衛(wèi)星導航實驗系統開發(fā)技術方案

星導航實驗系統開發(fā)技術方案..................................................................................................................4驗系統建設思路...................................................................................................5......................................................................................................................5......................................................................................................................6............................................................................................................7.........................................................................................................9LEAMT.....94.2學生機與教師機通信技術............................................................................................114.3各實驗源數據的獲取技術............................................................................................13....................................................................................................................16基礎性實驗............................................................................................................17開拓性實驗............................................................................................................18研發(fā)性實驗............................................................................................................19............................................................................................................21..................................................................................................................22..............................................................................................................23STM............................................24STMF...............................24UBlox.............................................................................................................25UBLOX...................................................................................................25LEAMT....................................................................................................26.....................................................................................................................26教師機與學生機互聯設計............................................................................................27師子系統軟件設計....................................................................................................29教師機功能設計...................................................................................................29.2.2教師機操作流程設計...........................................................................................30生子系統軟件設計....................................................................................................34.3.1學生機操作流程設計............................................................................................34學生機功能設計....................................................................................................357.5指導書、實驗演示、題庫擴展功能設計......................................................................36程序拓展功能設計..................................................................................................37..................................................................................................................37.........................................................................................................378.1.2實驗二UTC時間與本地時間轉換實驗............................................................40.1.4實驗四實時傳輸誤差分析.................................................................................438.1.5實驗五衛(wèi)星信噪比與仰角關系分析實驗.........................................................458.1.6實驗六幾何精度因子的分析與計算.................................................................46..........................................................................................................478.2.1實驗七接收機位置解算實驗.............................................................................47實驗八衛(wèi)星測速實驗.........................................................................................49實驗九定向測姿實驗.........................................................................................49.4實驗十卡爾曼濾波實驗.....................................................................................50..........................................................................................................518.3.2實驗十二多系統融合定位實驗.........................................................................52.3實驗十三RTK定位實驗.....................................................................................53.3.4實驗十四抗窄帶干擾實驗.................................................................................55NEMA...55星導航實驗系統開發(fā)技術方案衛(wèi)星導航實驗系統開發(fā)技術方案養(yǎng)學生動手實踐能力，我公司精心推出了本套完善的衛(wèi)星導航實驗系統解決方衛(wèi)星導航實驗系統建設方案中包括衛(wèi)星導航實驗平臺、實驗系統各種配套設備、配套實驗軟件及實驗指導書。本建設方案以《衛(wèi)星導航實驗原理》作為理論基礎、以培養(yǎng)新型人才目標，結合各高校的實際需求，通過實驗激發(fā)學生對衛(wèi)星導航技術的學習興趣和探索精神。