全球卫星导航系统课程实践教学研究

姜 毅，张淑芳，胡 青

(大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026)

全球卫星导航系统课程实践教学研究

姜 毅，张淑芳，胡 青

(大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026)

针对全球卫星导航系统课程教学过程中系统性理论知识点较多的特点，对该课程实践教学问题进行了探讨。提出了利用GNSS模拟器加强全球卫星导航系统课程实践教学的方法和具体应用。通过GNSS模拟器仿真全球卫星导航系统的工作场景，验证该课程理论教学所学知识，提高学生的学习兴趣，加深其对课程理论知识的理解和掌握。

全球卫星导航系统；GNSS模拟器；实践教学

全球卫星导航系统应用于人们生活的各个方面，例如手机定位、车载导航仪等[1]。中国的北斗卫星导航系统正在不断完善和推广，根据《国务院办公厅关于促进地理信息产业发展的意见》与《国家卫星导航产业中长期发展规划》，将进一步加快北斗卫星导航系统在大众领域的推广应用和产业化发展。因此，未来全球卫星导航系统的应用将会更加普及[2]。全球卫星导航系统课程是为了满足这一社会发展需求而设立的，侧重于全球卫星导航系统的原理性知识教育。大连海事大学的该课程于2012年获批成为教育部“精品视频公开课”。

全球卫星导航系统课程内容包括以下五个方面：(1)全球卫星导航系统发展综述；(2)全球卫星导航系统定位的几何原理和精度评价；(3)人造地球卫星的基本理论；(4)全球卫星导航系统构成与定位原理；(5)全球卫星导航系统的信号格式与定位解算。该课程在强调全球卫星导航系统的基本概念、原理和方法的同时，要求能够较好地掌握典型的全球卫星导航系统——GPS的系统组成、信号设计和工作流程[3]。由于该课程涉及大量的系统性理论知识，容易使学生感到学习枯燥，所以若能利用GNSS模拟器加强该课程的实践教学，不仅可以提高学生的学习兴趣，而且还会加深学生对理论知识的理解，大幅度提升课程的教学水平和质量。因此，利用GNSS模拟器加强全球卫星导航系统课程的实践教学就显得尤为重要。

本文主要探讨利用GNSS模拟器辅助全球卫星导航系统课程的教学，加强实践教学环节，避免在该课程教学中，出现学生重理论轻实践，只会做题不会实际应用的情况。GNSS模拟器具有可操作性强、直观易学等优点，通过利用GNSS模拟器加强全球卫星导航系统课程的实践教学，既可以调动学生的学习积极性，活跃课堂气氛，又能够对学生加深课程理论知识内容的理解起到很好的推动作用。

1 GNSS模拟器介绍

GNSS模拟器是一种能够模拟全球全天候任一时刻(或时间段)任一位置的卫星导航系统运行情况的设备。它能够对GNSS星座群生成的信号加以控制，生成与GNSS卫星相同的发送信号，通过单台设备便可在可控的实验室条件下，实现全球测试环境模拟。因此，GNSS模拟器为GNSS接收机及相关系统的测试提供了一种高效的手段。

目前，市面上存在多款GNSS模拟器，但各类模拟器的功能均十分类似。其中，GNSS模拟器的主流产品是英国思博伦公司的多通道GNSS星座模拟器，包括GSS6300、GSS6700、GSS8000等多个系列。我国也有多家公司生产此类产品，如北京华力创通科技股份有限公司的研发型卫星导航信号模拟器(HWA-RNSS-7300)，北京东方联星公司的NS700多通道可编程导航卫星信号模拟器和NS800北斗多模信号模拟器等。

由于市场上最成熟且应用最广泛的产品是思博伦公司的多通道GNSS星座模拟器，因此，本文主要以GSS8000为例加以说明和描述。

GNSS模拟器由一个用以满足特定测试需求的信号发生器和一台运行模拟软件SimGEN的控制计算机组成。其中，信号发生装置采用模块化设计，能够轻松地满足不同应用的需求，最多可支持三个射频载波信号，而且能够根据需要灵活选择多种卫星星座和卫星信号[4]；模拟软件SimGEN能够实现多种模拟功能，包括大气效应、天线接收增益/相位模式、地形障碍、多路径反射、差分校正等，还具有为陆地、航空、航海和航天等运动体生成轨迹的功能[5]。

