北斗/GPS综合实验平台

 

高校卫星导航实验室建设方案

 

Beidou /GPS Integrated Experimental Platb

 

User’s Manual

 

 

 

1 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。

北斗/GPS综合实验平台为配合学校GNSS（全球导航卫星系统）方面的教学而设计，该产品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，真正地了解卫星导航原理和实现。通过一系列实验，让学生理解和掌握GPS/BDS原理、特性和应用，加深对GPS/BDS系统结构、工作原理、工作过程的理解，掌握GPS/BDS接收机核心算法和导航解算过程。同时，通过惯性导航定位原理的了解，让学生了解更多的定位方式方法，以及多种定位之间的互补，让学生更好地了解和理解卫星导航在未来各个应用领域的发展与应用。

 

适用于通信、电子、信息、 计算机、测量、自动控制、导航、遥控遥测、环境监测、交通运输、城市规划、物联网等专业本科生、研究生全球星基导航基础教学和毕业设计及BDS/GPS应用系统的工程技术和维护人员培训使用，是高等院校和科研院所全球星基导航和组合导航教学及培训的理想实验设备。

实验平台不仅适用于教学实验，同时，也是一个二次开发平台，C#编程，程序代码开放，便于二次开发。可以作为卫星导航解算方法及其它项目的数据采集验证平台。

实验覆盖全面，包括基础实验，也可以增加扩展实验及增强实验，有较高的性价比，可为学校量身定制相关实验内容，提供全面的相关教学和实验配套服务，为广大师生和开发技术人员服务。

2 实验平台配置

2.1 主要组件及作用

1）GNSS天线：接收北斗/GPS卫星信号；

2）GNSS接收板：接收北斗和GPS卫星信号，并进行实时基带信号处理，并提供相应的原始数据及标准语句等；

3）433M无线电台及天线：接收发送差分信号；

 

4）GPRS模块及天线：提供 GSM 信息收发功能（板载内置）；

5）蓝牙模块及天线：同安卓平板电脑或手机通讯（板载内置）；

6）惯导组件：提供惯性原始数据及载体姿态信息；

7）控制器：通讯与协调等；

8）触摸显示屏：实验功能切换、显示实验数据及结果等。

2.2 选配组件及作用

1）通用计算机系统：用于实验平台软件运行，完成解算、显示、仿真等操作等；

2）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

3）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，供各实验平台使用；

4）GNSS参考基准站：用于提供RTCM2.3或RTCM3.0差分信号；

5）GNSS卫星信号模拟器：用于模拟卫星信号。

3 实验平台特点及技术指标

3.1 特点

Ø 采用北斗、GPS及联合定位，输出标准语句和原始数据；

Ø 操作使用方便，便于搬动和携带，可到室外做实验；

Ø 采用高精度多模板卡，除常规实验外，还可以扩充高精度RTK实验和学习；

Ø GNSS天线采用高精度全向天线，室内无需角度调整就能良好接收转发器信号；

Ø 系统集成惯性测量单元，可以测量姿态和提供加速度、速率、磁强等原始数据；

Ø 配置高性能通讯芯片可以连接移动通讯网络，可做GSM实验；

Ø 内部配置电台，可接收外部参考站发出的差分信号；

Ø 系统配有蓝牙，可以和手持设备或安卓系统连接，实现嵌入式系统开发；

Ø 采用USB接口连接外部电脑，支持各种教学实验。

3.2 技术指标

3.2.1 卫星信号接收

Ø 信号跟踪：80通道  北斗 B1 I支路C码；GPS L1 C/A码、L1；GLONASS L1；SBAS: WAAS,EGNOS,MSAS；

Ø 精度指标（GNSS）：单点定位精度：1.5m （RMS）；DGPS差分精度：0.6m （RMS）；差分定位精度：0.025 m （RMS）

Ø 授时精度：20ns

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

Ø 数据格式：标准NMEA-0183，CMR/CMR+ 支持，RTCM2.3 支持，RTCM3.0 支持

Ø 通讯接口：RS232（默认115200bps）

Ø 数据更新率：定位数据更新率：1Hz、5Hz、10Hz

Ø 功耗：小于5.0W

3.2.2 惯性测量单元

Ø 输出数据格式：原始数据、姿态角、四元数；

Ø 内部更新率：100Hz；

Ø 启动时间：< 1 sec；

Ø 俯仰、滚动误差：±0.5 degree；

Ø 航向误差：±2.0 degree；

Ø 航向角分辨率：< 0.1 degree；

Ø 加速度计测量范围：±2g；

Ø 速率陀螺测量范围 ±2000°/sec；

Ø 磁力计测量范围：±1.3 Gauss；

 

3.2.3 通讯连接

 

