卫星导航接收机原理教学实验系统和方法

摘要

一种卫星导航接收机原理教学实验系统，包括卫星导航接收装置和与其连接并显示该接收装置内部数据和运算过程的显示装置。本卫星导航接收机原理教学实验系统能够为学生提供开放式的实验环境，使学生能够在真实设备、真实卫星信号环境下，将卫星导航接收机的内部数据和运算过程输出显示，通过实验操作、数据分析、算法实现、软件编程，理解并掌握卫星导航单向测距原理，掌握卫星导航测量误差和信号传输误差特性，掌握实时导航卫星轨道计算方法，理解DOP的物理意义、掌握其计算方法及应用特性，掌握导航卫星位置及多普勒频移的预测方法等接收机核心技术。本发明还提供一种采用上述卫星导航接收机原理教学实验系统的实验方法。

说明书

技术领域

本发明属于卫星导航领域，特别是一种卫星导航接收机原理教学实验系统和方法。卫星导航接收机工作原理是卫星导航专业教学的核心内容和重要部分。本卫星导航接收机原理教学实验系统是一套集软件和硬件于一体，可以显示、输出卫星导航接收机内部中间信息，为掌握卫星导航接收机内部工作原理而提供的教学实验系统，适合于卫星导航领域教学、科研、接收机开发、接收机芯片设计、卫星完好性监测、应用系统开发等专业人员使用。

背景技术

卫星导航系统是一种通过接收机接收多颗导航卫星信号，接收机根据接收到的卫星信号进行运算得到接收机位置的系统。一般卫星导航系统由分布于不同轨道平面的多颗卫星组成，以保证在任何时间，应用范围内的任何地点都可以接收到多颗卫星的信号，比如对于现在运行的GPS(Global Positioning System全球定位系统)系统，应用范围是全球，要保证全球任何地方、任何时间可以接收到至少四颗卫星的信号。卫星导航接收机就是接收卫星信号，并根据接收到的卫星信号经过运算，得到位置、时间、速度的装置。

图1是卫星导航接收机的组成的原理框图。卫星导航接收机通常由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括天线、射频部分、基带处理。天线将空间中的导航卫星电磁波转变为电信号。射频部分将导航卫星信号放大、下变频、滤波、数模变换，最后输出数字信号。下变频是指将卫星波段的信号(频率一般为1GHz到2GHz)降到几MHz到几十MHz的中频信号，中频信号才可以被进一步做信号处理。滤波部分是一带通滤波器，将带外噪声滤除。数模变换是将经过下变频和滤波后的中频模拟信号变为数字信号，数字信号可以被进一步进行数字信号处理。基带处理一般是数字电路，处理来自射频部分的中频数字信号，主要功能是去掉直扩序列和中频载波。软件部分运行在嵌入式处理器上，根据基带处理部分的结果进行运算，同时写入控制参数到基带处理部分。软件部分由信号处理和解算两部分组成。信号处理软件主要包括卫星信号捕获、跟踪、比特同步、比特信息提取等部分。解算部分主要功能是根据信号处理部分的结果计算得到接收机位置。

卫星导航接收机工作原理是卫星导航专业教学的核心内容和重要部分。目前，还没有专门的用于卫星导航接收机原理教学与实验的设备，卫星导航教学实验一般借助于市场上的卫星导航接收机进行。其不足之处有：1、卫星导航接收机是以应用为目的，只输出最终定位结果，其导航定位内部处理和运算过程全部固化在硬件电路或嵌入式处理器内，无法输出内部中间数据和运算过程；2、无显示输出设备，无法使学生直观的看到内部中间数据和运算过程；3、硬件、软件固定，无法依照教学要求，系统的设计实验内容，使学生对卫星导航接收机的工作原理有完整的了解。

发明内容

本发明旨在解决没有卫星导航接收机教学实验设备给卫星导航接收机原理教学和实验所带来的不便，提供一种卫星导航接收机原理教学实验系统。本卫星导航接收机原理教学实验系统能够为学生提供开放式的实验环境，使学生能够在真实设备、真实卫星信号环境下，将卫星导航接收机的内部数据和运算过程输出显示，通过实验操作、数据分析、算法实现、软件编程，理解并掌握卫星导航单向测距原理，掌握卫星导航测量误差和信号传输误差特性，掌握实时导航卫星轨道计算方法，理解DOP的物理意义、掌握其计算方法及应用特性，掌握导航卫星位置及多普勒频移的预测方法等接收机核心技术。通过实验，使学生加深对卫星导航系统结构、工作原理、工作过程的理解，掌握卫星导航接收机核心算法和导航解算过程。

