北斗/GPS卫星导航综合实验平台

      随着我国北斗卫星导航产业的发展，高校开设北斗卫星导航相关专业课程成为必然。但由于涉及到的相关知识比较多，北斗/GPS综合实验系统卫星导航定位、授时等基本功能，还设计了惯性测量给合及通讯等模块，包括无线通信、射频、电子电路、信息、计算机原理、测量测绘、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、基带算法、地理信息等课程专业的相关教学实验和实训使用。抽象难理解。BEG2200A北斗/GPS综合实验系统为学生提供开放式的实验平台，使学生在真实设备、真实卫星信号环境下，亲自进行实验和编程，真正的了解卫星导航原理和实现，为今后工作奠定理论基础、积累实践经验。

北斗/GPS综合实验平台

通过实验揭示GPS/北斗接收机内部核心技术

大中专院校实验室首选工具

一、功能描述

北斗/GPS综合实验平台，由实验平台的硬件和上位机软件两部分构成，硬件部分可以完全独立工作。硬件部分主要由GPS/北斗有源全向天线，GPRS天线，显示解算信息的LCD触摸屏，惯导组件；上位机软件部分，能够进行数据采集，进行开源实验，循序渐进的实验步骤和简单易懂的可视化操作。
BGE2200A北斗/GPS综合实验系统除卫星导航定位、授时等基本功能外，还设计了惯性测量组合及通讯等模块，适用于通信、电子、信息、计算机、测量测绘、自动控制、导航、遥控遥测、环境监测、交通运输、城市规划、物联网等专业的相关教学实验和实训使用。

BGE220A综合实验平台，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，理解单向测距原理，掌握GPS测量误差和信号传输误差特性，掌握实时GPS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GPS卫星位置及Doppler频移的预测方法等接收机核心技术，理解惯导器件组成，以及工作原理和特性，同时与卫星导航定位进行组合定位的意义，掌握GPRS的工作原理，理解无线通讯在未来物联网等领域应用的实际意义。

通过实验，使学生加深对GNSS、惯导、GPRS系统结构、工作原理、工作过程的理解，掌握GNSS接收机核心算法和导航解算过程。提供开源代码程序，让学生更深入的理解和掌握卫星导航算法中的精髓，同时也是为一些二次开发提供了算法支持。

 

一、功能描述

北斗/GPS综合实验平台，由实验平台的硬件和上位机软件两部分构成，硬件部分可以完全独立工作。硬件部分主要由GPS/北斗有源全向天线，GPRS天线，显示解算信息的LCD触摸屏，惯导组件；上位机软件部分，能够进行数据采集，进行开源实验，循序渐进的实验步骤和简单易懂的可视化操作。 
    BGE2200A北斗/GPS综合实验系统除卫星导航定位、授时等基本功能外，还设计了惯性测量组合及通讯等模块，适用于通信、电子、信息、计算机、测量测绘、自动控制、导航、遥控遥测、环境监测、交通运输、城市规划、物联网等专业的相关教学实验和实训使用。 

BGE220A综合实验平台，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，理解单向测距原理，掌握GPS测量误差和信号传输误差特性，掌握实时GPS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GPS卫星位置及Doppler频移的预测方法等接收机核心技术，理解惯导器件组成，以及工作原理和特性，同时与卫星导航定位进行组合定位的意义，掌握GPRS的工作原理，理解无线通讯在未来物联网等领域应用的实际意义。 

  通过实验，使学生加深对GNSS、惯导、GPRS系统结构、工作原理、工作过程的理解，掌握GNSS接收机核心算法和导航解算过程。提供开源代码程序，让学生更深入的理解和掌握卫星导航算法中的精髓，同时也是为一些二次开发提供了算法支持

二、适用范围

适合大中专院校，导航、通信、测绘等专业的本科生、研究生。北斗/GPS基础教学实验、本科生毕业设计、硕士生课题研究。专业研发卫星导航的科研人员也能快速入门

三、系统组成及各部分主要作用

部件名称	描述
GPS L1/BDS B1有源全向天线	用于接收实时GPS/BDS卫星信号。
GPRS天线	接收GPRS无线信号
信息显示液晶触摸屏	用于实时显示当前的GPS/BDS卫星系统的定位信息，UTC时间信息，DOP值，惯导组件的动态姿态信息。
惯导组件	通过手来摇动组件，实时显示姿态的三维变化。
GPRS模块	用于接收GPRS信号，并且来实现短信及上网服务等功能。
GPS/BDS基带设备	用于对GPS/BDS卫星信号进行实时基带信号处理，为导航解算做前序准备工作。
上位机软件	提供八个循序渐进的实验，卫星轨道计算软件；电离层、大气层、相对论误差计算软件；定位精度因子计算软件；可视卫星预测软件；接收机位置、速度、时间解算软件；惯导姿态测量软件；GPRS信息发送和接收，以及上网服务软件。
开源实验程序	更深入的了解卫星导航设备的系统构成，熟悉导航终端的内部算法，同时结合惯导和无线通信网络，拓展应用思路。
实验内容	实验一：空间卫星观测； 实验二：GPS/北斗 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：INS载体姿态测量； 实验八：GSM实验

四、配置一个功能完善的卫星导航实验室需要基本设备：

序号	实验室配置设备	型号	数量	备注
1	GPS/北斗综合实验平台实验箱	BGE2200A	8-10台	基础配置
2	卫星信号转接器	WD100	1-2台	基础配置
3	多通道GPS信号模拟器	5000A	1	2、3选一
4	高精度卫星接收机	SS600	1	研发类
5	RTK基准站	MS650	1	研发类
6	双天线侧向标定系统	SS317	1	研发类
7	GNSS/INS 组合导航开发板	ZHDK3000	1	研发类
8	惯性测量单元	IMU200	1	研发类
9	ARM9开发板卫星导航开发板	WDK600	8-10个	研发类
10	GNSS-RTK一键式基准站	MS800A-ED	1个	基础配置
11	上门安装调试费培训		次