衛(wèi)星導航實驗系統配備的衛(wèi)星導航實驗平臺以美國U-Block最新生產的高精度定位授時接收機模塊LEA-M8T作為系統核心部件，并配有STM32高性能單片機。為了使學生在真實衛(wèi)星信號環(huán)境下開展實驗，實驗室配備GNSS衛(wèi)星信號轉系統。轉發(fā)系統的功能是接收室外GNSS衛(wèi)星信號，經濾波、放大、轉發(fā)等環(huán)節(jié)，將室外天線收到的有效GNSS衛(wèi)星信號轉入室內，解決室內無法接收到衛(wèi)星信號的問題。室內全向發(fā)射天線將GNSS信號進行發(fā)射，即可使信號覆蓋范圍內的導航實驗平臺接收到衛(wèi)星信號，順利開展各個實驗項目。衛(wèi)星導航實驗系統配備的軟件部分是一套集實驗開展和實驗網絡化管理于一體的大型實驗軟件系統。該軟件系統分為教師機版本和學生機版本。軟件部分加入個性化設置，并配有衛(wèi)星星座顯示和衛(wèi)星軌跡圖功能。教師機與學生機通過局域網設置，可以實現網絡通信、實驗任務編輯、實驗數據星導航實驗系統開發(fā)技術方案生成、實驗數據下發(fā)、實驗結果收集、實驗結果評價、實驗結果查詢、實驗報告收集、實驗報告打印、實驗報告查詢等功能。衛(wèi)星導航實驗系統實驗部分提供實驗源代碼，學生可以在此平臺上開展創(chuàng)新型實驗。衛(wèi)星導航實驗系統共配有十五種實驗，其中十五種實驗又可分為：基礎性實驗2)實驗二UTC時間與本地時間轉換實驗3)實驗三衛(wèi)星位置和多普勒頻移的分析與計算實驗4)實驗四實時傳輸誤差分析5)實驗五衛(wèi)星信噪比與仰角關系分析實驗6)實驗六幾何精度因子的分析與計算開拓性實驗1)實驗七接收機位置解算實驗2)實驗八衛(wèi)星測速實驗3)實驗九定向測姿實驗4)實驗十卡爾曼濾波實驗研發(fā)性實驗1)實驗十一GPS與GIS結合實驗2)實驗十二多系統融合定位實驗3)實驗十三RTK定位實驗4)實驗十四抗窄帶干擾實驗5)實驗十五NEMA命令解析實驗衛(wèi)星導航實驗系統建設思路2.1建設目標星導航實驗系統開發(fā)技術方案衛(wèi)星導航實驗系統的建設旨在激發(fā)學生對衛(wèi)星導航技術的學習興趣和探索2.2建設特色色：1)先進性2)學生利用該衛(wèi)星導航實驗平臺可以在真實的衛(wèi)星信號環(huán)境下，進行實驗。理GPS原理，還可以通過開放的實驗源程序，親自動手編制實3)該衛(wèi)星導航實驗系統所用到的算法、原始數據、硬件接口及軟件源程序等全創(chuàng)新人才培養(yǎng)能力星導航實驗系統開發(fā)技術方案驗管理6)高品質服務和技術指標主要功能如下：2)可以解算衛(wèi)星導航信息。3)軟件部分可以實現教師機與學生機的聯網控制。4)教師機軟件可以實現下發(fā)實驗任務操作。教師機軟件可以對學生機發(fā)來的報告進行收集。6)教師可以對實驗過程進行檢查指導。7)教師機可以評定實驗成績以及實驗任務的驗證。9)軟件部分對每個實驗配備了演示視頻。跡顯示功能。)軟件部分擁有個性化設置，可以自由搭配不同風格。考題，可以進行上傳實驗報告操作。技術指標如下：2.5米精度20nSS率z供電于接收GPS和北斗頻段的衛(wèi)星信號，天線具有高增益，良化≥3.5dB器增益37dB≤1.5dB抑制≥25dB(f0±100MHz)≥10dBm供電C性85℃90℃%不冷凝衛(wèi)星導航實驗系統的核心模塊LEA-M8TGNSS授時模塊。是全球領先LEA-M8TGNSS授時模塊通過國網電力科學研究院有限公司實驗驗證中心認證，該模塊可實現異常閏秒和時間跳變的檢測和報警功能，達到Q/GDW11539-2016電力系統時間同步及監(jiān)測技術規(guī)范標準。LEA-M8TGNSS授時模塊，支持GPS/QZSS、GLONASS、北斗和Galileo全星座衛(wèi)星信號接收，可為全球電力行業(yè)應用提供高完整性的精密授時服務。此外，依托信號高捕獲和追蹤靈敏度的特性，u-bloxNEO/LEA-M8T即使在具有挑戰(zhàn)性的信號環(huán)境下也能精準定位和精密授時。LEA-M8TGNSS授時系列模塊可利用u-bloxAssistNow和符合行業(yè)標準的校正數據，縮短首次定位時間，從而在產品首次安裝時便可獲得精準位置、時間和頻率信息。另外，憑借u-blox自主完整性監(jiān)測(RAIM)和連續(xù)相位不確定性估計技術，可以為實現LEA/NEO-M8T高標準的授時完整性提供有力支持。LEA-M8T模塊內部集成u-bloxM8芯片，不僅為各級電力調度機構、發(fā)電站、變電站等電力系統內的授時系統產品提供了高精度、高靈敏度、低功耗的解決方案，也對其設備的時間同步狀態(tài)進行實時監(jiān)測，以保證電力系統的穩(wěn)定運行。衛(wèi)星導航實驗平臺所獲得的實驗參數全部為LEA-M8T模塊接收的原始數據。通過串口進行通訊，它用于和上位機的通信，它接收到上位機發(fā)送的星導航實驗系統開發(fā)技術方案收命令，并放入串口接收緩沖區(qū)；con_Len，用于接收數據的長度，若數據長度括試驗幾以及年月日，并放入串口接收緩沖區(qū)；con_Check，用于校驗，若校驗el的數據發(fā)送。(目前沒有使用ACK)con_Class：發(fā)送協議中的字節(jié)，發(fā)送的內容從串口發(fā)送緩沖區(qū)中在Fun_System.c中填寫從串口發(fā)送緩沖區(qū)中獲得，該緩沖區(qū)是已經在Fun_System.c中填寫好的；星導航實驗系統開發(fā)技術方案4.2學生機與教師機通信技術學生機與教師機之間的通信是通過套接字連接，使用的協議是UDP協議。