卫星导航实验系统开发技术方案

星导航实验系统开发技术方案..................................................................................................................4验系统建设思路...................................................................................................5......................................................................................................................5......................................................................................................................6............................................................................................................7.........................................................................................................9LEAMT.....94.2学生机与教师机通信技术............................................................................................114.3各实验源数据的获取技术............................................................................................13....................................................................................................................16基础性实验............................................................................................................17开拓性实验............................................................................................................18研发性实验............................................................................................................19............................................................................................................21..................................................................................................................22..............................................................................................................23STM............................................24STMF...............................24UBlox.............................................................................................................25UBLOX...................................................................................................25LEAMT....................................................................................................26.....................................................................................................................26教师机与学生机互联设计............................................................................................27师子系统软件设计....................................................................................................29教师机功能设计...................................................................................................29.2.2教师机操作流程设计...........................................................................................30生子系统软件设计....................................................................................................34.3.1学生机操作流程设计............................................................................................34学生机功能设计....................................................................................................357.5指导书、实验演示、题库扩展功能设计......................................................................36程序拓展功能设计..................................................................................................37..................................................................................................................37.........................................................................................................378.1.2实验二UTC时间与本地时间转换实验............................................................40.1.4实验四实时传输误差分析.................................................................................438.1.5实验五卫星信噪比与仰角关系分析实验.........................................................458.1.6实验六几何精度因子的分析与计算.................................................................46..........................................................................................................478.2.1实验七接收机位置解算实验.............................................................................47实验八卫星测速实验.........................................................................................49实验九定向测姿实验.........................................................................................49.4实验十卡尔曼滤波实验.....................................................................................50..........................................................................................................518.3.2实验十二多系统融合定位实验.........................................................................52.3实验十三RTK定位实验.....................................................................................53.3.4实验十四抗窄带干扰实验.................................................................................55NEMA...55星导航实验系统开发技术方案卫星导航实验系统开发技术方案养学生动手实践能力，我公司精心推出了本套完善的卫星导航实验系统解决方卫星导航实验系统建设方案中包括卫星导航实验平台、实验系统各种配套设备、配套实验软件及实验指导书。本建设方案以《卫星导航实验原理》作为理论基础、以培养新型人才目标，结合各高校的实际需求，通过实验激发学生对卫星导航技术的学习兴趣和探索精神。卫星导航实验系统配备的卫星导航实验平台以美国U-Block最新生产的高精度定位授时接收机模块LEA-M8T作为系统核心部件，并配有STM32高性能单片机。为了使学生在真实卫星信号环境下开展实验，实验室配备GNSS卫星信号转系统。转发系统的功能是接收室外GNSS卫星信号，经滤波、放大、转发等环节，将室外天线收到的有效GNSS卫星信号转入室内，解决室内无法接收到卫星信号的问题。室内全向发射天线将GNSS信号进行发射，即可使信号覆盖范围内的导航实验平台接收到卫星信号，顺利开展各个实验项目。卫星导航实验系统配备的软件部分是一套集实验开展和实验网络化管理于一体的大型实验软件系统。该软件系统分为教师机版本和学生机版本。软件部分加入个性化设置，并配有卫星星座显示和卫星轨迹图功能。教师机与学生机通过局域网设置，可以实现网络通信、实验任务编辑、实验数据星导航实验系统开发技术方案生成、实验数据下发、实验结果收集、实验结果评价、实验结果查询、实验报告收集、实验报告打印、实验报告查询等功能。卫星导航实验系统实验部分提供实验源代码，学生可以在此平台上开展创新型实验。卫星导航实验系统共配有十五种实验，其中十五种实验又可分为：基础性实验2)实验二UTC时间与本地时间转换实验3)实验三卫星位置和多普勒频移的分析与计算实验4)实验四实时传输误差分析5)实验五卫星信噪比与仰角关系分析实验6)实验六几何精度因子的分析与计算开拓性实验1)实验七接收机位置解算实验2)实验八卫星测速实验3)实验九定向测姿实验4)实验十卡尔曼滤波实验研发性实验1)实验十一GPS与GIS结合实验2)实验十二多系统融合定位实验3)实验十三RTK定位实验4)实验十四抗窄带干扰实验5)实验十五NEMA命令解析实验卫星导航实验系统建设思路2.1建设目标星导航实验系统开发技术方案卫星导航实验系统的建设旨在激发学生对卫星导航技术的学习兴趣和探索2.2建设特色色：1)先进性2)学生利用该卫星导航实验平台可以在真实的卫星信号环境下，进行实验。