说明：序号 1、2为基础配置，其它为选项配置

五、实验室配置示意图

 

系统配置：
实验箱内置主要组件
◆ GNSS天线： 用于接收北斗/GPS卫星信号；
◆ GNSS接收板： 用于对GPS和北斗卫星信号进行实时基带信号处理，并提供相应的原始数据，为各种教学实验做准备；
◆ GPRS模块及天线： 用于提供 GSM 信息收发功能；
◆ 蓝牙模块： 用于和安卓平板电脑或手机通讯；
◆ 惯导组件： 用于提供惯性原始数据及载体姿态信息；
◆ 控制器： 用于通讯与协调等；
◆ 触摸显示屏： 用于实验功能切换、显示实验数据及结果等功能。.

外部配置组件

◆ 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；
◆ 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（选购）；
◆ 433M无线电台： 用于接收发送差分信号和通讯；
◆ 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；
◆ GNSS卫星信号模拟器： 用于模拟卫星信号（选购）；
◆ GNSS参考基准站： 用于提供RTCM2.3和RTCM3.0差分信号。

软件界面：C语言编写的北斗GPS软件应用界面

实验箱技术指标和参数：

1、GNSS天线：用于接收多模多频卫星信号；GPS L1/L2、GLONASS L1/L2、BDS B1/B2/B3

2、GNSS接收板卡：提供卫星基带信号处理、原始数据及标准语句等；

单点定位精度：1.5m （RMS）；

SBAS精度：0.6m （RMS）；

差分定位精度：0.02 m （RMS）

授时精度： 20ns

信号跟踪： 冷启动：<50s ；

温启动：<30s ； 热启动：<15s ；

信号重捕获 ：<2s

GNSS差分定位≤0.02米

3、GPRS模块：提供 GSM 信息收发功能；

工作频率：GSM850M、EGSM900M、DCS1800M、PCS1900M，自动搜索

SIM卡接口：支持1.8/3V SIM卡

发射功率：2W（GSM850M、EGSM900M）1W（DCS1800M、PCS1900M）

内置天线

4、无线电台模块：接收差分数据；工作频率433M，发射功率1W，波特率9600bps，

5、蓝牙模块：连接平板电脑或移动设备，如手机等；

符合标准IEEE802.15，工作频率2.4GHz，带宽为1Mb/s。

6、惯导测量单元：提供惯性测量原始数据及载体姿态信息；

速率陀螺测量范围： ±2000°/sec

速率陀螺零偏稳定性：±0.2°/sec

加速度计测量范围：±2g

加速度计零偏稳定性：±0.003 (±2g)g

加速度计非线性：0.2 %

7、控制器：实验箱主控制测量设备；

32位Cortex-M3内核+高速FPGA

8、触摸显示屏：实验功能切换、显示实验数据及结果等；

5寸电容式触摸屏；

FPGA纯硬件读写刷屏；

16位真彩色RGB显示（64K）；

9、电源及接口：

电源电压：12VDC

负载电流：<2A

其它配置设备（实验箱之外的配置）

1、高精度GNSS天线：用于接收多模多频卫星信号；

增益32dB

GPS L1/L2；GLONASS G1/G2；BEIDOU2 B1/B2/B3；GALILEO E1

2、GNSS卫星信号转发器：转发放大外部GNSS接收天线的卫星信号。

接收和发射频率：GPS :L1:1575.42±10MHz；L2: 1227.60±10MHz；

GLONASS:L1:1602±10MHz；BD2:B1:1561.098±10MHz；B2:1207.14 MHz±10MHz；B3: 1268.52

MHz±10MHz；

驻波：≤1.5：1

噪声系数：≤1.5dB

接收电路增益：32±2dB

发射电路增益：26±2dB

极化方式：右旋圆极化

电压：12VDC

电流：≤100mA

电缆线长度：30M（可变）

3、GNSS参考基准站：向实验箱提供差分信号，配合高精度定位实验。

信号跟踪：120通道，GPS L1C/A码L1/L2 P码， BDS B1/B2  I支路C码 GLONASS L1；SBAS:

WAAS,EGNOS,MSAS；Galileo可选

精度指标（GNSS）：定位精度：水平：±(2.5 +1×10-6×D)mm，垂直：±(5 + 1×10-

6×D)mm

RTK初始化：时间<10s ，初始化可靠性 > 99.9%

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

数据格式：CMR/CMR+，RTCM2.3，RTCM3.x 等；

射频接口：TNC

电源电压：12V

通讯接口：RS232(可转接标准以太网)

数据更新率：差分数据输出：1Hz

4、安卓平板电脑：显示测量数据、实验界面及解算结果等。

5、通用计算机系统：用于实验平台软件运行，完成。

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 GSM 实验

扩展实验：

实验一 计算北斗/GPS卫星三维位置
实验二 计算卫星信号多普勒频率
实验三 计算卫星信号经过电离层/大气层产生的延时误差
实验四 计算导航定位几何精度因子
实验五 预测可视卫星在轨道上的位置和多普勒频移
实验六 计算接收机ECEF坐标系内的位置、时间
实验七 ECEF坐标系与WGS84坐标系坐标变换编程实验
实验八 UTC时间与本地时间变换编程实验

增强实验：

实验一 计算机平台应用程序开发实验
实验二 安卓平台APP开发实验
实验三 通信模块应用实验（无线电台/GPRS）
实验四 差分站通信及差分信息获取实验
实验五 高精度RTK定位实验
实验六 GNSS-INS组合导航基础实验
实验七 定位结果分析与比较实验