北斗/GPS綜合實驗平臺

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高校衛星導航實驗室建設方案

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Beidou /GPS Integrated Experimental Platb

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User’s?Manual

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1 概 述

隨著我國北斗衛星導航產業的發展，許多院校已經認識到掌握衛星導航相關知識的重要性，相繼開設了衛星導航相關專業課程。但由于涉及到的相關知識比較多，包括無線通信、射頻、電子電路、計算機原理、基帶算法、地理信息等課程，課程中的知識相對都比較抽象，學習和理解起來會相對枯燥而吃力。

北斗/GPS綜合實驗平臺為配合學校GNSS（全球導航衛星系統）方面的教學而設計，該產品為學生提供開放式的實驗環境，使學生在真實設備、真實衛星信號環境下，親自動手進行實驗和編程，真正地了解衛星導航原理和實現。通過一系列實驗，讓學生理解和掌握GPS/BDS原理、特性和應用，加深對GPS/BDS系統結構、工作原理、工作過程的理解，掌握GPS/BDS接收機核心算法和導航解算過程。同時，通過慣性導航定位原理的了解，讓學生了解更多的定位方式方法，以及多種定位之間的互補，讓學生更好地了解和理解衛星導航在未來各個應用領域的發展與應用。

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適用于通信、電子、信息、 計算機、測量、自動控制、導航、遙控遙測、環境監測、交通運輸、城市規劃、物聯網等專業本科生、研究生全球星基導航基礎教學和畢業設計及BDS/GPS應用系統的工程技術和維護人員培訓使用，是高等院校和科研院所全球星基導航和組合導航教學及培訓的理想實驗設備。

實驗平臺不僅適用于教學實驗，同時，也是一個二次開發平臺，C#編程，程序代碼開放，便于二次開發。可以作為衛星導航解算方法及其它項目的數據采集驗證平臺。

實驗覆蓋全面，包括基礎實驗，也可以增加擴展實驗及增強實驗，有較高的性價比，可為學校量身定制相關實驗內容，提供全面的相關教學和實驗配套服務，為廣大師生和開發技術人員服務。

2 實驗平臺配置

2.1 主要組件及作用

1）GNSS天線：接收北斗/GPS衛星信號；

2）GNSS接收板：接收北斗和GPS衛星信號，并進行實時基帶信號處理，并提供相應的原始數據及標準語句等；

3）433M無線電臺及天線：接收發送差分信號；

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4）GPRS模塊及天線：提供 GSM 信息收發功能（板載內置）；

5）藍牙模塊及天線：同安卓平板電腦或手機通訊（板載內置）；

6）慣導組件：提供慣性原始數據及載體姿態信息；

7）控制器：通訊與協調等；

8）觸摸顯示屏：實驗功能切換、顯示實驗數據及結果等。

2.2 選配組件及作用

1）通用計算機系統：用于實驗平臺軟件運行，完成解算、顯示、仿真等操作等；

2）安卓平板電腦：用于顯示平臺提供的解算結果，比如 GPS 定位，北斗定位結果，載體姿態測量結果等

3）GNSS衛星信號轉發器：用于轉發放大外部GNSS接收天線的衛星信號，供各實驗平臺使用；

4）GNSS參考基準站：用于提供RTCM2.3或RTCM3.0差分信號；

5）GNSS衛星信號模擬器：用于模擬衛星信號。

3 實驗平臺特點及技術指標

3.1 特點

??采用北斗、GPS及聯合定位，輸出標準語句和原始數據；

??操作使用方便，便于搬動和攜帶，可到室外做實驗；

??采用高精度多模板卡，除常規實驗外，還可以擴充高精度RTK實驗和學習；

??GNSS天線采用高精度全向天線，室內無需角度調整就能良好接收轉發器信號；

??系統集成慣性測量單元，可以測量姿態和提供加速度、速率、磁強等原始數據；

??配置高性能通訊芯片可以連接移動通訊網絡，可做GSM實驗；

??內部配置電臺，可接收外部參考站發出的差分信號；

??系統配有藍牙，可以和手持設備或安卓系統連接，實現嵌入式系統開發；

??采用USB接口連接外部電腦，支持各種教學實驗。

3.2 技術指標

3.2.1 衛星信號接收

??信號跟蹤：80通道 ?北斗 B1 I支路C碼；GPS L1 C/A碼、L1；GLONASS L1；SBAS: WAAS,EGNOS,MSAS；

??精度指標（GNSS）：單點定位精度：1.5m （RMS）；DGPS差分精度：0.6m （RMS）；差分定位精度：0.025 m （RMS）

??授時精度：20ns

??信號獲取：冷啟動：<50s ； 溫啟動：<30s ； 熱啟動：<15s ；信號重捕獲 ：<2s

??數據格式：標準NMEA-0183，CMR/CMR+ 支持，RTCM2.3 支持，RTCM3.0 支持

??通訊接口：RS232（默認115200bps）

??數據更新率：定位數據更新率：1Hz、5Hz、10Hz

??功耗：小于5.0W

3.2.2 慣性測量單元

??輸出數據格式：原始數據、姿態角、四元數；

??內部更新率：100Hz；

??啟動時間：< 1 sec；

??俯仰、滾動誤差：±0.5 degree；

??航向誤差：±2.0 degree；

??航向角分辨率：< 0.1 degree；

??加速度計測量范圍：±2g；

??速率陀螺測量范圍 ±2000°/sec；

??磁力計測量范圍：±1.3 Gauss；

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3.2.3 通訊連接

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??USB接口：115200bps

??USB接口1:9600bps

??RF無線電臺：433M

??串口1：RS232

（115200bps）

??藍牙：2.4G Blue2.0

3.2.4 主控器及觸摸屏

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??高性能ARM主控芯片，采用嵌入式操作系統；

??采用5寸全屏觸摸、滑動控制屏幕；

??C#編程，程序代碼開放。

3.2.5 總體指標

??外部尺寸：420x280x180mm；

??重量：<5kg；

??電源：DC +12V（可用+12V蓄電池供電）。

4 實驗平臺操作及連接

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實驗平臺為鋁合金箱結構，打開后效果如上圖中所示，圖中標出了各主要組成部分。面板上有USB/電源接口（包括電源開關及指示燈）、觸摸屏、慣性測量單元、GNSS/RF天線插座以及一個收納袋和一個收納盒（用于收納實驗用電纜、電源適配器、用戶手冊、GNSS天線、RF天線等）。