所謂套接字(Socket)，就是對網絡中不同主機上的應用進程之間進行雙向通信的端點的抽象。一個套接字就是網絡上進程通信的一端，提供了應用層進程利用網絡協議交換數據的機制。從所處的地位來講，套接字上聯應用進程，下聯網絡協議棧，是應用程序通過網絡協議進行通信的接口，是應用程序與網絡協議根進行交互的接口。Socket(套接字)可以看成是兩個網絡應用程序進行通信時，各自通信連接中的端點，這是一個邏輯上的概念。它是網絡環(huán)境中進程間通信的API(應用程序編程接口)，也是可以被命名和尋址的通信端點，使用中的每一個套接字都有其類型和一個與之相連進程。通信時其中一個網絡應用程序將要傳輸的一段信息寫入它所在主機的Socket中，該Socket通過與網絡接口卡(NIC)相連的傳輸介質將這段信息送到另外一臺主機的Socket中，使對方能夠接收到這段信息。Socket是由IP地址和端口結合的，提供向應用層進程傳送數據包的機制。套接字Socket=(IP地址：端口號)，套接字的表示方法是點分十進制的lP地址后面寫上端口號，中間用冒號或逗號隔開。每一個傳輸層連接唯一地被通，而端口號是23，那么得到套接字就是(210.37.145.1：23)。主要類型①流套接字(SOCK_STREAM)流套接字用于提供面向連接、可靠的數據傳輸服務。該服務將保證數據能夠實現無差錯、無重復送，并按順序接收。流套接字之所以能夠實現TransmissionControlProtocol)協議。②數據報套接字(SOCK_DGRAM)數據報套接字提供一種無連接的服務。該服務并不能保證數據傳輸的可靠性,數據有可能在傳輸過程中丟失或出現數據重復，且無法保證順序地接收到數據。數據報套接字使用UDP(UserDatagramProtocol)協議進行數星導航實驗系統開發(fā)技術方案據的傳輸。由于數據報套接字不能保證數據傳輸的可靠性，對于有可能出現的數據丟失情況，需要在程序中做相應的處理。③原始套接字(SOCK_RAW)原始套接字與標準套接字(標準套接字指的是前面介紹的流套接字和數據報套接字)的區(qū)別在于：原始套接字可以讀寫內核沒有處理的IP數據包，而流套接字只能讀取TCP協議的數據，數據報套接字只能讀取UDP協議的數據。因此，如果要訪問其他協議發(fā)送的數據必須使用原始套接。在本套軟件中使用了數據報套接字的方法，這種方法是種無連接的服務，使用了UDP協議進行數據的傳輸，UDP協議與TCP協議一樣用于處理數據包，在OSI模型中，兩者都位于傳輸層，處于IP協議的上一層。UDP有不提供數據包分組、組裝和不能對數據包進行排序的缺點，也就是說，當報文發(fā)送之后，是無法得知其是否安全完整到達的。UDP用來支持那些需要在計算機之間傳輸數據的網絡應用。包括網絡視頻會議系統在內的眾多的客戶/服務器模式的網絡應用都需要使用UDP協議。UDP協議從問世至今已經被使用了很多年，雖然其最初的光彩已經被一些類似協議所掩蓋，但即使在今天UDP仍然不失為一項非常實用和可行的網絡傳輸層協議。優(yōu)點：UDP速度比TCP快，由于UDP不需要先與對方建立連接，也不需要傳輸確認，因此其數據傳輸速度比TCP快得多。UDP有消息邊界，使用UDP不需要考慮消息邊界問題，使用上比TCP簡單。UDP可以一對多傳輸，利用UDP可以使用廣播或組播的方式同時向子網上的所有客戶發(fā)送信息，這一點也比TCP方便。缺點：UDP可靠性不如TCP，與TCP不同，UDP并不提供數據傳送的保證機制。如果在從發(fā)送方到接收方的傳遞過程中出現數據報的丟失，協議本身并不能做出任何檢測或提示。UDP不像TCP那樣能保證有序傳輸，UDP不能確保數據的發(fā)送和接收順序。對于突發(fā)性的數據報，有可能會亂序。事實上，UDP的這種亂序性基本上很少出現，通常只會在網絡非常擁擠的情況下才有可能發(fā)生。教師機可以下發(fā)實驗任務、下發(fā)實驗數據以及評定成績下發(fā)，還可以收集實驗報告、評定實驗成績。教師機下發(fā)任務、實驗數據和成績都是使星導航實驗系統開發(fā)技術方案用的特定端口發(fā)送的。教師機會將實驗報告收集到一個文件夾，每當教師機打開實驗操作的窗口的時候，程序會在軟件安裝目錄下的“實驗報告(學生上傳)”的文件夾中自動創(chuàng)建一個以當前時間為名稱的文件夾(以年月日時為名稱例2020081909)，學生上傳的文件都會在這個文件夾中，這樣可以方便的找到想要找的實驗報告。教師機可以顯示學生的實時狀態(tài)，學生機不同的狀態(tài)會有不同標志，教師機通過不斷的接收這個標志并且更新顯示，就可以實時的查看學生機的狀態(tài)。教師機還可以評定實驗成績，當老師查看完學生提交的實驗報告，可以返回到教師機評定成績，成績全部給完之后可以就可以下發(fā)成績了。4.3各實驗源數據的獲取技術本軟件實驗的數據大部分是由U-blox芯片接收到的數據，采用的是UBX協議，U-blox協議三個特點：1.字節(jié)對齊2.low-overhead校驗算法3.兩級消息標識符，分為classid和消息idbloxxBx幀頭之后緊接一個字節(jié)的classid和messageidLENGTH為兩個字節(jié)的消息長度，此長度僅僅包含PAYLOADA，字節(jié)序為低字節(jié)序PAYLOAD為輸出GPS數據CK_A和CK_B都是一個字節(jié)的校驗位，校驗算法如下：CK_A=0CK_B=0For(I=0;I<N;I++){CK_A=CK_A+Buffer[I]CK_B=CK_B+CK_A}通過查找U-blox的數據手冊整理實驗所需數據的命令所下所示：1)NAV-PVT(0x010x07)：輸出經緯度定位信息，用于坐標轉換。