專利名稱：衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，特別是一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)工作原理是衛(wèi)星導(dǎo)航專業(yè)教學(xué)的核心內(nèi)容和重要部分。本衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一套集軟件和硬件于一體，可以顯示、輸出衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)內(nèi)部中間信息，為掌握衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)內(nèi)部工作原理而提供的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，適合于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域教學(xué)、科研、接收機(jī)開(kāi)發(fā)、接收機(jī)芯片設(shè)計(jì)、衛(wèi)星完好性監(jiān)測(cè)、應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等專業(yè)人員使用。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種通過(guò)接收機(jī)接收多顆導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，接收機(jī)根據(jù)接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算得到接收機(jī)位置的系統(tǒng)。一般衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由分布于不同軌道平面的多顆衛(wèi)星組成，以保證在任何時(shí)間，應(yīng)用范圍內(nèi)的任何地點(diǎn)都可以接收到多顆衛(wèi)星的信號(hào)，比如對(duì)于現(xiàn)在運(yùn)行的GPS(Global Positioning System全球定位系統(tǒng))系統(tǒng)，應(yīng)用范圍是全球，要保證全球任何地方、任何時(shí)間可以接收到至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)就是接收衛(wèi)星信號(hào)，并根據(jù)接收到的衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算，得到位置、時(shí)間、速度的裝置。
圖1是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的組成的原理框圖。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)通常由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括天線、射頻部分、基帶處理。天線將空間中的導(dǎo)航衛(wèi)星電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。射頻部分將導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)放大、下變頻、濾波、數(shù)模變換，最后輸出數(shù)字信號(hào)。下變頻是指將衛(wèi)星波段的信號(hào)(頻率一般為1GHz到2GHz)降到幾MHz到幾十MHz的中頻信號(hào)，中頻信號(hào)才可以被進(jìn)一步做信號(hào)處理。濾波部分是一帶通濾波器，將帶外噪聲濾除。數(shù)模變換是將經(jīng)過(guò)下變頻和濾波后的中頻模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)可以被進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理?；鶐幚硪话闶菙?shù)字電路，處理來(lái)自射頻部分的中頻數(shù)字信號(hào)，主要功能是去掉直擴(kuò)序列和中頻載波。軟件部分運(yùn)行在嵌入式處理器上，根據(jù)基帶處理部分的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)寫(xiě)入控制參數(shù)到基帶處理部分。軟件部分由信號(hào)處理和解算兩部分組成。信號(hào)處理軟件主要包括衛(wèi)星信號(hào)捕獲、跟蹤、比特同步、比特信息提取等部分。解算部分主要功能是根據(jù)信號(hào)處理部分的結(jié)果計(jì)算得到接收機(jī)位置。
衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)工作原理是衛(wèi)星導(dǎo)航專業(yè)教學(xué)的核心內(nèi)容和重要部分。目前，還沒(méi)有專門(mén)的用于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，衛(wèi)星導(dǎo)航教學(xué)實(shí)驗(yàn)一般借助于市場(chǎng)上的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行。其不足之處有1、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)是以應(yīng)用為目的，只輸出最終定位結(jié)果，其導(dǎo)航定位內(nèi)部處理和運(yùn)算過(guò)程全部固化在硬件電路或嵌入式處理器內(nèi)，無(wú)法輸出內(nèi)部中間數(shù)據(jù)和運(yùn)算過(guò)程；2、無(wú)顯示輸出設(shè)備，無(wú)法使學(xué)生直觀的看到內(nèi)部中間數(shù)據(jù)和運(yùn)算過(guò)程；3、硬件、軟件固定，無(wú)法依照教學(xué)要求，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的工作原理有完整的了解。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決沒(méi)有衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備給衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)和實(shí)驗(yàn)所帶來(lái)的不便，提供一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生提供開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生能夠在真實(shí)設(shè)備、真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境下，將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)和運(yùn)算過(guò)程輸出顯示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析、算法實(shí)現(xiàn)、軟件編程，理解并掌握衛(wèi)星導(dǎo)航單向測(cè)距原理，掌握衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量誤差和信號(hào)傳輸誤差特性，掌握實(shí)時(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星軌道計(jì)算方法，理解DOP的物理意義、掌握其計(jì)算方法及應(yīng)用特性，掌握導(dǎo)航衛(wèi)星位置及多普勒頻移的預(yù)測(cè)方法等接收機(jī)核心技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過(guò)程的理解，掌握衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)核心算法和導(dǎo)航解算過(guò)程。
