基于RTKLIB軟件的“衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用”課程教學(xué)實(shí)踐

余德熒 李厚樸 程海軍 紀(jì)兵

[摘 要] “衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用”是海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程專業(yè)學(xué)歷教育的核心課程，該課程是導(dǎo)航工程專業(yè)學(xué)員學(xué)習(xí)衛(wèi)星導(dǎo)航知識(shí)與導(dǎo)航學(xué)科其他相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)。針對(duì)“衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用”課程教學(xué)需求，引入專業(yè)GNSS定位軟件RTKLIB，對(duì)課程中涉及的實(shí)時(shí)定位解算、后處理分析和可視化分析等典型問(wèn)題進(jìn)行研究，并繪制了相應(yīng)的軌跡圖、星空?qǐng)D、殘差圖和各類參數(shù)變化圖等圖像，使抽象、枯燥的教學(xué)內(nèi)容以形象、直觀的方式展示出來(lái)。教學(xué)實(shí)踐表明，RTKLIB軟件的應(yīng)用不僅促進(jìn)了學(xué)員對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的理解，而且提高了學(xué)員的實(shí)踐創(chuàng)新能力，取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 衛(wèi)星導(dǎo)航;全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng);教學(xué)實(shí)踐;開源程序包

[基金項(xiàng)目] 2017年度國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“空間地圖投影計(jì)算機(jī)代數(shù)精密分析研究”（41771487）;2019年度國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“海上劃界和北極航線專用海圖及其法理應(yīng)用研究”（41971416）;2019年度湖北省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目“地圖海圖投影計(jì)算機(jī)代數(shù)精密分析研究”（2019CFA086）

[作者簡(jiǎn)介] 余德熒（1998—），男，廣東潮州人，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院2020級(jí)控制科學(xué)與工程專業(yè)碩士研究生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航;李厚樸（1985—），男，山東鄆城人，博士，海軍工程大學(xué)控制工程教研室副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航研究;程海軍（1981—），男，遼寧朝陽(yáng)人，碩士，海軍工程大學(xué)教務(wù)處講師，主要從事教學(xué)管理和衛(wèi)星導(dǎo)航研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）37-0089-04? ? [收稿日期] 2021-04-15

一、引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅是國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，也是體現(xiàn)現(xiàn)代化大國(guó)地位和國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。衛(wèi)星導(dǎo)航為民用領(lǐng)域帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)今社會(huì)，衛(wèi)星導(dǎo)航已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大發(fā)動(dòng)機(jī)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)已成為重要的基礎(chǔ)。軍事應(yīng)用歷來(lái)是衛(wèi)星導(dǎo)航的重要領(lǐng)域。衛(wèi)星導(dǎo)航可為各種軍事運(yùn)載體導(dǎo)航，已成為武裝力量的支撐系統(tǒng)和倍增器。當(dāng)今世界正面臨一場(chǎng)新軍事革命，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為一個(gè)功能強(qiáng)大的軍事傳感器，已經(jīng)成為天戰(zhàn)、遠(yuǎn)程作戰(zhàn)、導(dǎo)彈戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)及導(dǎo)航戰(zhàn)的重要武器[1]?！靶l(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用”是我校導(dǎo)航工程專業(yè)學(xué)歷教育的核心課程，該課程是導(dǎo)航工程專業(yè)學(xué)員學(xué)習(xí)衛(wèi)星導(dǎo)航知識(shí)與導(dǎo)航學(xué)科其他相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)[2]。鑒于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有較強(qiáng)的民用價(jià)值和軍事意義，該課程被大學(xué)列為導(dǎo)航工程專業(yè)必修課程和其他專業(yè)選修課程[3]。