学生可通过SimGEN模拟软件简便易用的图形化用户界面轻松地修改全球卫星导航系统相关运行参数的设定，更好地理解和掌握全球卫星导航系统运行和信号处理算法的理论。通过利用GNSS模拟器加强实践教学，学生更容易接受课堂上讲授的理论知识。

2 GNSS模拟器在实践教学中的应用研究

以运动体的定位应用为例，用GNSS模拟器进行全球卫星导航系统课程实践教学的主要内容有：

1)星座设置

包括星座选择(GPS，GLONASS，Galileo，QZSS)、卫星选择依据、卫星移动定义、卫星信号控制、导航电文控制、发射天线模式等。

2)大气效应设置

包括对流层、电离层模型选择，相应参数设置。

3)接收天线设置

包括天线安放位置、天线增益、天线模式、天线阵列等。

4)运动体设置

包括运动体特性、运动体运行轨迹等。

5)多径与遮挡设置

包括运动体的运动环境、多路径反射模型选择等。

利用GNSS模拟器加强课程实践教学具体可分为教师指导部分和学生独立设计部分。其中，任课教师利用GSS8000对典型全球卫星导航系统场景进行仿真实验指导，帮助学生加深对书本理论知识的理解。工作界面环境如图1所示。

图1 GPS系统场景工作界面环境

利用GSS8000模拟运动体定位应用的过程，首先，需要建立工作场景，包括星座设置(如星座选择、信号频率选择、信号强度设置)，大气参数设置(如电离层、对流层模型参数)，运动体参数设置(如运动体移动特性、接收天线位置/增益/相位模式)等。

运行仿真场景，根据需要观察相应的系统运行信息，包括卫星信息和运动体信息，举例如下：

图2显示的是所有卫星和运动体的运动轨迹。其中标号为1、2、8、10、12、15、18、19、22和23的曲线为GPS卫星的运动轨迹，标号为3、4、5、6、7、9、13、14、20、21和24的曲线为GLONASS卫星的运动轨迹，中间的连续长曲线为运动体的位置轨迹。

图3显示的是以运动体作为中心点的卫星分布星空图。可根据需要显示所选卫星具有的最佳几何精度因子(DOP)值，并且能够随时改变显示的DOP值类型(如GDOP、PDOP等)。

图2 卫星和运动体的运动轨迹

图3 卫星分布星空图

图4为当前可见卫星的功率显示。左键点击相应卫星，可观察该颗卫星的信号成分，如图5所示；右键点击可打开可见卫星的功率控制界面，如图6所示，实时滑动控制各个卫星发射的信号功率。

图4 可见卫星功率显示

图6 可见卫星功率控制

学生在任课教师具体实验指导的基础上，利用已搭建的典型运动体定位场景进行修改，如修改选择的星座，修改运动体的特性，模拟船舶的运动特点，观测卫星信号的变化规律。通过该平台，学生不仅可以对GPS的工作场景进行仿真，还可以非常方便地利用该平台研究北斗等其他自己感兴趣的全球卫星导航系统。

此外，学生还可在任课老师的帮助下，对工作场景运行产生的卫星和运动体的数据类仿真信息进行采集与处理。教师可指导学生编制卫星运动场景，并记录下场景设置的各种信息参数，如干扰条件下的相关数据等，保存卫星和运动体的位置信息数据、电文信息等，引导学生据此以自主或互助研讨方式探究影响运动体定位的因素，引导学生自主归纳，剖析现象背后的原因与实质。

3 结束语

全球卫星导航系统课程是为了满足我国卫星导航产业化发展需求而设立的，侧重于全球卫星导航系统的原理性知识教育。本文从实践教学的角度出发，充分利用GNSS模拟器仿真全球卫星导航系统的工作场景，挖掘其对课程理论教学的验证能力，提高学生在学习全球卫星导航系统时的兴趣，促使其加深对课程理论知识的理解和掌握。

[1]魏经堂, 郭鹏鹏. 国外导航卫星系统发展概况[J]. 现代教育科学, 2009(1): 379-380.

[2]林贝妮, 邱永华. 谈基于卫星导航产业需求的中职人才培养定位[J]. 中等职业教育, 2012(23): 12-14.

[3] 谢钢. GPS原理与接收机设计[M]. 北京:电子工业出版社,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

大连海事大学教学改革基金资助项目(2014Q05)。

姜 毅(1982-),女,博士,讲师,研究方向:全球卫星导航系统理论与应用。

G642.4

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.023