全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)研究

姜 毅，張淑芳，胡 青

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)研究

姜 毅，張淑芳，胡 青

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026)

針對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程教學(xué)過程中系統(tǒng)性理論知識點(diǎn)較多的特點(diǎn)，對該課程實(shí)踐教學(xué)問題進(jìn)行了探討。提出了利用GNSS模擬器加強(qiáng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)的方法和具體應(yīng)用。通過GNSS模擬器仿真全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作場景，驗(yàn)證該課程理論教學(xué)所學(xué)知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深其對課程理論知識的理解和掌握。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；GNSS模擬器；實(shí)踐教學(xué)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于人們生活的各個(gè)方面，例如手機(jī)定位、車載導(dǎo)航儀等[1]。中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在不斷完善和推廣，根據(jù)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進(jìn)地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》與《國家衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，將進(jìn)一步加快北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在大眾領(lǐng)域的推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用將會更加普及[2]。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程是為了滿足這一社會發(fā)展需求而設(shè)立的，側(cè)重于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理性知識教育。大連海事大學(xué)的該課程于2012年獲批成為教育部“精品視頻公開課”。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程內(nèi)容包括以下五個(gè)方面：(1)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展綜述；(2)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位的幾何原理和精度評價(jià)；(3)人造地球衛(wèi)星的基本理論；(4)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成與定位原理；(5)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號格式與定位解算。該課程在強(qiáng)調(diào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本概念、原理和方法的同時(shí)，要求能夠較好地掌握典型的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——GPS的系統(tǒng)組成、信號設(shè)計(jì)和工作流程[3]。由于該課程涉及大量的系統(tǒng)性理論知識，容易使學(xué)生感到學(xué)習(xí)枯燥，所以若能利用GNSS模擬器加強(qiáng)該課程的實(shí)踐教學(xué)，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且還會加深學(xué)生對理論知識的理解，大幅度提升課程的教學(xué)水平和質(zhì)量。因此，利用GNSS模擬器加強(qiáng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程的實(shí)踐教學(xué)就顯得尤為重要。

本文主要探討利用GNSS模擬器輔助全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程的教學(xué)，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，避免在該課程教學(xué)中，出現(xiàn)學(xué)生重理論輕實(shí)踐，只會做題不會實(shí)際應(yīng)用的情況。GNSS模擬器具有可操作性強(qiáng)、直觀易學(xué)等優(yōu)點(diǎn)，通過利用GNSS模擬器加強(qiáng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程的實(shí)踐教學(xué)，既可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，活躍課堂氣氛，又能夠?qū)W(xué)生加深課程理論知識內(nèi)容的理解起到很好的推動(dòng)作用。

1 GNSS模擬器介紹

GNSS模擬器是一種能夠模擬全球全天候任一時(shí)刻(或時(shí)間段)任一位置的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行情況的設(shè)備。它能夠?qū)NSS星座群生成的信號加以控制，生成與GNSS衛(wèi)星相同的發(fā)送信號，通過單臺設(shè)備便可在可控的實(shí)驗(yàn)室條件下，實(shí)現(xiàn)全球測試環(huán)境模擬。因此，GNSS模擬器為GNSS接收機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)的測試提供了一種高效的手段。

目前，市面上存在多款GNSS模擬器，但各類模擬器的功能均十分類似。其中，GNSS模擬器的主流產(chǎn)品是英國思博倫公司的多通道GNSS星座模擬器，包括GSS6300、GSS6700、GSS8000等多個(gè)系列。我國也有多家公司生產(chǎn)此類產(chǎn)品，如北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司的研發(fā)型衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器(HWA-RNSS-7300)，北京東方聯(lián)星公司的NS700多通道可編程導(dǎo)航衛(wèi)星信號模擬器和NS800北斗多模信號模擬器等。

由于市場上最成熟且應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品是思博倫公司的多通道GNSS星座模擬器，因此，本文主要以GSS8000為例加以說明和描述。

GNSS模擬器由一個(gè)用以滿足特定測試需求的信號發(fā)生器和一臺運(yùn)行模擬軟件SimGEN的控制計(jì)算機(jī)組成。其中，信號發(fā)生裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠輕松地滿足不同應(yīng)用的需求，最多可支持三個(gè)射頻載波信號，而且能夠根據(jù)需要靈活選擇多種衛(wèi)星星座和衛(wèi)星信號[4]；模擬軟件SimGEN能夠?qū)崿F(xiàn)多種模擬功能，包括大氣效應(yīng)、天線接收增益/相位模式、地形障礙、多路徑反射、差分校正等，還具有為陸地、航空、航海和航天等運(yùn)動(dòng)體生成軌跡的功能[5]。

學(xué)生可通過SimGEN模擬軟件簡便易用的圖形化用戶界面輕松地修改全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定，更好地理解和掌握全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行和信號處理算法的理論。通過利用GNSS模擬器加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生更容易接受課堂上講授的理論知識。

2 GNSS模擬器在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

以運(yùn)動(dòng)體的定位應(yīng)用為例，用GNSS模擬器進(jìn)行全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)的主要內(nèi)容有：

1)星座設(shè)置

包括星座選擇(GPS，GLONASS，Galileo，QZSS)、衛(wèi)星選擇依據(jù)、衛(wèi)星移動(dòng)定義、衛(wèi)星信號控制、導(dǎo)航電文控制、發(fā)射天線模式等。