(WGS84)XYZ命令，時間轉換置解算和多普勒頻移實驗PS命令，電離層和對流層誤差實驗1)AID-HUI(0x0B0x02):輸出八個電離層模型校正參數NAVPOSSLLHxx經緯高定位信息和對應的GPS時間衛(wèi)星仰角的關系度因子2)NAV-POSLLH(0x010x02)：輸出經緯度定位信息.機位置解算實驗RXMRAWXxx:解析出偽距信息。4)NAV-PVT(0x010x07):獲得接收機的位置信息(經度緯度高度)，定向測姿1)NAV-SAT(0x010x35)：輸出可見衛(wèi)星一般狀態(tài)信息，包括可見衛(wèi)。2)NAV-PVT(0x010x07):獲得接收機的位置信息(經度緯度高度)與位置作對比IDEPHxBxRXMRAWXx20x15):解析出偽距信息。5)NAV-PVT(0x010x07):獲得接收機的位置信息(經度緯度高度)星導航實驗系統開發(fā)技術方案7)NAV_TIMEBDS(0x020x13):輸出北斗星歷3)NAV-PVT(0x010x07):獲得接收機的位置信息(經度緯度高度)x除了UBLOX芯片接收到的協議，還有一些我們自己生成的數據，這些數據是為了仿真用的，比如實驗九的定向測姿實驗，各種姿態(tài)都是我們自己設置的然后生成仿真數據，進行實驗，利用算法解算出答案。還有實驗十三的RTK定位實驗，參數是我們自己設定的根據這個參數程序給出我們一些仿真數據來進行實驗。仿真實驗可以說是實際實驗的的前提，而實際的操作又是對仿真實驗的驗證。二者的關系是相輔相成的。有些我們不能直接去進行實驗的只能用方正來做，雖然實際實驗的話可能會因為外界的影響產生誤差，但是沒有仿真的理論支持那么實際實驗也是完成不了的。4.4實驗策劃星導航實驗系統開發(fā)技術方案4.4.1基礎型實驗ECEFWGS84坐標系轉換實驗2)實驗二UTC時間與本地時間轉換實驗區(qū)的國家和地區(qū)而言，他們的當地時間與協調時之間只存在一個整數小時的差。3)實驗三衛(wèi)星位置和多普勒頻移的分析與計算實驗衛(wèi)星位置和多普勒頻移的分析與計算實驗是方便學生理解實時衛(wèi)星位置解4)實驗四實時傳輸誤差分析S星導航實驗系統開發(fā)技術方案5)實驗五衛(wèi)星信噪比與仰角關系分析實驗情況，，還受哪些因素的影響6)實驗六幾何精度因子的分析與計算P而GPS接收機通常也會將精度因子的值隨同定位結果一起輸出，以供用驗的設計旨在使學生理解幾何精度因子(DOP)在接收機導航解算過程中所起的TDOP子的計算過程。4.4.2應用型實驗開拓性實驗主要將目前衛(wèi)星導航中的一些典型的處理算法或環(huán)節(jié)，以各個實驗項目的形式加以分解、細化。使學生通過實驗熟悉常見的處理算法及程序，甚至能夠自己獨立編程完成部分環(huán)節(jié)。開拓性實驗可開設接收機位置解算實驗、衛(wèi)星測速實驗、定向測姿實驗與卡爾曼濾波此四個實驗項目：驗通過接收機位置解算實驗使學生理解接收機位置解算的基本原理及公式，本地鐘差對位置解算的影響以及各傳輸延遲對位置解算精度的影響。八衛(wèi)星測速實驗星導航實驗系統開發(fā)技術方案衛(wèi)星測速實驗的目的是為了使學生了解衛(wèi)星導航測速的基本原理以及基本速度。GPS接收器(載波L1頻點1575.42M)可以利用其輸出TTL數椐算出每位時間內的平均速度了實驗實驗十卡爾曼濾波實驗4.4.3研發(fā)性實驗1)實驗十一GPS與GIS結合實驗中應用全球導航定位系統(GPS)的研究。通過GPS和GIS結合實驗使學生掌星導航實驗系統開發(fā)技術方案2)實驗十二多系統融合定位實驗GPSGPS測站的幾何分布、擴大連續(xù)運行參考站系統網(CORS)的作用范圍等方面有很響。3)實驗十三RTK定位實驗GPS法，以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能實驗十四抗窄帶干擾實驗GPS容易受到來自地面或近地空間的電磁干擾，特別是在軍事通信中星導航實驗系統開發(fā)技術方案實驗平臺USB實驗平臺實驗平臺以太網以太網實驗平臺實驗平臺學生機以太網以太網USBUSB5)實驗十五實驗平臺USB實驗平臺實驗平臺以太網以太網實驗平臺實驗平臺學生機以太網以太網USBUSBGPS、GPS數據處理軟件、導航軟件衛(wèi)星導航實驗系統主要由教師機、學生機和實驗硬件平臺三部分組成。實驗平臺和計算機通過USB實現數據的交互，教師機和學生機通過以太網實現命令傳輸。其基本系統組成及連接框圖如圖5-1所示。教師機(服務器)學生機學生機USBUSB…學生機該實驗系統由教師機、學生機和實驗平臺三部分組成。教師機與學生機之間擬采用以太網連接，組建實驗室內部局域網，實現實驗數據的下發(fā)及上傳。主要實現以下幾方面的功能設計：包括教師分發(fā)實驗任務、下發(fā)實驗數據、實驗中間環(huán)節(jié)的檢查與指導、學生提交實驗結果、實驗報告等。另外，教師機自帶硬件實驗平臺，教師可以先行完成實驗任務的驗證工作，以便有的放矢地指導學生順利完成實驗。學生機與實驗平臺之間擬采用USB接口，實現學生機與實驗平臺之間的數據交互，由于大部分數據由仿真產生，學生機與實驗平臺之間有大量的數據需要傳輸，而USB接口結構簡單、傳輸速率快能夠完成數據的快速傳輸。實驗系統需獨立研發(fā)導航原理實驗系統管理軟件，該軟件分為教師用星導航實驗系統開發(fā)技術方案版本和學生用版本，分別安裝在教師機和學生機上。教師只需通過該軟件界面即可完成諸如實驗任務生成與下發(fā)、收集實驗報告、評定實驗成績等工作，另外如需要可將實驗報告存入數據庫留檔。學生只需通過該軟件界面即可完成整個實驗的操作流程。包括接收實驗任務、踐行各實驗環(huán)節(jié)、提交實驗報告以及與實驗平臺的命令和數據交互等?；谠搶嶒炏到y體系可以開展以下四類實驗項目：1.