合实验平台，为学生提供开放式的实验环境，使学生在真实设备、真实卫星信号环境下，亲自动手进行实验和编程，理解单向测距原理，掌握GPS测量误差和信号传输误差特性，掌握实时GPS卫星轨道计算方法，理解DOP的物理意义、掌握其计算方法及应用特性，掌握GPS卫星位置及Doppler频移的预测方法等接收机核心技术，理解惯导器件组成，以及工作原理和特性，同时与卫星导航定位进行组合定位的意义，掌握GPRS的工作原理，理解无线通讯在未来物联网等领域应用的实际意义。

    通过实验，使学生加深对GNSS、惯导、GPRS系统结构、工作原理、工作过程的理解，掌握GNSS接收机核心算法和导航解算过程。提供开源代码程序，让学生更深入的理解和掌握卫星导航算法中的精髓，同时也是为一些二次开发提供了算法支持。

 三、 系统配置 

1. 实验箱内置主要组件 

 ◆ GNSS天线： 用于接收北斗/GPS卫星信号；

 ◆ GNSS接收板： 用于对GPS和北斗卫星信号进行实时基带信号处理，并提供相应的原始数据，为各种教学实验做准备；

 ◆ GPRS模块及天线： 用于提供 GSM 信息收发功能；

 ◆ 蓝牙模块： 用于和安卓平板电脑或手机通讯；

 ◆ 惯导组件： 用于提供惯性原始数据及载体姿态信息；

 ◆ 控制器： 用于通讯与协调等；

 ◆ 触摸显示屏： 用于实验功能切换、显示实验数据及结果等功能。. 