本发明还提供一种采用上述卫星导航接收机原理教学实验系统的实验方法。

本发明的技术方案如下：

卫星导航接收机原理教学实验系统，其特征在于：包括卫星导航接收装置和与其连接并显示该接收装置内部数据和运算过程的显示装置。

所述卫星导航接收装置包括硬件部分和软件部分，所述硬件部分包括卫星信号采集装置，该采集装置通过计算机接口互连于计算机。

所述计算机接口还互连有导航卫星同步显示器和卫星导航系统同步时间显示器，所述导航卫星同步显示器用于显示当前导航卫星在空间的分布和信号接收情况，所述卫星导航系统同步时间显示器用于显示当前导航卫星系统时间和UTC时间。

所述卫星信号采集装置包括依次连接的天线、射频部分和基带处理部分。

所述软件部分包括运行于计算机上的导航卫星数据实时录取软件和可编程卫星导航接收机程序库软件。

所述软件部分还包括运行于计算机上的实时卫星位置解算软件、实时传输误差计算软件、几何精度因子计算软件、导航解算软件和/或可视卫星位置预测软件。

采用上述卫星导航接收机原理教学实验系统的实验方法，其特征在于：利用系统中软件部分的软件及其人机界面程序，进行下列实验中的一个或多个实验：导航卫星数据实时录取；实时卫星位置解算及结果分析；实时传输误差计算与特性分析及信噪比与卫星仰角关系；几何精度因子的实时计算与分析；导航解算接收机位置、时间，以及结果分析；可视卫星位置预测。

本发明的技术效果如下：

在本发明之前，卫星导航教学实验借助完整的卫星导航接收机进行。但完整的卫星导航接收机只输出定位结果，其导航定位内部处理和运算过程全部固化在硬件电路或嵌入式处理器内。因此，采用完整的卫星导航接收机无法系统、全面的了解接收机内部工作原理。本发明的卫星导航接收机原理教学实验系统是一套集软件和硬件于一体，可以显示、输出卫星导航接收机内部中间信息，为掌握卫星导航接收机内部工作原理专门设计的教学实验系统，适合于卫星导航领域教学、科研、接收机开发、接收机芯片设计、卫星完好性监测、应用系统开发等专业人员使用。本发明的卫星导航接收机原理教学实验系统可以应用于任何卫星导航接收机的原理教学实验，包括美国的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统，欧洲的伽利略系统，中国的北斗系统，以及以后可能出现的新的卫星导航系统。

附图说明

图1为卫星导航接收机的组成原理框图。

图2为本发明的卫星导航接收机原理教学实验系统的硬件结构示意图。

图3为本发明的卫星导航接收机原理教学实验系统的软件结构示意图。

具体实施方式

卫星导航接收机原理教学实验系统由硬件和软件两部分组成，如图2和图3所示。图2所示的硬件部分包括天线、射频部分、基带处理、计算机接口、计算机、导航卫星同步显示器、卫星导航系统同步时间显示器。天线将空间中的导航卫星电磁波转变为电信号。射频部分将导航卫星信号放大、下变频、滤波、数模变换，最后输出数字信号。基带处理部分完成扩频信号的相关接收、距离测量、数据解码等工作，并通过计算机接口将数据发送到计算机。计算机完成接收机原理实验各项操作和编程。导航卫星同步显示器用于显示当前导航卫星在空间的分布和信号接收情况，红灯表示卫星在可视范围，但信号未被收到，绿色表示卫星信号已收到，不发光表示卫星不在可视范围。卫星导航系统同步时间显示器用于显示当前导航卫星系统时间和UTC时间。软件部分包括导航卫星数据实时录取软件、可编程卫星导航接收机程序库软件、实时卫星位置解算软件、实时传输误差计算软件、几何精度因子计算软件、导航解算解算软件、可视卫星位置预测软件等。通过这些软件和人机界面程序，操作者可进行下列实验：

实验一：导航卫星数据实时录取；

实验二：实时卫星位置解算及结果分析；

实验三：实时传输误差计算与特性分析及信噪比与卫星仰角关系；

实验四：几何精度因子(DOP)的实时计算与分析；

实验五：导航解算(接收机位置、时间)及结果分析；

实验六：可视卫星位置预测。

本设备适用于各种卫星导航系统接收机的原理教学实验，包括美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统、俄罗斯的GLONASS系统等，具有实时接收能力、具有接收机核心算法和数据处理实验能力、功能全、操作方便等特点。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和技术实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。