基礎性實驗1)ECEF坐標與WGS84坐標系轉換實驗2)UTC時間與本地時間轉換實驗3)衛(wèi)星位置和多普勒頻移的分析與計算實驗4)實時傳輸誤差分析5)衛(wèi)星信噪比與仰角關系分析實驗6)幾何精度因子的分析與計算2.開拓性實驗1)接收機位置解算實驗2)衛(wèi)星測速實驗3)定向測姿實驗4)卡爾曼濾波實驗3.研發(fā)性實驗多系統融合定位實驗抗窄帶干擾實驗系統)衛(wèi)星信號，并進行捕獲、跟蹤定位、導航電文解析及觀測量提取等環(huán)節(jié)。星導航實驗系統開發(fā)技術方案學生任務機實驗平臺狀態(tài)顯示LEA-M8T高精度接收機模塊STM32高性機按鍵及其它配置電路存儲器擴展授時信學生任務機實驗平臺狀態(tài)顯示LEA-M8T高精度接收機模塊STM32高性機按鍵及其它配置電路存儲器擴展授時信號輸出衛(wèi)星導航實驗硬件平臺選用了美國U-Blox公司最新推出的高精度定位授時界面交互及與學生機的數據傳輸。衛(wèi)星導航實驗系統硬件平臺主要包括臺內衛(wèi)星信號輸入USBRS232衛(wèi)星導航實驗平臺LEAMTGPS可以捕捉北斗信號和6.2單片機選型星導航實驗系統開發(fā)技術方案6.2.1STM32優(yōu)勢STM單片機，一般運用的場合多為應用控制，它主要是和51，AVR等競爭低端單片機市場，優(yōu)勢在于處理速度相對較高(F4現在最高大類：小容量(16K和32K)、中容量(64K和128K)、大容量(256K、384KSTM32系列32位閃存微控制器基于突破性的ARMCortex-M3內核，這是6.2.2STM32F103優(yōu)勢)具有低功耗模式。三種低功耗模式，睡眠模式、停機模式和待機模式。所有端口都允許5V信號輸入。每個端口都可以由軟件配置成輸出(推挽或開漏)、輸入(帶或不帶上拉或下拉)或其它的外設功能口。星導航實驗系統開發(fā)技術方案A行單線調試(SWD)功能。通常默認的調試接口是JTAG接口。6.3U-Blox選型衛(wèi)星導航實驗硬件平臺選用了美國U-Block公司最新推出的高精度定位授6.3.1U-BLOX優(yōu)勢u-blox定時產品包括帶有接收機自主完整性監(jiān)視(RAIM)和連續(xù)相位不確定認證站點生產，并在系統級別上進行全面測試。合格測試按照ISO16750標準:星導航實驗系統開發(fā)技術方案6.3.2LEA-M8T優(yōu)勢LEA-M8T模塊在世界范圍的應用中提供高完整性、精確性定時。對北斗和市場的定位和跟蹤靈敏度。星授時優(yōu)化精度和可用性。周期性工作，功耗最小化?？啃宰畲蠡?。警，可靠性最大化。軟件設計衛(wèi)星導航實驗平臺研發(fā)了一套集實驗開展和實驗網絡化管理于一體的大型網絡化實驗管理子程序實現實驗教學的全面網絡化管理。包括實驗任務下星導航實驗系統開發(fā)技術方案7.1教師機與學生機互聯設計界面會顯示當前介入局域網的學生機。教師機通過選擇下發(fā)實驗任務及學生機姓名進。以下為具體操作了流程2.登陸就教師機和學生機，教師機和學生機分別選擇實驗操作按鈕。星導航實驗系統開發(fā)技術方案檢測到學生機教師機選擇下發(fā)實驗任務按鈕。星導航實驗系統開發(fā)技術方案選擇實驗操作功能。7.2教師子系統軟件設計7.2.1教師機功能設計教師子系統包括網絡通信、實驗任務編輯、實驗數據生成、實驗數據下發(fā)、實驗結果收集、實驗結果評價、實驗結果查詢、實驗報告收集、實驗報告打印、實驗報告查詢等模塊。網絡通信模塊負責教師機與學生平臺的任務進行通信，基于局域網，具有多線程異步通信功能。實驗任務編輯模塊處理實驗名稱、實驗人員(學生姓名和學號)、實驗狀態(tài)等信息，調用實驗任務生成和實驗任務下發(fā)等模塊。每個任務可以對應一個學生平臺或若干個學生平臺。實驗任務下發(fā)模塊根據實驗任務的實驗人員信息(學生姓名和學號)，星導航實驗系統開發(fā)技術方案調用網絡通信模塊把實驗任務和下發(fā)到對應的學生平臺，如圖實驗結果收集模塊在后臺工作，網絡通信模塊把學生平臺上傳的實驗結果數據交付本模塊，由本模塊保存到指定目錄下或保存到數據庫中。實驗結果評價模塊記錄教師對實驗結果的評價，調用下發(fā)模塊下發(fā)到學生平臺。實驗報告收集在后臺工作，負責接收學生們上傳的實驗報告，實驗報告采用Word文件方式上傳實驗報告可以存儲在本地指定的目錄中。實驗報告查詢模塊提供給教師隨時查看學生上傳的實驗報告，并給出實驗成績，記錄到數據庫中。實驗報告查詢模調用實驗報告打印模塊。7.2.2教師機操作流程設計星導航實驗系統開發(fā)技術方案圖7-9所示。首先是軟件主體的使用，教師機軟件登錄后進入功能選擇界面，其中包括實驗指導、演示視頻、實驗操作、題庫和換膚功能。其中實驗指導中包括建設方案、各個實驗項目、程序設計方法和軟硬件說明書；實驗操作界面為實驗結果展示界面；演示視頻和題庫中包含各個實驗的操作講解和實驗的思考題及答案。 實驗指導建設方案各個實驗項目程序設計方法軟硬件使用說明書圖7-10所示。接下來就是軟件的具體功能了，教師機實驗指導界面包含四個選擇項：1)建設方案：描述實驗室建設的思路以及實驗室系統的組成。2)各個實驗項目：包括各個實驗的詳解，以及實驗的操作步驟。3)程序設計方法：描述各個實驗定制程序的設計方法。4)軟硬件使用說明書：包含硬件平臺的使用和軟件平臺的使用說明書。星導航實驗系統開發(fā)技術方案 通信平臺設定更改前景色文件操作UBX協議前景色 通信平臺設定更改前景色文件操作UBX協議前景色實驗操作實驗選擇如圖7-11所示。教師機實驗操作界面菜單欄有四個選項：擇實驗”按鈕中顯示實驗任務窗口，它可以選擇部分或全部學生，點擊“下發(fā)實驗任務”下發(fā)學生機。在學生狀態(tài)管理窗口實時顯示當前局域網中所有學生的姓名、學號、主機名和實驗狀態(tài)等信息，并以進度條的形式直觀的顯示學生實驗進度。