理GPS原理，还可以通过开放的实验源程序，亲自动手编制实3)该卫星导航实验系统所用到的算法、原始数据、硬件接口及软件源程序等全创新人才培养能力星导航实验系统开发技术方案验管理6)高品质服务和技术指标主要功能如下：2)可以解算卫星导航信息。3)软件部分可以实现教师机与学生机的联网控制。4)教师机软件可以实现下发实验任务操作。教师机软件可以对学生机发来的报告进行收集。6)教师可以对实验过程进行检查指导。7)教师机可以评定实验成绩以及实验任务的验证。9)软件部分对每个实验配备了演示视频。迹显示功能。)软件部分拥有个性化设置，可以自由搭配不同风格。考题，可以进行上传实验报告操作。技术指标如下：2.5米精度20nSS率z供电于接收GPS和北斗频段的卫星信号，天线具有高增益，良化≥3.5dB器增益37dB≤1.5dB抑制≥25dB(f0±100MHz)≥10dBm供电C性85℃90℃%不冷凝卫星导航实验系统的核心模块LEA-M8TGNSS授时模块。是全球领先LEA-M8TGNSS授时模块通过国网电力科学研究院有限公司实验验证中心认证，该模块可实现异常闰秒和时间跳变的检测和报警功能，达到Q/GDW11539-2016电力系统时间同步及监测技术规范标准。LEA-M8TGNSS授时模块，支持GPS/QZSS、GLONASS、北斗和Galileo全星座卫星信号接收，可为全球电力行业应用提供高完整性的精密授时服务。此外，依托信号高捕获和追踪灵敏度的特性，u-bloxNEO/LEA-M8T即使在具有挑战性的信号环境下也能精准定位和精密授时。LEA-M8TGNSS授时系列模块可利用u-bloxAssistNow和符合行业标准的校正数据，缩短首次定位时间，从而在产品首次安装时便可获得精准位置、时间和频率信息。另外，凭借u-blox自主完整性监测(RAIM)和连续相位不确定性估计技术，可以为实现LEA/NEO-M8T高标准的授时完整性提供有力支持。LEA-M8T模块内部集成u-bloxM8芯片，不仅为各级电力调度机构、发电站、变电站等电力系统内的授时系统产品提供了高精度、高灵敏度、低功耗的解决方案，也对其设备的时间同步状态进行实时监测，以保证电力系统的稳定运行。卫星导航实验平台所获得的实验参数全部为LEA-M8T模块接收的原始数据。通过串口进行通讯，它用于和上位机的通信，它接收到上位机发送的星导航实验系统开发技术方案收命令，并放入串口接收缓冲区；con_Len，用于接收数据的长度，若数据长度括试验几以及年月日，并放入串口接收缓冲区；con_Check，用于校验，若校验el的数据发送。(目前没有使用ACK)con_Class：发送协议中的字节，发送的内容从串口发送缓冲区中在Fun_System.c中填写从串口发送缓冲区中获得，该缓冲区是已经在Fun_System.c中填写好的；星导航实验系统开发技术方案4.2学生机与教师机通信技术学生机与教师机之间的通信是通过套接字连接，使用的协议是UDP协议。所谓套接字(Socket)，就是对网络中不同主机上的应用进程之间进行双向通信的端点的抽象。一个套接字就是网络上进程通信的一端，提供了应用层进程利用网络协议交换数据的机制。从所处的地位来讲，套接字上联应用进程，下联网络协议栈，是应用程序通过网络协议进行通信的接口，是应用程序与网络协议根进行交互的接口。Socket(套接字)可以看成是两个网络应用程序进行通信时，各自通信连接中的端点，这是一个逻辑上的概念。它是网络环境中进程间通信的API(应用程序编程接口)，也是可以被命名和寻址的通信端点，使用中的每一个套接字都有其类型和一个与之相连进程。通信时其中一个网络应用程序将要传输的一段信息写入它所在主机的Socket中，该Socket通过与网络接口卡(NIC)相连的传输介质将这段信息送到另外一台主机的Socket中，使对方能够接收到这段信息。Socket是由IP地址和端口结合的，提供向应用层进程传送数据包的机制。套接字Socket=(IP地址：端口号)，套接字的表示方法是点分十进制的lP地址后面写上端口号，中间用冒号或逗号隔开。每一个传输层连接唯一地被通，而端口号是23，那么得到套接字就是(210.37.145.1：23)。主要类型①流套接字(SOCK_STREAM)流套接字用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务将保证数据能够实现无差错、无重复送，并按顺序接收。流套接字之所以能够实现TransmissionControlProtocol)协议。②数据报套接字(SOCK_DGRAM)数据报套接字提供一种无连接的服务。该服务并不能保证数据传输的可靠性,数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地接收到数据。数据报套接字使用UDP(UserDatagramProtocol)协议进行数星导航实验系统开发技术方案据的传输。由于数据报套接字不能保证数据传输的可靠性，对于有可能出现的数据丢失情况，需要在程序中做相应的处理。③原始套接字(SOCK_RAW)原始套接字与标准套接字(标准套接字指的是前面介绍的流套接字和数据报套接字)的区别在于：原始套接字可以读写内核没有处理的IP数据包，而流套接字只能读取TCP协议的数据，数据报套接字只能读取UDP协议的数据。因此，如果要访问其他协议发送的数据必须使用原始套接。在本套软件中使用了数据报套接字的方法，这种方法是种无连接的服务，使用了UDP协议进行数据的传输，UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包，在OSI模型中，两者都位于传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世至今已经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但即使在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。优点：UDP速度比TCP快，由于UDP不需要先与对方建立连接，也不需要传输确认，因此其数据传输速度比TCP快得多。UDP有消息边界，使用UDP不需要考虑消息边界问题，使用上比TCP简单。UDP可以一对多传输，利用UDP可以使用广播或组播的方式同时向子网上的所有客户发送信息，这一点也比TCP方便。缺点：UDP可靠性不如TCP，与TCP不同，UDP并不提供数据传送的保证机制。如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示。UDP不像TCP那样能保证有序传输，UDP不能确保数据的发送和接收顺序。对于突发性的数据报，有可能会乱序。事实上，UDP的这种乱序性基本上很少出现，通常只会在网络非常拥挤的情况下才有可能发生。