導(dǎo)航工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式探索

符強(qiáng) 任風(fēng)華 趙中華 劉慶華 韋珍艷

摘? 要：導(dǎo)航工程專業(yè)是一門多學(xué)科交叉的新興工程學(xué)科專業(yè)，主要涉及導(dǎo)航基礎(chǔ)理論、導(dǎo)航技術(shù)基本原理與方法、導(dǎo)航傳感器設(shè)備的集成及其應(yīng)用;其中實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中具有舉足輕重的作用，結(jié)合我?！半娮有畔⑻厣钡霓k學(xué)特點(diǎn)和當(dāng)前社會對導(dǎo)航專業(yè)人才的需要，探索了導(dǎo)航工程實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)模式;創(chuàng)建了衛(wèi)星接收機(jī)軟硬件、慣性導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺、高精度定位硬件平臺和相關(guān)軟件等實(shí)驗(yàn)環(huán)境;實(shí)驗(yàn)室為教師培養(yǎng)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等提供了較好的平臺。從效果評價看，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)達(dá)到了導(dǎo)航工程專業(yè)人才培養(yǎng)所需的教學(xué)和實(shí)踐能力要求。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航工程;實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式;實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）09-0050-05

Abstract： Navigation engineering is a new interdisciplinary engineering major， which mainly involve basic navigation theory， basic principles and methods of navigation technology， integration and application of navigation sensor equipment. Experiment plays an important role in the teaching process. The construction mode of navigation engineering laboratory is explored combined with the school-running characteristics of "electronic information characteristics" of our school and the needs of the current society for navigation professionals. The experimental environment of satellite receiver hardware and software， inertial navigation experimental platform， high-precision positioning hardware platform and related software has been established. The laboratory provides a good platform for teacher training， curriculum design and production practice. The laboratory construction has met the teaching and practical ability requirements of navigation engineering personnel training from the effect evaluation.

Keywords： navigation engineering; construction mode of laboratory; practice teaching

2020年6月23日，隨著北斗三號衛(wèi)星的成功發(fā)射，我國北斗系統(tǒng)這張?zhí)炀W(wǎng)正式為全球提供服務(wù)?？梢詾樽詣玉{駛、精確泊車帶來巨大的前景;可以為搶險救災(zāi)、應(yīng)急通信發(fā)揮重大的作用;在這個信息化時代，結(jié)合其他信息技術(shù)，加快人工智能技術(shù)的發(fā)展……，對國民經(jīng)濟(jì)全方位產(chǎn)生顯著的影響[1-2]。國家在北斗應(yīng)用方面急需大量的人才，在導(dǎo)航應(yīng)用中也需要專業(yè)的高科技人才。導(dǎo)航工程專業(yè)是我國高等院校各相關(guān)專業(yè)的一個特色專業(yè)，我校從2016年秋季開始招生，2020年7月培養(yǎng)的第一屆畢業(yè)生即將走向社會，為國家做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。我校導(dǎo)航工程專業(yè)主要培養(yǎng)用戶終端的軟件和硬件設(shè)計(jì)，學(xué)生需要具備有如下基本能力：導(dǎo)航接收機(jī)硬件和軟件設(shè)計(jì)原理、高精度定位方法和數(shù)據(jù)處理、慣性導(dǎo)航原理及應(yīng)用、組合導(dǎo)航等。本專業(yè)理論性和實(shí)踐性要求都比較高，通過建立導(dǎo)航工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，提供培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動手實(shí)踐能力和學(xué)生的創(chuàng)新意識，基于這種客觀需求，我院對建設(shè)全球定位與導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室的模式進(jìn)行了探索和實(shí)踐，該實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)將我校的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究、學(xué)科建設(shè)、實(shí)踐創(chuàng)新、課題研究、研究生和本科生的培養(yǎng)起到重要作用。

一、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案概述

導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室由模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、二次開發(fā)平臺與創(chuàng)新應(yīng)用開發(fā)平臺等組成[3]，分別建立了“導(dǎo)航原理實(shí)驗(yàn)室”“多系統(tǒng)融合實(shí)驗(yàn)室”和“慣性導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室”等專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)終端、慣性導(dǎo)航平臺、高精度接收機(jī)、導(dǎo)航應(yīng)用平臺和組合導(dǎo)航開發(fā)板等。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不僅為學(xué)生提供了豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，也為教師提供了很好的科研和教學(xué)研究平臺。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡介

（一）衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)終端

衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite Navigation-SN）接收機(jī)終端系統(tǒng)由天線、下變頻、A/D轉(zhuǎn)換、FPGA、DSP和上位機(jī)等組成，見圖1所示。用于衛(wèi)星導(dǎo)航原理相關(guān)課程的教學(xué)，可以在開發(fā)平臺上驗(yàn)證接收機(jī)捕獲、跟蹤和定位解算等算法，并對這個過程中的數(shù)據(jù)及參數(shù)進(jìn)行控制和監(jiān)視。