2)實驗選擇：選擇操作的實驗。包括三類實驗即基礎性實驗、開拓性實驗和研發(fā)性實驗。3)通訊平臺設定：選擇可用串口號，默認波特率、數據位、奇偶校驗位、停止位。4)更改前景色：更改衛(wèi)星星座前景色、定位軌跡圖前景色、定位結果前景色、UBX協議前景色和可用衛(wèi)星列表前景色。軟件菜單欄下方的工具欄有每個實驗的快速入口。教師機登陸成功后，即可隨時下發(fā)實驗命令和接收學生機上傳的實驗報告，教師機下發(fā)實驗和接收報告如圖7-12所示：(此操作的前提是教師機和學生機已經組建局域網)否否是是否教師機可以下發(fā)實驗任務、下發(fā)實驗數據以及評定成績下發(fā)，還可以收集實驗報告、評定實驗成績。教師機下發(fā)任務、實驗數據和成績都是使用的特定端口發(fā)送的。教師機會將實驗報告收集到一個文件夾，每當教師機打開實驗操作的窗口的時候，程序會在軟件安裝目錄下的“實驗報告(學生上傳)”的文件夾中自動創(chuàng)建一個以當前時間為名稱的文件夾(以年月日時為名稱例2020081909)，學生上傳的文件都會在這個文件夾中，這樣可以方便的找到想要找的實驗報告。教師機可以顯示學生的實時狀態(tài)，學生機不同的狀態(tài)會有不同標志，教師機通過不斷的接收這個標志并且更新顯示，就可以實時的查看學生機的狀態(tài)。教師機還可以評定實驗成績，當老師查看完學生提交的實驗報告，可以返回到教師機評定成績，成績全部給完之后可以就可以下發(fā)成績了。星導航實驗系統開發(fā)技術方案 通信平臺設定更改前景色文件操作UBX協議前景色 通信平臺設定更改前景色文件操作UBX協議前景色7.3學生子系統軟件設計7.3.1學生機操作流程設計學生機軟件端與教師軟件主機面功能相同，但是學生端的題庫中無答案，實驗界面(實驗操作)中文件操作中分為打開歷史數據和上傳實驗報 實驗操作實驗選擇如圖7-13所示。學生機實驗操作界面菜單欄有四個選項：1)文件操作：點擊“上傳實驗報告”按鈕，在對話框中選擇完成的實驗，點擊“新建報告文檔”按鈕，新建實驗報告；點擊“上傳實驗報告”按鈕，選擇實驗報告及可。2)實驗選擇：選擇操作的實驗。包括三類實驗即基礎性實驗、開拓性實驗和研發(fā)性實驗。3)通訊平臺設定：選擇可用串口號，默認波特率、數據位、奇偶校驗位、停止位不變。4)更改前景色：更改衛(wèi)星星座前景色、定位軌跡圖前景色、定位結果前景色、UBX協議前景色和可用衛(wèi)星列表前景色。學生機選擇實驗和上傳實驗報告流程如圖7-14所示星導航實驗系統開發(fā)技術方案上傳實驗報告選擇完成的實驗上傳實驗報告文件操作新建報告文檔完成實驗操作上傳實驗報告選擇完成的實驗上傳實驗報告文件操作新建報告文檔完成實驗操作教教師機與學生機組網學學生機登錄學生機接收教師下發(fā)的實驗任務、實驗數據和成績也是用的特定端口。學生機實時的狀態(tài)也可以在教師機上顯示，學生機程序中會有一個全局的變量每當學生機進入一個實驗或者退出實驗都會改變這個變量的值，把這個值發(fā)送到教師機，教師機通過這個值就可以知道學生機的狀態(tài)了。針對每個具體實驗，將整個實驗過程分成若干實驗步驟，并為其定制相應的實驗操作圖形化界面，學生僅在該界面下即可完成整個實驗操作。完成各實驗步驟時，學生需要進行正確的參數配置，才能得到正確的實驗結果。各步驟完成后，可將中間結果上傳給教師機，教師可根據該結果給出對應的成績或指導。需根據不同的實驗進行實驗各環(huán)節(jié)的詳細規(guī)劃。整個實驗流程設置力求清晰合理，使學生通過實驗加深對各部分知識點的理解，最大限度的起到輔助教學的作用。7.3.1學生機功能設計學生子系統包括網絡通信、USB通信、實驗任務及數據接收、實驗數星導航實驗系統開發(fā)技術方案據生成、實驗數據下發(fā)、實驗結果上傳、評價接收、實驗報告編輯、實驗報告上傳等模塊。網絡通信模塊負責學生任務機與教師機進行通信，采用UDP協議。USB通信模塊負責任務機與硬件平臺進行命令及數據的交互，實驗數據保存在文件中。實驗任務及數據接收模塊接收通信模塊交來的教師機下發(fā)的實驗任務在界面顯示。實驗數據生成模塊根據實驗任務要求進行生成數據的參數配置，調用事先編制好的程序模塊,生成實驗時用到的仿真數據源，并保存在指定的目錄下。如果實驗數據是從衛(wèi)星上收到的話，該模塊負責對硬件平臺收到的衛(wèi)星數據進行參數配置，數據解析，為我們的實驗提供數據基礎。實驗數據下發(fā)模塊調用USB通信模塊把實驗數據下發(fā)到硬件平臺進行實驗。實驗結果上傳模塊接收由USB通信模塊傳遞來的實驗結果數據文件后上傳到教師機。評價接收模塊接收并顯示網絡通信模塊提交來的教師的評價。實驗報告編輯模塊提供給學生完成實驗報告文字內容，實驗報告編輯模塊調用實驗報告上傳模塊。7.5指導書、實驗演示、題庫擴展功能設計為了能更快的熟悉本套設備以及實驗流程，我們一套完整的實驗指導書，硬件使用說明書以及軟件使用說明書。我們會有一套紙質版的，如果不想翻看紙質版的，軟件已經內置了指導書，可以直接在軟件中查看。關于實驗流程，我們還特意錄制了詳細步驟的視頻放到了軟件中，可以幫助用戶快速的熟悉此軟件的實驗流程。為了更好的配合教學，檢查學生對實驗及課程相關知識點的掌握情況，本實驗系統配套了題庫擴展功能。根據教學內容或實驗內容，題庫自帶習星導航實驗系統開發(fā)技術方案題及參考答案模板。7.4定制程序拓展功能設計本軟件自帶實驗程序，如有必要，可要求學生編制C語言程序，編譯生成可執(zhí)行文件，并存入制定目錄，實驗系統會調用該模塊，以供學有余力的同學進一步學習，進一步提高。實驗流程設計1基礎類實驗8.1.1實驗一ECEF坐標與WGS84坐標系轉換實驗ECEF(Earth-Centered，Earth-Fixed)坐標系：以地球為中心，是一個笛卡地心O為坐標原點的地球坐標系，所以兩者又均是地心地固(ECEF)坐標系。