該課程主要講授衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用、衛(wèi)星導(dǎo)航常用坐標(biāo)與時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星軌道理論、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成、定位原理、定位性能、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)及衛(wèi)星導(dǎo)航新技術(shù)與展望等內(nèi)容[4，5]。由于涉及導(dǎo)航電文、觀測(cè)數(shù)據(jù)、星歷、鐘差、衛(wèi)星可見性、精度因子、信噪比、多路徑、截止高度角等許多復(fù)雜抽象的概念和實(shí)時(shí)定位解算、后處理分析、可視化分析等大量枯燥煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，傳統(tǒng)上僅依賴于教員課堂語(yǔ)言描述結(jié)合板書的教學(xué)方法，不僅講授難度較大，而且由于不能直觀展示衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行情況，對(duì)學(xué)員的空間想象能力要求較高，常常造成學(xué)員理解上的困難，甚至使其產(chǎn)生厭煩情緒，教學(xué)效果不佳。

計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析處理軟件因其便捷性與生動(dòng)性，近年來(lái)在專業(yè)課程教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用[6-8]。為了豐富教學(xué)手段，近年來(lái)課程組將開源程序包RTKLIB（Open Source Program Package）軟件引入“衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用”課程教學(xué)中，制作了許多形象生動(dòng)的圖像，把適合動(dòng)態(tài)演示的內(nèi)容直觀地展示出來(lái)，并通過(guò)軟件操作實(shí)踐，極大地激發(fā)了學(xué)員學(xué)習(xí)的興趣，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性。

二、RTKLIB軟件簡(jiǎn)介

RTKLIB是日本東京海洋大學(xué)Tokyo University of Marine Science and Technology開發(fā)的一個(gè)開源程序包，用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和精確定位，內(nèi)置詳細(xì)的參數(shù)調(diào)整功能，可以設(shè)置定位方式，可以設(shè)置星歷，可以查看衛(wèi)星數(shù)據(jù)，讓用戶可以更方便地執(zhí)行定位標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置[9]。RTKLIB由一個(gè)可移植的程序庫(kù)和幾個(gè)利用該庫(kù)的應(yīng)用程序組成，擁有很多工具，支持AP啟動(dòng)器、實(shí)時(shí)定位、通信服務(wù)器、后處理分析、RINEX轉(zhuǎn)換器、繪制解決方案和觀察數(shù)據(jù)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)下載、NTRIP瀏覽器等功能，滿足用戶對(duì)定位的需求。RTKLIB 2.4.2應(yīng)用程序啟動(dòng)器基本界面如圖1所示。

三、RTKLIB教學(xué)實(shí)例

（一）RTKNAVI實(shí)時(shí)定位解算

衛(wèi)星導(dǎo)航的基本作用是向各類用戶和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確、連續(xù)的位置、速度和時(shí)間信息。導(dǎo)航的核心是定位。實(shí)時(shí)定位是根據(jù)接收機(jī)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地解算出接收機(jī)天線所在的位置。利用RTKLIB的RTKNAVI軟件，輸入GPS/GNSS接收機(jī)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和星歷信息，配置輸入、輸出和日志流等，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航處理。

RTKNAVI設(shè)置如圖2（a）所示。各項(xiàng)內(nèi)容設(shè)置完畢，點(diǎn)擊“Start”按鈕開始運(yùn)行。解算后的實(shí)時(shí)定位結(jié)果如圖2（b）所示。由圖2（b）可以看出，GPS的定位結(jié)果為北緯35°43′08.2300″，東經(jīng)138°27′02.1531″，高程367.430m，N方向的定位偏差為0.004m，E方向的定位偏差為0.004m，U方向的定位偏差為0.012m，14號(hào)星未被使用，21號(hào)星等待連接，9、12、15、18、22、26、27、30號(hào)星已連接。

通過(guò)RTKLIB的RTKNAVI實(shí)時(shí)定位解算，學(xué)員可以直接地觀察經(jīng)緯度、高程、N/E/U方向的定位偏差、衛(wèi)星運(yùn)行情況和流動(dòng)站信噪比等導(dǎo)航定位信息隨時(shí)間的變化情況，從而加深他們對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位的理解。