Ø USB接口：115200bps

Ø USB接口1:9600bps

Ø RF无线电台：433M

Ø 串口1：RS232

（115200bps）

Ø 蓝牙：2.4G Blue2.0

3.2.4 主控器及触摸屏

 

Ø 高性能ARM主控芯片，采用嵌入式操作系统；

Ø 采用5寸全屏触摸、滑动控制屏幕；

Ø C#编程，程序代码开放。

3.2.5 总体指标

Ø 外部尺寸：420x280x180mm；

Ø 重量：<5kg；

Ø 电源：DC +12V（可用+12V蓄电池供电）。

4 实验平台操作及连接

 

 

实验平台为铝合金箱结构，打开后效果如上图中所示，图中标出了各主要组成部分。面板上有USB/电源接口（包括电源开关及指示灯）、触摸屏、惯性测量单元、GNSS/RF天线插座以及一个收纳袋和一个收纳盒（用于收纳实验用电缆、电源适配器、用户手册、GNSS天线、RF天线等）。

 

 

 

主界面如图所示，通常的实验无需进行“设置”操作，进行的操作是由实验内容来决定的，具体实验中根据实验指导要求操作。

 

5.北斗GPS卫星导航教学实验箱实验内容：

5.1. 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 组合导航实验  ；

 

 

 

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。

6.配置方案

北斗/GPS综合实验平台基础实验室规格指标及配置

序号	实验室配置设备	型号	数量	备注	配置
1	北斗/GPS综合实验箱	BGE2200A	1台	基础实验室	多套
2	卫星信号转接器	WD100	1台	双星单频	1个
3	实验终端	DL3060	1台	戴尔台式机	多套
规 格 指 标	一、实验箱内置组件指标（标配基础类实验箱） 1. 卫星信号接收 Ø信号跟踪：80通道     北斗 B1 I支路C码；   GPS L1 C/A码、L1；   GLONASS L1；   SBAS: WAAS,EGNOS,MSAS； Ø精度指标（GNSS）：单点定位精度：1.5m （RMS）；   DGPS差分精度：0.6m （RMS）；   差分定位精度：0.025 m （RMS） Ø授时精度：20ns Ø信号获取：冷启动：<50s ； 温启动：<30s ； 热启动：<15s ；信号重捕获 ：<2s Ø数据格式：标准NMEA-0183，CMR/CMR+ 支持，RTCM2.3 支持，RTCM3.0 支持 Ø通讯接口：RS232（默认115200bps） Ø数据更新率：定位数据更新率：1Hz、5Hz、10Hz Ø功耗：小于5.0W 2. 惯性测量单元 Ø输出数据格式：原始数据、姿态角、四元数； Ø内部更新率：100Hz； Ø启动时间：< 1 sec； Ø俯仰、滚动误差：±0.5 degree； Ø航向误差：±2.0 degree； Ø航向角分辨率：< 0.1 degree； Ø加速度计测量范围：±2g； Ø速率陀螺测量范围 ±2000°/sec； Ø磁力计测量范围：±1.3 Gauss；   3. 通讯连接 ØUSB接口：115200bps ØUSB接口1:9600bps ØRF无线电台：433M Ø串口1：RS232 （115200bps） Ø蓝牙：2.4G Blue2.0 4 .主控器及触摸屏 Ø高性能ARM主控芯片，采用嵌入式操作系统； Ø采用5寸全屏触摸、滑动控制屏幕； C#编程，程序代码开放，便于二次开发。 5. 总体指标 Ø外部尺寸：420x280x180mm； Ø重量：<5kg； Ø电源：DC +12V。   6. 基本实验配套实验，是基于C语言编程的实验，实验箱上通过USB连接计算机，教学实验更便利。   . 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  ； 二、卫星信号转发器技术指标和参数 1、频率：GPS  L1、BD2 B1 2、阻抗：50Ω 3、连接器：TNC 4、工作温度： -45 ℃ ～+65 ℃ 5、存储温度： -55 ℃ ～+85 ℃ 控制部分指标： 1、驻波：≤1.5：1 2、噪声系数：≤2.0dB 3、增益：-1±2dB、8±2dB、18±2dB 4、电压：220VAC 5、电流：≤80mA 接收部分指标： 1、驻波：≤1.5：1 2、噪声系数：≤1.5dB 3、增益：32±2dB 4、极化方式：右旋圆极化 5、电压：5VDC 6、电流：≤50mA 发射部分指标： 1、驻波：≤1.8：1 2、噪声系数：≤1.8dB 3、增益：26±2dB 4、电流：≤15mA 5、电压：5VDC 6、信号涵盖范围（M2）2000 M2 7、微波辐射功率：＜35Uw/cm2   三 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（选配） I3-6100 4G内存 500G硬盘 DVD 无线网卡 蓝牙 Win10