是通過國際協議確定的協議地球坐標系(CoventionalTerrestialSystem-CTS)。WGS心地固直角坐標系經常被簡稱為WGS-84地心地固坐標系或GPS計算中，地心地固直角坐標系和大地坐標系之間的坐標需來回星導航實驗系統開發(fā)技術方案N心O為坐標原點，其Z軸指向協議地球的北極，X軸指向參考子午面與地球赤道的一個交點，而X,Y和Z三軸一起構成右手直角坐標系。大地坐標系可以說N如圖8-1大地坐標系轉換空間坐標系流程圖，len為實際Xml文件中的數據個數。a2?b2e=2a 1?e2sin20系，關系式為：(7-1)(7-2)(7-3)(7-4)(7-5)否否開始定義變量讀取Xml中的數據初始化橢球體的基本參數大地坐標系轉換空間坐標系算法ii<len?是寫入Xml文件束如圖8-1空間坐標系轉換大地坐標系流程圖，從地心地固直角坐標(x,y,z)yxyxcos0pN+h(7-6)(7-7)(7-8)因為h的計算式含有待求的0，而0的計算式反過來又有待求的h，所以我們一般只得借助迭代法來逐次逼近、求解0和h的值。迭代法的計算過程一般可表述如下：不妨先假設0的值等于0，可分別依次計算出N，h和0，然后再將剛得到的0重新代入，再一次更新N，h，和0的值，如此循環(huán)。一般經過3-4次星導航實驗系統開發(fā)技術方案否否開始定義變量讀取Xml中的數據初始化橢球體的基本參數空間坐標系轉換大地坐標系算法ii<len?是寫入Xml文件束8.1.2實驗二UTC時間與本地時間轉換實驗UTC時間=GPS時間-17UTC周數=當前GPSUTC時間=GPS時間-17UTC周數=當前GPS周數開始定義變量讀取Xml文件數據初始化周數、周內秒和時區(qū)等參數GPS-16>0?UTC時間=GPS時間-17UTC周數=當前GPS周數-1UTC的秒數=UTC時間+1將周，周內秒轉換為從1980.1.1到現在的秒數定義數組為四年每個月的天數天數=GPS秒/一天的秒數天內秒=總秒數-天數*一天的秒數計算當天所處的月、日將時間轉換為年月時區(qū)調整寫入Xml文件束C否8.1.3實驗三衛(wèi)星位置和多普勒頻移的分析與計算實驗否收機的三維位置。對GPS某顆衛(wèi)星進行實時位置的解算，需要已知這航電文與測距碼(C/A碼)一起先通過調制而依附在正弦形式的L1載波上，然r距離d。計算衛(wèi)星與接收機在t時間內的平均相對徑向運動速度，再將此速度轉如圖8-3衛(wèi)星位置和多普勒頻移的分析與計算實驗流程圖。開始定義變量讀取Xml中的數據初始化以及定義衛(wèi)星參數計算衛(wèi)星位置ii>len?是LenLen>=2?結束1)計算規(guī)劃時間tk4)計算信號發(fā)送時刻的偏近點角Ek5)計算信號發(fā)送時刻的真近點角vkkik8)計算攝動校正后的升交點角距uk衛(wèi)星矢徑長度rk和軌道傾角ik9)計算信號發(fā)送時刻衛(wèi)星在在軌道平面的位置(xk,yk)10)計算信號發(fā)送時刻的升交點赤經k8.1.4實驗四實時傳輸誤差分析GPS衛(wèi)星屬于中軌道衛(wèi)星，GPS信號在傳播時要經過大氣層。離地面約0~100km的大氣層成為電離層，而電離層中的大氣分子在太陽光的照射下會分生改變，這種現象在光學物理中稱為折射。電離層延時是對GPS接收機測星導航實驗系統開發(fā)技術方案開始定義變量讀取Xml中的數據變量賦值計算電離層延遲寫入Xml文件結束結束1)計算地心角2)計算穿地點緯度3)計算穿刺點經度4)計算穿刺點磁緯度5)計算穿刺點地方時6)計算投影系數，傾斜因子7)計算振幅和周期GPS接收機測量定位的影響比電離層延遲的影響要小。電磁波在對流層中星導航實驗系統開發(fā)技術方案0開始定義變量讀取Xml中的數據變量賦值計算對流層延遲寫入Xml文件結束結束1)計算絕對溫度2)計算大氣壓3)計算高程值4)計算干分量折射數的高程值5)計算干分量傾斜率6)計算對流層延時的干分量7)計算水氣分壓8)計算濕分量折射數的高程值9)計算濕分量傾斜率10)計算對流層延時的濕分量11)計算對流層延時8.1.5實驗五衛(wèi)星信噪比與仰角關系分析實驗GPS衛(wèi)星信號的信噪比(即相對強度噪聲)定義為單位帶寬(Hz)內信號功率與噪聲功率之比的分貝量(dB)，即dB/Hz。信噪比SNR(signaltonoiseratio)，它定義為信號功率PR與噪聲功率N之間的比率，即SNR=PR/N，就是衛(wèi)星的信號強度，是對信號噪聲的信號信息內容的測量。信噪比SNR沒有單位，其值經常表達成分貝的形式。信噪比越高，則信號的質量越好。載波噪聲比C/N簡稱星導航實驗系統開發(fā)技術方案Xml據8.1.6實驗六幾何精度因子的分析與計算PGPS接收機通常也會將精度因子的值隨同定位結果一起輸出，以供用然而不同的GPS接收機由于采用了不同選星方法使得衛(wèi)星與接收機之致其輸出的GPS定位精度是不同的。精度因子星導航實驗系統開發(fā)技術方案開始定義變量讀取Xml中的數據所選衛(wèi)星方向余弦矩陣賦值計算矩陣轉置，矩陣乘法，矩陣求逆計算精度因子計算定位誤差寫入Xml文件結束8.2開拓類實驗8.2.1實驗七接收機位置解算實驗在GPS數據處理中，衛(wèi)星坐標一版采用地心地固坐標系，由于地心地固坐標系會隨地球自轉而旋轉變化，從而對衛(wèi)星位置產生影響。所以在高精度的GPS測量時必須考慮地球自轉校正。本實驗旨在理解接收機位置解算的基本原理及公式、本地鐘差對位置解算的影響以及各傳輸延遲對位置解算精度的影響，如錯誤!未找到引用源。。星導航實驗系統開發(fā)技術方案否誤差衛(wèi)星參數賦值選用四顆衛(wèi)星計算修正后偽距、修正