本發(fā)明還提供一種采用上述衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于包括衛(wèi)星導(dǎo)航接收裝置和與其連接并顯示該接收裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)和運(yùn)算過(guò)程的顯示裝置。
所述衛(wèi)星導(dǎo)航接收裝置包括硬件部分和軟件部分，所述硬件部分包括衛(wèi)星信號(hào)采集裝置，該采集裝置通過(guò)計(jì)算機(jī)接口互連于計(jì)算機(jī)。
所述計(jì)算機(jī)接口還互連有導(dǎo)航衛(wèi)星同步顯示器和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步時(shí)間顯示器，所述導(dǎo)航衛(wèi)星同步顯示器用于顯示當(dāng)前導(dǎo)航衛(wèi)星在空間的分布和信號(hào)接收情況，所述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步時(shí)間顯示器用于顯示當(dāng)前導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間和UTC時(shí)間。
所述衛(wèi)星信號(hào)采集裝置包括依次連接的天線、射頻部分和基帶處理部分。
所述軟件部分包括運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)錄取軟件和可編程衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)程序庫(kù)軟件。
所述軟件部分還包括運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置解算軟件、實(shí)時(shí)傳輸誤差計(jì)算軟件、幾何精度因子計(jì)算軟件、導(dǎo)航解算軟件和/或可視衛(wèi)星位置預(yù)測(cè)軟件。
采用上述衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于利用系統(tǒng)中軟件部分的軟件及其人機(jī)界面程序，進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)錄取；實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置解算及結(jié)果分析；實(shí)時(shí)傳輸誤差計(jì)算與特性分析及信噪比與衛(wèi)星仰角關(guān)系；幾何精度因子的實(shí)時(shí)計(jì)算與分析；導(dǎo)航解算接收機(jī)位置、時(shí)間，以及結(jié)果分析；可視衛(wèi)星位置預(yù)測(cè)。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下在本發(fā)明之前，衛(wèi)星導(dǎo)航教學(xué)實(shí)驗(yàn)借助完整的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行。但完整的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)只輸出定位結(jié)果，其導(dǎo)航定位內(nèi)部處理和運(yùn)算過(guò)程全部固化在硬件電路或嵌入式處理器內(nèi)。因此，采用完整的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)無(wú)法系統(tǒng)、全面的了解接收機(jī)內(nèi)部工作原理。本發(fā)明的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一套集軟件和硬件于一體，可以顯示、輸出衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)內(nèi)部中間信息，為掌握衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)內(nèi)部工作原理專門(mén)設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，適合于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域教學(xué)、科研、接收機(jī)開(kāi)發(fā)、接收機(jī)芯片設(shè)計(jì)、衛(wèi)星完好性監(jiān)測(cè)、應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等專業(yè)人員使用。本發(fā)明的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以應(yīng)用于任何衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括美國(guó)的GPS系統(tǒng)，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)，歐洲的伽利略系統(tǒng)，中國(guó)的北斗系統(tǒng)，以及以后可能出現(xiàn)的新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。


圖1為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的組成原理框圖。
圖2為本發(fā)明的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，如圖2和圖3所示。圖2所示的硬件部分包括天線、射頻部分、基帶處理、計(jì)算機(jī)接口、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航衛(wèi)星同步顯示器、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步時(shí)間顯示器。天線將空間中的導(dǎo)航衛(wèi)星電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。射頻部分將導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)放大、下變頻、濾波、數(shù)模變換，最后輸出數(shù)字信號(hào)?；鶐幚聿糠滞瓿蓴U(kuò)頻信號(hào)的相關(guān)接收、距離測(cè)量、數(shù)據(jù)解碼等工作，并通過(guò)計(jì)算機(jī)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)完成接收機(jī)原理實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)操作和編程。導(dǎo)航衛(wèi)星同步顯示器用于顯示當(dāng)前導(dǎo)航衛(wèi)星在空間的分布和信號(hào)接收情況，紅燈表示衛(wèi)星在可視范圍，但信號(hào)未被收到，綠色表示衛(wèi)星信號(hào)已收到，不發(fā)光表示衛(wèi)星不在可視范圍。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步時(shí)間顯示器用于顯示當(dāng)前導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間和UTC時(shí)間。