（二）慣性導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

慣性導(dǎo)航平臺系統(tǒng)由航姿模塊、電動轉(zhuǎn)臺、電動轉(zhuǎn)臺控制器和工控機(jī)組成，見圖2所示：左邊的是航姿模塊3DM-E10A和雙軸電動轉(zhuǎn)臺TT-3DM-2E-10，中間的是雙軸電動轉(zhuǎn)臺控制器，右邊的是工控機(jī)。3DM-E10A含三種類型的傳感器，其中三軸陀螺用于測量物體三個方向上的絕對角速率;三軸加速度計(jì)用于測量三個方向的加速度;三軸磁強(qiáng)計(jì)測量三維地磁強(qiáng)度;TT-3DM-2E-10主要用于采集控制器串行接口連接上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)測量控制;雙軸電動控制器用于對TT-3DM-2E-10的測量和控制。

慣性導(dǎo)航平臺系統(tǒng)用于慣性導(dǎo)航原理及應(yīng)用的教學(xué)，可以了解航向姿態(tài)參考系統(tǒng)（AHRS）及其內(nèi)部微慣性傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀測量與標(biāo)度因數(shù)、加速度計(jì)測傾角、磁傳感三軸電子羅盤。利用3DM慣性實(shí)現(xiàn)平臺，實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)采集、陀螺測量與姿態(tài)計(jì)算，模擬飛機(jī)航行與姿態(tài)控制。

（三）高精度接收機(jī)

高精度接收機(jī)系統(tǒng)主要由高精度接收機(jī)硬件和軟件組成，外觀如圖3所示，用于GNSS測量與數(shù)據(jù)處理課程的教學(xué)，主要輸出原始觀測數(shù)據(jù)結(jié)合RTKLIB軟件對相對的原理及理論進(jìn)行研究和學(xué)習(xí)。

（四）衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用平臺

衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用平臺系統(tǒng)由GNSS定位模塊、GPRS模塊、藍(lán)牙模塊、wifi模塊等組成，實(shí)驗(yàn)開發(fā)板接口如圖4所示。結(jié)合慣性導(dǎo)航原理及應(yīng)用主要用于多系統(tǒng)融合技術(shù)的教學(xué)，可以針對不同的應(yīng)用場景對定位信息提取，完成相關(guān)應(yīng)用研究和開發(fā)。

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)及部分實(shí)例介紹

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)三大類型[4]。

（一）衛(wèi)星導(dǎo)航及原理實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：繪制衛(wèi)星軌道、模擬運(yùn)動衛(wèi)星、生成C/A碼、GPS接收機(jī)捕獲、接收機(jī)衛(wèi)星信號采集與捕獲分析、GPS/BD2接收機(jī)選擇參與定位選星及接收機(jī)模塊定位信息獲取等。通過這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過matlab了解衛(wèi)星軌道運(yùn)行、模擬運(yùn)動衛(wèi)星;可以掌握生成C/A碼方法和了解GPS接收機(jī)捕獲過程;可以掌握GPS/BD2接收機(jī)硬件平臺的使用方法;可以修改ARM和FPGA部分代碼，從而理解接收機(jī)工作原理;可以認(rèn)識GPS或BD2接收模塊的NMEA-0183格式信息。

1. 繪制衛(wèi)星軌道和模擬衛(wèi)星運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)

利用Matlab軟件，在掌握衛(wèi)星軌道基本參數(shù)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法和公式的基礎(chǔ)上繪制衛(wèi)星軌道。利用Matlab影像動畫功能仿真衛(wèi)星運(yùn)動，加深理解衛(wèi)星各參數(shù)的意義及其運(yùn)動的過程，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

2. GPS接收機(jī)捕獲實(shí)驗(yàn)

利用CA碼的特性，用一定的捕獲方法，在程序中修改相應(yīng)的參數(shù)值，通過仿真結(jié)果來理解GPS捕獲程序，掌握離散化、量化和C/A碼等生成函數(shù)。1號星的功率譜密度如圖5所示，捕獲結(jié)果如圖6所示，非相關(guān)積分和相關(guān)積分結(jié)果如圖7所示。

3. GPS/BD2接收機(jī)參與定位選星實(shí)驗(yàn)

GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用到多種軌道衛(wèi)星。我國的BDS空間星座由5顆地球靜止同步軌道衛(wèi)星（GEO）、27顆中地球軌道衛(wèi)星（MEO）和3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）組成[5]。在此實(shí)驗(yàn)中通過修改程序限制從第幾顆星開始參與捕獲，哪幾顆星不參與定位計(jì)算，從而了解接收機(jī)各模塊功能，選星結(jié)果上位機(jī)顯示如圖8所示。