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主界面如圖所示，通常的實驗無需進行“設置”操作，進行的操作是由實驗內容來決定的，具體實驗中根據實驗指導要求操作。

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5.北斗GPS衛星導航教學實驗箱實驗內容：

5.1.?基本實驗 ?

?實驗一 空間衛星觀測 ；

??實驗二 北斗/GPS數據采集與解析；

??實驗三 實時衛星坐標計算；

??實驗四 接收機高精度定位和測速；

??實驗五 定位精度因子 DOP 值；

??實驗六 電離層、對流層、時鐘誤差計算；

??實驗七 載體慣性姿態測量；

??實驗八 組合導航實驗 ?；

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配置建議： ?

? ??可根據經費和實驗室的大小來配置實驗系統套數，實驗室也可以分期建設，逐步配置齊全。

6.配置方案

北斗/GPS綜合實驗平臺基礎實驗室規格指標及配置

序號	實驗室配置設備	型號	數量	備注	配置
1	北斗/GPS綜合實驗箱	BGE2200A	1臺	基礎實驗室	多套
2	衛星信號轉接器	WD100	1臺	雙星單頻	1個
3	實驗終端	DL3060	1臺	戴爾臺式機	多套
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規 格 指 標	一、實驗箱內置組件指標（標配基礎類實驗箱） 1.?衛星信號接收 ?信號跟蹤：80通道 ? ??北斗 B1 I支路C碼； ??GPS L1 C/A碼、L1； ??GLONASS L1； ??SBAS: WAAS,EGNOS,MSAS； ?精度指標（GNSS）：單點定位精度：1.5m （RMS）； ??DGPS差分精度：0.6m （RMS）； ??差分定位精度：0.025 m （RMS） ?授時精度：20ns ?信號獲取：冷啟動：<50s ； 溫啟動：<30s ； 熱啟動：<15s ；信號重捕獲 ：<2s ?數據格式：標準NMEA-0183，CMR/CMR+ 支持，RTCM2.3 支持，RTCM3.0 支持 ?通訊接口：RS232（默認115200bps） ?數據更新率：定位數據更新率：1Hz、5Hz、10Hz ?功耗：小于5.0W 2.?慣性測量單元 ?輸出數據格式：原始數據、姿態角、四元數； ?內部更新率：100Hz； ?啟動時間：< 1 sec； ?俯仰、滾動誤差：±0.5 degree； ?航向誤差：±2.0 degree； ?航向角分辨率：< 0.1 degree； ?加速度計測量范圍：±2g； ?速率陀螺測量范圍 ±2000°/sec； ?磁力計測量范圍：±1.3 Gauss； ? 3.?通訊連接 ?USB接口：115200bps ?USB接口1:9600bps ?RF無線電臺：433M ?串口1：RS232 （115200bps） ?藍牙：2.4G Blue2.0 4 .主控器及觸摸屏 ?高性能ARM主控芯片，采用嵌入式操作系統； ?采用5寸全屏觸摸、滑動控制屏幕； C#編程，程序代碼開放，便于二次開發。 5.?總體指標 ?外部尺寸：420x280x180mm； ?重量：<5kg； ?電源：DC +12V。 ? 6.?基本實驗配套實驗，是基于C語言編程的實驗，實驗箱上通過USB連接計算機，教學實驗更便利。 ? .?實驗一 空間衛星觀測 ； ??實驗二 北斗/GPS數據采集與解析； ??實驗三 實時衛星坐標計算； ??實驗四 接收機高精度定位和測速； ??實驗五 定位精度因子 DOP 值； ??實驗六 電離層、對流層、時鐘誤差計算； ??實驗七 載體慣性姿態測量； ??實驗八 GSM 實驗 ?； 二、衛星信號轉發器技術指標和參數 1、頻率：GPS ?L1、BD2 B1 2、阻抗：50Ω 3、連接器：TNC 4、工作溫度： -45 ℃ ～+65 ℃ 5、存儲溫度： -55 ℃ ～+85 ℃ 控制部分指標： 1、駐波：≤1.5：1 2、噪聲系數：≤2.0dB 3、增益：-1±2dB、8±2dB、18±2dB 4、電壓：220VAC 5、電流：≤80mA 接收部分指標： 1、駐波：≤1.5：1 2、噪聲系數：≤1.5dB 3、增益：32±2dB 4、極化方式：右旋圓極化 5、電壓：5VDC 6、電流：≤50mA 發射部分指標： 1、駐波：≤1.8：1 2、噪聲系數：≤1.8dB 3、增益：26±2dB 4、電流：≤15mA 5、電壓：5VDC 6、信號涵蓋范圍（M2）2000 M2 7、微波輻射功率：＜35Uw/cm2 ? 三?通用計算機系統：用于實驗平臺軟件運行，完成解算、顯示、仿真等操作（選配） I3-6100 4G內存 500G硬盤 DVD 無線網卡 藍牙 Win10

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