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實(shí)驗(yàn)室采用網(wǎng)絡(luò)化管理模式，實(shí)驗(yàn)任務(wù)下發(fā)、實(shí)驗(yàn)開展、實(shí)驗(yàn)進(jìn)度把控及實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，全面納入統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化管理，教師可以在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面控制和管理，從而提高實(shí)驗(yàn)效率和教學(xué)效果，可**實(shí)現(xiàn)了無紙化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)組成框圖如圖 1 所示
圖 1 衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖
教師機(jī)與學(xué)生機(jī)之間采用以太網(wǎng)連接，組建實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的全程在線管理。主要包括以下幾方面的功能：教師分發(fā)實(shí)驗(yàn)任務(wù)、下發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)中間環(huán)節(jié)的檢查與指導(dǎo)、學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。另外，教師機(jī)自帶硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師可以先行完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的驗(yàn)證工作，以便有的放矢地指導(dǎo)學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)。
學(xué)生機(jī)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間采用 RS232 串行接口，實(shí)現(xiàn)學(xué)生機(jī)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互，主要包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置命令交互和接收導(dǎo)航電文。RS232 串行接口結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高能夠完成數(shù)據(jù)的可靠傳輸。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有一套功能強(qiáng)大的衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管理軟件，該軟件分為教師用版本和學(xué)生用版本，分別安裝在教師機(jī)和學(xué)生機(jī)上。教師只需通過該軟件界面即可完成諸如實(shí)驗(yàn)任務(wù)生成與下發(fā)、收集實(shí)驗(yàn)報(bào)告、評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績等工作，另外如需要可將實(shí)驗(yàn)報(bào)告存入數(shù)據(jù)庫留檔。學(xué)生只需通過該軟件界面即可完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作流程。包括接收實(shí)驗(yàn)任務(wù)、踐行各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的命令和數(shù)據(jù)交互等。為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，該軟件附帶題庫功能。每個(gè)實(shí)驗(yàn)后都有一定數(shù)量的思考題，包括選擇、判斷、簡答等題型。教師可以隨機(jī)抽取若干思考題，下發(fā)給學(xué)生。學(xué)生在線答題并提交，教師可以以此作為實(shí)驗(yàn)成績的參考。
另外，教師可自行對(duì)題庫進(jìn)行擴(kuò)充或刪減。
另外，GNSS 衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將空間信號(hào)接收下來，并通過轉(zhuǎn)發(fā)天線
轉(zhuǎn)發(fā)到室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)信號(hào)環(huán)境的再現(xiàn)，使學(xué)生在真實(shí)的信號(hào)環(huán)境下開展實(shí)驗(yàn)。
2.2 實(shí)驗(yàn)室軟硬件配置
1） GNSS 衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)
為了使學(xué)生在真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境下開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室配備 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的功能是接收室外 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)濾波、放大、轉(zhuǎn)發(fā)等環(huán)節(jié)，將室外天線收到的有效 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)入室內(nèi)，解決室內(nèi)無法接收到衛(wèi)星信號(hào)的問題。室內(nèi)全向發(fā)射天線將 GNSS 信號(hào)進(jìn)行發(fā)射，即可使信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接收到衛(wèi)星信號(hào)，順利開展各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)實(shí)物如圖 2所示。
圖 2 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)實(shí)物圖
2） 高精度衛(wèi)星接收天線
高精度衛(wèi)星接收天線用于接收GPS和北斗頻段的衛(wèi)星信號(hào)，天線具有高增益，良好的低仰角增益、廣角圓極化和穩(wěn)定的相位中心等特點(diǎn)。
天線實(shí)物圖如圖 3所示。
圖 3 高精度衛(wèi)星接收天線實(shí)物圖
天線主要性能指標(biāo)見表 1 所示。
表 1 高精度接收天線性能指標(biāo)列表
電氣特性
頻率范圍
1575±5MHz（GPS）
1561±4MHz（北斗二代）
極化方式
右旋圓極化
天線增益
≥3.5dB
放大器增益
≥37dB
噪聲系數(shù)
≤1.5dB
反射損耗
-14dB（即駐波比≤1.5）L
E
A
-
M
8
T
高
精
度
接
收
機(jī)
模
塊
學(xué)
生
任
務(wù)
機(jī)
二
次
開
發(fā)
接
口
存
儲(chǔ)
器
擴(kuò)
展
實(shí)
驗(yàn)
平
臺(tái)
狀
態(tài)
