衛(wèi)星導(dǎo)航差分定位實踐教學(xué)研究

蘇偉斌 李厚樸 紀(jì)兵

摘要：針對“衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用”課程教學(xué)需求，實驗室引入基準(zhǔn)站流動站硬件設(shè)施，對課程中涉及的差分定位，進行全套流程操作教學(xué)，使單調(diào)的教學(xué)內(nèi)容以具體的方式展示出來。教學(xué)實踐表明，實踐教學(xué)極大地提升了學(xué)員的學(xué)習(xí)自主性和動手能力，在數(shù)據(jù)分析的過程中也對數(shù)據(jù)處理能力進行了鍛煉，教學(xué)效果顯著。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航；差分定位；教學(xué)實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）47-0140-02

一、引言

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展如今已經(jīng)滲透進了人類世界的方方面面，影響著人們的日常生活。在衛(wèi)星定位過程中，定位精度受到各方面因素的影響。為了解決這一問題，差分定位技術(shù)出現(xiàn)并迅速發(fā)展，其利用衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、信號傳播電離層延遲和對流層延遲四種誤差的相關(guān)性，通過建立差分系統(tǒng)，削弱誤差的影響，從而獲得移動站的精確位置[1-2]。

在高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位教學(xué)中，應(yīng)用廣泛的載波相位差分技術(shù)是很重要的一部分，但基于客觀原因，往往存在于口頭式、抽象式的闡述，學(xué)員只能對其原理有個模糊的印象，且理解費勁，無法真正讓學(xué)員切實體會到差分定位的優(yōu)勢。在如今的專業(yè)課教學(xué)中，對概念的掌握已經(jīng)不再滿足于崗位的需要，尤其在當(dāng)前全軍院校所倡導(dǎo)的“實戰(zhàn)化教學(xué)”大背景下，課程組尤其關(guān)注學(xué)員對儀器的操作能力、對數(shù)據(jù)的處理能力以及對統(tǒng)計結(jié)果的分析能力，這些才是戰(zhàn)場上所需要的“硬本領(lǐng)”[3-4]。

二、教學(xué)思路

在差分定位教學(xué)中，教員首先帶領(lǐng)學(xué)員了解高精度差分定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，了解課題研究的背景及研究意義，接下來重點對差分定位技術(shù)原理、組成和應(yīng)用進行深入學(xué)習(xí)，并利用實驗室相應(yīng)設(shè)備指導(dǎo)學(xué)員開展差分定位實驗，培養(yǎng)軟硬件的操作、數(shù)據(jù)處理能力，最后根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行討論分析。

實驗流程如圖1所示。

三、教學(xué)實施

1.實驗儀器及配置。實驗儀器包括CORS機、流動站、DTU、測量天線、數(shù)據(jù)連接線若干，如圖2所示。

使用計算機的串口配置軟件，對CORS機和DTU進行配置。對CORS機的配置主要為衛(wèi)星電文（GPS電文1074、GLONASS電文1084、北斗電文1124），差分?jǐn)?shù)據(jù)輸出模式；對DTU主要設(shè)置中心站地址和端口號。最后架設(shè)天線，連接DTU與CORS機，完成CORS基站的建設(shè)，實現(xiàn)差分信號播發(fā)。此處重點培養(yǎng)學(xué)員對配置軟件的操作能力。

流動站與基準(zhǔn)站連接成功后，將流動站放置于開闊地帶，待鎖定衛(wèi)星成功后，在手簿上點擊狀態(tài)即可顯示定位結(jié)果、星空圖、衛(wèi)星表和信噪比等各項參數(shù)，如圖3所示。實時、直觀、動態(tài)、準(zhǔn)確的信息和衛(wèi)星數(shù)據(jù)遠比在課堂上的口頭教學(xué)更讓學(xué)員容易接受。

2.實時靜態(tài)定位性能測試對比。固定流動站至開闊地帶靜置，分別進行差分模式下與非差分模式下的實時靜態(tài)定位性能測試。引導(dǎo)學(xué)員對兩者的可見星數(shù)、精度值、DOP值進行觀測，并通過手簿軟件采集數(shù)據(jù)，采集完畢后數(shù)據(jù)可通過Excel、Matlab等方式導(dǎo)出。此時需要教員引導(dǎo)學(xué)員對各采集值的均方根值、均方根誤差、標(biāo)準(zhǔn)差進行統(tǒng)計與分析，了解其含義并繪制圖表觀察其數(shù)據(jù)大小及波動變化狀況。既培養(yǎng)學(xué)員的數(shù)據(jù)處理能力，通過圖表也可以直觀地反映出差分定位的優(yōu)勢。

由于篇幅限制，本文僅展示實驗中HRMS（平面精度）的對比。結(jié)果分析如表1、圖4所示：

由表1、圖4可以看出：在靜態(tài)實驗中，HRMS在差分解下基本無波動，在無差分信號時存在較明顯波動；非差分模式下HRMS值都比差分模式下大，體現(xiàn)出差分模式下定位精度更高。

3.實時動態(tài)定位性能測試對比。將接收機固定在移動介質(zhì)，在動態(tài)模式下分別進行差分與非差分下的連續(xù)采點，并對數(shù)據(jù)進行相同的處理。此處重點培養(yǎng)學(xué)員的動手實操能力以及團結(jié)協(xié)作配合能力，包括儀器的架設(shè)、數(shù)據(jù)的采集等工作都需要學(xué)員之間的互相配合。采集結(jié)束后，手簿軟件可將每一個采集點在地圖上顯示出來。結(jié)果分析如表2、圖5所示：

由表2、圖5可以看出：在動態(tài)實驗中，HRMS均存在波動，但非差分解下波動更加劇烈，起伏更大；非差分模式HRMS值普遍比差分模式下大，體現(xiàn)出差分定位的優(yōu)勢。

四、結(jié)束語

在差分定位實踐教學(xué)過程中，還應(yīng)該注意以下幾點：（1）為提高實驗效率，靜態(tài)實驗可與動態(tài)實驗同步進行；（2）實驗地點應(yīng)選擇盡量空曠的場地，保持良好衛(wèi)星可見性；（3）實驗過程中愛護設(shè)備，注意人員安全，教員全程跟進指導(dǎo)，及時對實驗中出現(xiàn)的問題進行指正；（4）在對基準(zhǔn)站與流動站的配置過程中，還可以將實時差分?jǐn)?shù)據(jù)通過串口用計算機軟件采集，使學(xué)員對差分?jǐn)?shù)據(jù)的格式和差分定位的解算有更深入的理解。

參考文獻：

[1]楊杰，張凡.高精度GPS差分定位技術(shù)比較研究[J].移動通信，2014，（2）：54-58.

[2]邊少鋒，紀(jì)兵，李厚樸.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概論[M].第2版.北京：測繪出版社，2016：162-164.

[3]閆民，張作前，劉俊瀛.推進軍隊院校任職教育應(yīng)突出特色發(fā)展[J].繼續(xù)教育，2013，（7）：59-61.

[4]孔巧麗，韓李濤，劉智敏，郭金運.GNSS實驗室儀器設(shè)備信息化管理設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2015，（6）：236-239.