軟件部分包括導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)錄取軟件、可編程衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)程序庫(kù)軟件、實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置解算軟件、實(shí)時(shí)傳輸誤差計(jì)算軟件、幾何精度因子計(jì)算軟件、導(dǎo)航解算解算軟件、可視衛(wèi)星位置預(yù)測(cè)軟件等。通過(guò)這些軟件和人機(jī)界面程序，操作者可進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)錄??；實(shí)驗(yàn)二實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置解算及結(jié)果分析；實(shí)驗(yàn)三實(shí)時(shí)傳輸誤差計(jì)算與特性分析及信噪比與衛(wèi)星仰角關(guān)系；實(shí)驗(yàn)四幾何精度因子(DOP)的實(shí)時(shí)計(jì)算與分析；實(shí)驗(yàn)五導(dǎo)航解算(接收機(jī)位置、時(shí)間)及結(jié)果分析；實(shí)驗(yàn)六可視衛(wèi)星位置預(yù)測(cè)。
本設(shè)備適用于各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)的原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括美國(guó)的GPS系統(tǒng)、歐洲的伽利略系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)等，具有實(shí)時(shí)接收能力、具有接收機(jī)核心算法和數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⒐δ苋?、操作方便等特點(diǎn)。
應(yīng)當(dāng)指出，以上所述具體實(shí)施方式

可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。因此，盡管本說(shuō)明書(shū)參照實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和技術(shù)實(shí)質(zhì)的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于包括衛(wèi)星導(dǎo)航接收裝置和與其連接并顯示該接收裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)和運(yùn)算過(guò)程的顯示裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述衛(wèi)星導(dǎo)航接收裝置包括硬件部分和軟件部分，所述硬件部分包括衛(wèi)星信號(hào)采集裝置，該采集裝置通過(guò)計(jì)算機(jī)接口互連于計(jì)算機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述計(jì)算機(jī)接口還互連有導(dǎo)航衛(wèi)星同步顯示器和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步時(shí)間顯示器，所述導(dǎo)航衛(wèi)星同步顯示器用于顯示當(dāng)前導(dǎo)航衛(wèi)星在空間的分布和信號(hào)接收情況，所述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步時(shí)間顯示器用于顯示當(dāng)前導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間和UTC時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述衛(wèi)星信號(hào)采集裝置包括依次連接的天線、射頻部分和基帶處理部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述軟件部分包括運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)錄取軟件和可編程衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)程序庫(kù)軟件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述軟件部分還包括運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置解算軟件、實(shí)時(shí)傳輸誤差計(jì)算軟件、幾何精度因子計(jì)算軟件、導(dǎo)航解算軟件和/或可視衛(wèi)星位置預(yù)測(cè)軟件。
7.采用權(quán)利要求6所述的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于利用系統(tǒng)中軟件部分的軟件及其人機(jī)界面程序，進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)錄取；實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置解算及結(jié)果分析；實(shí)時(shí)傳輸誤差計(jì)算與特性分析及信噪比與衛(wèi)星仰角關(guān)系；幾何精度因子的實(shí)時(shí)計(jì)算與分析；導(dǎo)航解算接收機(jī)位置、時(shí)間，以及結(jié)果分析；可視衛(wèi)星位置預(yù)測(cè)。
全文摘要
一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括衛(wèi)星導(dǎo)航接收裝置和與其連接并顯示該接收裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)和運(yùn)算過(guò)程的顯示裝置。本衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生提供開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生能夠在真實(shí)設(shè)備、真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境下，將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)和運(yùn)算過(guò)程輸出顯示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析、算法實(shí)現(xiàn)、軟件編程，理解并掌握衛(wèi)星導(dǎo)航單向測(cè)距原理，掌握衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量誤差和信號(hào)傳輸誤差特性，掌握實(shí)時(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星軌道計(jì)算方法，理解DOP的物理意義、掌握其計(jì)算方法及應(yīng)用特性，掌握導(dǎo)航衛(wèi)星位置及多普勒頻移的預(yù)測(cè)方法等接收機(jī)核心技術(shù)。本發(fā)明還提供一種采用上述衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。
文檔編號(hào)G09B25/00GK1862627SQ2006100120
公開(kāi)日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者張峻林 申請(qǐng)人:北京東方聯(lián)星科技有限公司