顯
示
按
鍵
及
其
它
配
置
電
路
電
源
S
T
M
3
2
高
性
能
單
片
機(jī)
串
口
授
時(shí)
信
號(hào)
輸
出
衛(wèi)
星
信
號(hào)
輸
入
干擾抑制
≥25dB（f0±100MHz）
p-1
≥ 10dBm
阻抗
50Ω
供 電
3V/5V DC
外形尺寸
體 積
φ 96×126mm
電纜長度
10 米/30 米或任選
安裝方式
螺紋（M24×1.5）連接
環(huán)境特性
工作溫度
-45℃~85℃
貯存溫度
-50℃~90℃
工作濕度
95%不冷凝
3） 北斗/GPS 雙模衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)
北斗/GPS 雙模衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)負(fù)責(zé)接收轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)際 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)，并進(jìn)行捕獲、跟蹤定位、導(dǎo)航電文解析及觀測(cè)量提取等環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過串口將實(shí)驗(yàn)必須的各項(xiàng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)送入學(xué)生任務(wù)機(jī)，支持各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展。
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理框圖如圖 4 所示。
圖 4 衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)平臺(tái)原理框圖
衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用了美國 U-Block 公司推出的高精度定位授時(shí)接收機(jī)模塊 LEA-M8T 作為系統(tǒng)核心部件，配以 STM32 高性能單片機(jī)完成人機(jī)界面交互及與學(xué)生機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)主要包括 LEA-M8T 高精度接收機(jī)模塊、STM32高性能單片機(jī)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、按鍵及其它配置電路、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)狀態(tài)顯示電路和電源電路等。
另外，為了滿足教師或?qū)W生在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開展課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)或
科研項(xiàng)目研發(fā)等工作，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)預(yù)留了二次開發(fā)接口，通過該接口用戶可以直接訪問接收機(jī)模塊或通過既定協(xié)議與單片機(jī)通信。衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖
5 所示。
圖 5 北斗/GPS 雙模衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖
衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要性能參數(shù)見表 2。
表 2 衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要性能指標(biāo)列表
工作模式
72 通道 GPS/北斗雙模定位
定位精度
2.5 米
授時(shí)精度
≤20nS
靈敏度
－160dBm
冷啟時(shí)間
27S
數(shù)據(jù)更新率
2Hz
工作溫度
－40℃~85℃
供 電
220V AC
4） GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)
衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一套集實(shí)驗(yàn)開展和實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)化管理于一體的大型實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)分為教師機(jī)版本和學(xué)生機(jī)版本。該軟件由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主程序、各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子程序和實(shí)驗(yàn)管理子程序等幾部分組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)通過串口與硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)讀取實(shí)驗(yàn)所需的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過文件的形式傳送給實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子程序。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子程序負(fù)責(zé)各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成。該程序?qū)⒈緦?shí)驗(yàn)所要完成的功能按照處理流程分步驟完成，并在界面上顯示。使學(xué)生在操作實(shí)驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)原理及處理方法。另外預(yù)留了自定制實(shí)驗(yàn)程序入口，學(xué)生可通過自己編制C 語言程序來完成實(shí)驗(yàn)。為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提供了方便。網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)管理子程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面網(wǎng)絡(luò)化管理。包括實(shí)驗(yàn)任務(wù)下發(fā)、實(shí)驗(yàn)中間過程管理及實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交、收集和入庫等環(huán)節(jié)。教師只需通過軟件就能掌控整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行情況，了解每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，并實(shí)現(xiàn)無紙化辦公。
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