2)大氣效應(yīng)設(shè)置

包括對流層、電離層模型選擇，相應(yīng)參數(shù)設(shè)置。

3)接收天線設(shè)置

包括天線安放位置、天線增益、天線模式、天線陣列等。

4)運(yùn)動(dòng)體設(shè)置

包括運(yùn)動(dòng)體特性、運(yùn)動(dòng)體運(yùn)行軌跡等。

5)多徑與遮擋設(shè)置

包括運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)環(huán)境、多路徑反射模型選擇等。

利用GNSS模擬器加強(qiáng)課程實(shí)踐教學(xué)具體可分為教師指導(dǎo)部分和學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)部分。其中，任課教師利用GSS8000對典型全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)場景進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，幫助學(xué)生加深對書本理論知識的理解。工作界面環(huán)境如圖1所示。

圖1 GPS系統(tǒng)場景工作界面環(huán)境

利用GSS8000模擬運(yùn)動(dòng)體定位應(yīng)用的過程，首先，需要建立工作場景，包括星座設(shè)置(如星座選擇、信號頻率選擇、信號強(qiáng)度設(shè)置)，大氣參數(shù)設(shè)置(如電離層、對流層模型參數(shù))，運(yùn)動(dòng)體參數(shù)設(shè)置(如運(yùn)動(dòng)體移動(dòng)特性、接收天線位置/增益/相位模式)等。

運(yùn)行仿真場景，根據(jù)需要觀察相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行信息，包括衛(wèi)星信息和運(yùn)動(dòng)體信息，舉例如下：

圖2顯示的是所有衛(wèi)星和運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)軌跡。其中標(biāo)號為1、2、8、10、12、15、18、19、22和23的曲線為GPS衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡，標(biāo)號為3、4、5、6、7、9、13、14、20、21和24的曲線為GLONASS衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡，中間的連續(xù)長曲線為運(yùn)動(dòng)體的位置軌跡。

圖3顯示的是以運(yùn)動(dòng)體作為中心點(diǎn)的衛(wèi)星分布星空圖。可根據(jù)需要顯示所選衛(wèi)星具有的最佳幾何精度因子(DOP)值，并且能夠隨時(shí)改變顯示的DOP值類型(如GDOP、PDOP等)。

圖2 衛(wèi)星和運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3 衛(wèi)星分布星空圖

圖4為當(dāng)前可見衛(wèi)星的功率顯示。左鍵點(diǎn)擊相應(yīng)衛(wèi)星，可觀察該顆衛(wèi)星的信號成分，如圖5所示；右鍵點(diǎn)擊可打開可見衛(wèi)星的功率控制界面，如圖6所示，實(shí)時(shí)滑動(dòng)控制各個(gè)衛(wèi)星發(fā)射的信號功率。

圖4 可見衛(wèi)星功率顯示

圖6 可見衛(wèi)星功率控制

學(xué)生在任課教師具體實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，利用已搭建的典型運(yùn)動(dòng)體定位場景進(jìn)行修改，如修改選擇的星座，修改運(yùn)動(dòng)體的特性，模擬船舶的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，觀測衛(wèi)星信號的變化規(guī)律。通過該平臺，學(xué)生不僅可以對GPS的工作場景進(jìn)行仿真，還可以非常方便地利用該平臺研究北斗等其他自己感興趣的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

此外，學(xué)生還可在任課老師的幫助下，對工作場景運(yùn)行產(chǎn)生的衛(wèi)星和運(yùn)動(dòng)體的數(shù)據(jù)類仿真信息進(jìn)行采集與處理。教師可指導(dǎo)學(xué)生編制衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)場景，并記錄下場景設(shè)置的各種信息參數(shù)，如干擾條件下的相關(guān)數(shù)據(jù)等，保存衛(wèi)星和運(yùn)動(dòng)體的位置信息數(shù)據(jù)、電文信息等，引導(dǎo)學(xué)生據(jù)此以自主或互助研討方式探究影響運(yùn)動(dòng)體定位的因素，引導(dǎo)學(xué)生自主歸納，剖析現(xiàn)象背后的原因與實(shí)質(zhì)。

3 結(jié)束語

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程是為了滿足我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求而設(shè)立的，側(cè)重于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理性知識教育。本文從實(shí)踐教學(xué)的角度出發(fā)，充分利用GNSS模擬器仿真全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作場景，挖掘其對課程理論教學(xué)的驗(yàn)證能力，提高學(xué)生在學(xué)習(xí)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)的興趣，促使其加深對課程理論知識的理解和掌握。

[1]魏經(jīng)堂, 郭鵬鵬. 國外導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展概況[J]. 現(xiàn)代教育科學(xué), 2009(1): 379-380.

[2]林貝妮, 邱永華. 談基于衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)需求的中職人才培養(yǎng)定位[J]. 中等職業(yè)教育, 2012(23): 12-14.

[3] 謝鋼. GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[4] Spirent Communications Ltd. Hardware Platforms For the Spirent Range of Navigation Simulator Products[M]. Torquay: Spirent Communications PLC, 2010.

[5] Spirent Communications Ltd. SimGEN Software User Manual[M]. Torquay: Spirent Communications PLC, 2010.

Research on Practice Teaching for Global NavigationSatellite System Course

JIANG Yi, ZHANG Shufang, HU Qing

(College of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The characteristic of the global navigation satellite system(GNSS) course is having too much theoretical knowledge. The practical teaching of this course is investigated in this paper. The methods and applications in the practical teaching are presented based on GNSS simulator. The knowledge of theoretical teaching is verified by setting up and running the scene of GNSS simulator. In this way, it is helpful to enhance students’ interest and enables them to deepen understanding the theoretical knowledge.

global navigation satellite system; GNSS simulator; practice teaching

2014-03-31；修改日期: 2014-09-11

大連海事大學(xué)教學(xué)改革基金資助項(xiàng)目(2014Q05)。

姜 毅(1982-),女,博士,講師,研究方向:全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)理論與應(yīng)用。

G642.4

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.023