2.外部配置组件

 ◆ 安卓平板电脑： 用于显示平台提供的解算结果，比如 GPS 定位，北斗定位结果，载体姿态测量结果等；

 ◆ 通用计算机系统： 用于实验平台软件运行，完成解算、显示、仿真等操作（选购）；

 ◆ 433M无线电台： 用于接收发送差分信号和通讯；

 ◆ GNSS卫星信号转发器： 用于转发放大外部GNSS接收天线的卫星信号；

 ◆ GNSS卫星信号模拟器： 用于模拟卫星信号（选购）；

 ◆ GNSS参考基准站： 用于提供RTCM2.3和RTCM3.0差分信号。 

测试中的北斗GPS实验箱

3.软件界面：C语言编写的北斗GPS软件应用界面，

                        软件界面内容

4.实验箱技术指标和参数：

  1 GNSS天线：用于接收多模多频卫星信号；

GPS L1/L2、GLONASS L1/L2、BDS B1/B2/B3

2 GNSS接收板卡：提供卫星基带信号处理、原始数据及标准语句等；

• 单点定位精度：1.5m （RMS）；

• SBAS精度：0.6m （RMS）；

• 差分定位精度：0.02 m （RMS）

• 授时精度： 20ns

• 信号跟踪： 冷启动：<50s ；

• 温启动：<30s ； 热启动：<15s ；

• 信号重捕获 ：<2s

• GNSS差分定位≤0.02米

3 GPRS模块：提供 GSM 信息收发功能；

• 工作频率：GSM850M、EGSM900M、DCS1800M、PCS1900M，自动搜索

• SIM卡接口：支持1.8/3V SIM卡

• 发射功率：2W（GSM850M、EGSM900M）1W（DCS1800M、PCS1900M）

• 内置天线

 4 无线电台模块：接收差分数据；

工作频率433M，发射功率1W，波特率9600bps，

5 蓝牙模块：连接平板电脑或移动设备，如手机等；

符合标准IEEE802.15，工作频率2.4GHz，带宽为1Mb/s。

6惯导测量单元：提供惯性测量原始数据及载体姿态信息；

• 速率陀螺测量范围： ±2000°/sec

• 速率陀螺零偏稳定性：±0.2°/sec

• 加速度计测量范围：±2g

• 加速度计零偏稳定性：±0.003 (±2g)g

• 加速度计非线性：0.2 %

7 控制器：实验箱主控制测量设备；

32位Cortex-M3内核+高速FPGA

8触摸显示屏：实验功能切换、显示实验数据及结果等；

• 5寸电容式触摸屏；

• FPGA纯硬件读写刷屏；

• 16位真彩色RGB显示（64K）；

9 电源及接口：

Ÿ 电源电压：12VDC

Ÿ 负载电流：<2A

其它配置设备（实验箱之外的配置）

 1 高精度GNSS天线：用于接收多模多频卫星信号；

• 增益32dB

• GPS L1/L2；GLONASS G1/G2；BEIDOU2 B1/B2/B3；GALILEO E1

2 GNSS卫星信号转发器：转发放大外部GNSS接收天线的卫星信号。

Ÿ 接收和发射频率：GPS :L1:1575.42±10MHz；L2: 1227.60±10MHz；GLONASS:L1:1602±10MHz；BD2:B1:1561.098±10MHz；B2:1207.14 MHz±10MHz；B3: 1268.52 MHz±10MHz；

Ÿ 驻波：≤1.5：1

Ÿ 噪声系数：≤1.5dB

Ÿ 接收电路增益：32±2dB

Ÿ 发射电路增益：26±2dB

Ÿ 极化方式：右旋圆极化

Ÿ 电压：12VDC

Ÿ 电流：≤100mA

Ÿ 电缆线长度：30M（可变）

 3 GNSS参考基准站：向实验箱提供差分信号，配合高精度定位实验。

Ÿ 信号跟踪：120通道，GPS L1C/A码L1/L2 P码， BDS B1/B2  I支路C码 GLONASS L1；SBAS: WAAS,EGNOS,MSAS；Galileo可选

Ÿ 精度指标（GNSS）：定位精度：水平：±(2.5 +1×10-6×D)mm，垂直：±(5 + 1×10-6×D)mm

Ÿ RTK初始化：时间<10s ，初始化可靠性 > 99.9%

Ÿ 冷启动：<50s ； 温启动：<30s ； 热启动：<15s ；信号重捕获 ：<2s

Ÿ 数据格式：CMR/CMR+，RTCM2.3，RTCM3.x 等；

Ÿ 射频接口：TNC

Ÿ 电源电压：12V

Ÿ 通讯接口：RS232(可转接标准以太网)

Ÿ 数据更新率：差分数据输出：1Hz

4 安卓平板电脑：显示测量数据、实验界面及解算结果等。

5 通用计算机系统：用于实验平台软件运行，完成

五、北斗GPS卫星导航教学实验箱实验内容：

1. 基本实验 

 实验一 空间卫星观测

  实验二 北斗/GPS数据采集与解析

  实验三 实时卫星坐标计算

  实验四 接收机高精度定位和测速

  实验五 定位精度因子 DOP 值

  实验六 电离层、对流层、时钟误差计算

  实验七 载体惯性姿态测量

  实验八 GSM 实验 

 2. 扩展实验 

  实验一 计算北斗/GPS卫星三维位置

  实验二 计算卫星信号多普勒频率

  实验三 计算卫星信号经过电离层/大气层产生的延时误差

  实验四 计算导航定位几何精度因子

  实验五 预测可视卫星在轨道上的位置和多普勒频移

  实验六 计算接收机ECEF坐标系内的位置、时间

  实验七 ECEF坐标系与WGS84坐标系坐标变换编程实验

  实验八 UTC时间与本地时间变换编程实验

 3. 增强实验 

  实验一 计算机平台应用程序开发实验

  实验二 安卓平台APP开发实验

  实验三 通信模块应用实验（无线电台/GPRS）

  实验四 差分站通信及差分信息获取实验

  实验五 高精度RTK定位实验

  实验六 GNSS-INS组合导航基础实验

  实验七 定位结果分析与比较实验 

 六、卫星导航教学实验设备的安装配置

设备安装示意图

配置建议： 

   可根据经费和实验室的大小来配置实验系统套数，实验室也可以分期建设，逐步配置齐全。