4. GPS/BD2接收機(jī)模塊定位信息獲取

此實(shí)驗(yàn)的目的是通過單片機(jī)讀取接收機(jī)模塊中的數(shù)據(jù)，掌握導(dǎo)航協(xié)議數(shù)據(jù)格式，實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備外觀如圖9所示，結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。通過此實(shí)驗(yàn)學(xué)生在真實(shí)設(shè)備、真實(shí)衛(wèi)星信號環(huán)境下，通過編寫程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加深對測距原理、測量誤差、信號傳輸誤差、精度因子（DOP）、多普勒（Doppler）頻移等概念或原理的理解，掌握衛(wèi)星位置和DOP計(jì)算方法[6]。

整個實(shí)驗(yàn)從衛(wèi)星發(fā)射信號到射頻，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入FPGA進(jìn)行基帶處理（捕獲和跟蹤），最后位置定位解算，通過這些實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握GPS/BD2接收機(jī)的整個工作流程。

（二）多系統(tǒng)融合實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：GPS信息獲取;組合導(dǎo)航選星;GNSS定位信息處理;陀螺儀、重力加速度參數(shù)讀取;單片機(jī)編程定位顯示信息;GPS/GPRS組合定位;GPS與地圖匹配;GPS/INS組合導(dǎo)航等八個實(shí)驗(yàn)，以下選取部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡介。

1. 陀螺儀、重力加速度參數(shù)獲取

在硬件航向姿態(tài)參考系統(tǒng)、雙軸電動轉(zhuǎn)臺、采集控制器和計(jì)算機(jī)環(huán)境支持下利用matlab和AHRS用戶軟件編程測試陀螺儀和加速度計(jì)的核心參數(shù)，分析測得的參數(shù)并理解他們的含義和意義。

2. GPS/GPRS組合實(shí)驗(yàn)

利用GPRS/GNSS綜合開發(fā)實(shí)驗(yàn)箱軟硬件，在熟悉導(dǎo)航協(xié)議數(shù)據(jù)格式的情況下，更改單片機(jī)內(nèi)程序，利用SIM900A 模塊發(fā)送定位短信到相應(yīng)的手機(jī)上，體會GPS和GPRS組合定位的好處。

3. GPS與地圖匹配實(shí)驗(yàn)

先利用GPRS/GNSS綜合開發(fā)實(shí)驗(yàn)箱讀取位置的定位經(jīng)緯度信息，如lon=110.331154，lat=25.285717桂林，lon=116.391311，lat=39.905533北京國旗基座的位置;再調(diào)用百度地圖的相關(guān)函數(shù)讀取百度地圖的位置信息并在地圖上顯示;比較同一經(jīng)緯度位置在兩種方式讀取情況下的誤差，并分析兩者的區(qū)別，分析兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，從而促使學(xué)生理解GPS定位信息與地圖匹配的原理。

4. GPS/INS組合導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)

先通過GPRS/GNSS綜合開發(fā)實(shí)驗(yàn)箱和3DM-E10A慣導(dǎo)傳感器采集相關(guān)信息并保存;再利用matlab編程讀取保存的GPS定位的經(jīng)度、緯度、高度信息和慣導(dǎo)信息的經(jīng)度、緯度、高度、角度、加速度等信息;然后修改matlab程序繪制出GPS定位信息化的運(yùn)動軌跡和慣導(dǎo)信息部分位置的運(yùn)動軌跡;最后分析繪制出來的軌跡是否正確。通過此實(shí)驗(yàn)可以促使學(xué)生了解GPS和INS組合導(dǎo)航的方法和好處。

四、結(jié)束語

目前實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)基本建成，有力地支撐了學(xué)院在衛(wèi)星導(dǎo)航方向的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)施等教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)。積極自主開發(fā)導(dǎo)航定位實(shí)驗(yàn)新內(nèi)容及應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品，使實(shí)驗(yàn)室發(fā)揮功能最大化、效益最大化，實(shí)驗(yàn)室的建立實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)踐與社會現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合，根據(jù)導(dǎo)航工程專業(yè)的教學(xué)要求結(jié)合工程實(shí)踐設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，涵蓋衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)各方面的原理及應(yīng)用，可以很好地幫助學(xué)生理解衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理，提高學(xué)生在衛(wèi)星導(dǎo)航專業(yè)實(shí)際應(yīng)用能力，真正做到讓學(xué)生成為懂原理、懂技術(shù)的使用者。本實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不僅能為衛(wèi)星導(dǎo)航科研機(jī)構(gòu)培養(yǎng)專業(yè)人才，也能為教師的科研、學(xué)校的衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一個更好的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新平臺。

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