教师机可以下发实验任务、下发实验数据以及评定成绩下发，还可以收集实验报告、评定实验成绩。教师机下发任务、实验数据和成绩都是使星导航实验系统开发技术方案用的特定端口发送的。教师机会将实验报告收集到一个文件夹，每当教师机打开实验操作的窗口的时候，程序会在软件安装目录下的“实验报告(学生上传)”的文件夹中自动创建一个以当前时间为名称的文件夹(以年月日时为名称例2020081909)，学生上传的文件都会在这个文件夹中，这样可以方便的找到想要找的实验报告。教师机可以显示学生的实时状态，学生机不同的状态会有不同标志，教师机通过不断的接收这个标志并且更新显示，就可以实时的查看学生机的状态。教师机还可以评定实验成绩，当老师查看完学生提交的实验报告，可以返回到教师机评定成绩，成绩全部给完之后可以就可以下发成绩了。4.3各实验源数据的获取技术本软件实验的数据大部分是由U-blox芯片接收到的数据，采用的是UBX协议，U-blox协议三个特点：1.字节对齐2.low-overhead校验算法3.两级消息标识符，分为classid和消息idbloxxBx帧头之后紧接一个字节的classid和messageidLENGTH为两个字节的消息长度，此长度仅仅包含PAYLOADA，字节序为低字节序PAYLOAD为输出GPS数据CK_A和CK_B都是一个字节的校验位，校验算法如下：CK_A=0CK_B=0For(I=0;I<N;I++){CK_A=CK_A+Buffer[I]CK_B=CK_B+CK_A}通过查找U-blox的数据手册整理实验所需数据的命令所下所示：1)NAV-PVT(0x010x07)：输出经纬度定位信息，用于坐标转换。(WGS84)XYZ命令，时间转换置解算和多普勒频移实验PS命令，电离层和对流层误差实验1)AID-HUI(0x0B0x02):输出八个电离层模型校正参数NAVPOSSLLHxx经纬高定位信息和对应的GPS时间卫星仰角的关系度因子2)NAV-POSLLH(0x010x02)：输出经纬度定位信息.机位置解算实验RXMRAWXxx:解析出伪距信息。4)NAV-PVT(0x010x07):获得接收机的位置信息(经度纬度高度)，定向测姿1)NAV-SAT(0x010x35)：输出可见卫星一般状态信息，包括可见卫。2)NAV-PVT(0x010x07):获得接收机的位置信息(经度纬度高度)与位置作对比IDEPHxBxRXMRAWXx20x15):解析出伪距信息。5)NAV-PVT(0x010x07):获得接收机的位置信息(经度纬度高度)星导航实验系统开发技术方案7)NAV_TIMEBDS(0x020x13):输出北斗星历3)NAV-PVT(0x010x07):获得接收机的位置信息(经度纬度高度)x除了UBLOX芯片接收到的协议，还有一些我们自己生成的数据，这些数据是为了仿真用的，比如实验九的定向测姿实验，各种姿态都是我们自己设置的然后生成仿真数据，进行实验，利用算法解算出答案。还有实验十三的RTK定位实验，参数是我们自己设定的根据这个参数程序给出我们一些仿真数据来进行实验。仿真实验可以说是实际实验的的前提，而实际的操作又是对仿真实验的验证。二者的关系是相辅相成的。有些我们不能直接去进行实验的只能用方正来做，虽然实际实验的话可能会因为外界的影响产生误差，但是没有仿真的理论支持那么实际实验也是完成不了的。4.4实验策划星导航实验系统开发技术方案4.4.1基础型实验ECEFWGS84坐标系转换实验2)实验二UTC时间与本地时间转换实验区的国家和地区而言，他们的当地时间与协调时之间只存在一个整数小时的差。3)实验三卫星位置和多普勒频移的分析与计算实验卫星位置和多普勒频移的分析与计算实验是方便学生理解实时卫星位置解4)实验四实时传输误差分析S星导航实验系统开发技术方案5)实验五卫星信噪比与仰角关系分析实验情况，，还受哪些因素的影响6)实验六几何精度因子的分析与计算P而GPS接收机通常也会将精度因子的值随同定位结果一起输出，以供用验的设计旨在使学生理解几何精度因子(DOP)在接收机导航解算过程中所起的TDOP子的计算过程。4.4.2应用型实验开拓性实验主要将目前卫星导航中的一些典型的处理算法或环节，以各个实验项目的形式加以分解、细化。使学生通过实验熟悉常见的处理算法及程序，甚至能够自己独立编程完成部分环节。开拓性实验可开设接收机位置解算实验、卫星测速实验、定向测姿实验与卡尔曼滤波此四个实验项目：验通过接收机位置解算实验使学生理解接收机位置解算的基本原理及公式，本地钟差对位置解算的影响以及各传输延迟对位置解算精度的影响。八卫星测速实验星导航实验系统开发技术方案卫星测速实验的目的是为了使学生了解卫星导航测速的基本原理以及基本速度。GPS接收器(载波L1频点1575.42M)可以利用其输出TTL数椐算出每位时间内的平均速度了实验实验十卡尔曼滤波实验4.4.3研发性实验1)实验十一GPS与GIS结合实验中应用全球导航定位系统(GPS)的研究。通过GPS和GIS结合实验使学生掌星导航实验系统开发技术方案2)实验十二多系统融合定位实验GPSGPS测站的几何分布、扩大连续运行参考站系统网(CORS)的作用范围等方面有很响。3)实验十三RTK定位实验GPS法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能实验十四抗窄带干扰实验GPS容易受到来自地面或近地空间的电磁干扰，特别是在军事通信中星导航实验系统开发技术方案实验平台USB实验平台实验平台以太网以太网实验平台实验平台学生机以太网以太网USBUSB5)实验十五实验平台USB实验平台实验平台以太网以太网实验平台实验平台学生机以太网以太网USBUSBGPS、GPS数据处理软件、导航软件卫星导航实验系统主要由教师机、学生机和实验硬件平台三部分组成。实验平台和计算机通过USB实现数据的交互，教师机和学生机通过以太网实现命令传输。其基本系统组成及连接框图如图5-1所示。教师机(服务器)学生机学生机USBUSB…学生机该实验系统由教师机、学生机和实验平台三部分组成。教师机与学生机之间拟采用以太网连接，组建实验室内部局域网，实现实验数据的下发及上传。主要实现以下几方面的功能设计：包括教师分发实验任务、下发实验数据、实验中间环节的检查与指导、学生提交实验结果、实验报告等。另外，教师机自带硬件实验平台，教师可以先行完成实验任务的验证工作，以便有的放矢地指导学生顺利完成实验。学生机与实验平台之间拟采用USB接口，实现学生机与实验平台之间的数据交互，由于大部分数据由仿真产生，学生机与实验平台之间有大量的数据需要传输，而USB接口结构简单、传输速率快能够完成数据的快速传输。实验系统需独立研发导航原理实验系统管理软件，该软件分为教师用星导航实验系统开发技术方案版本和学生用版本，分别安装在教师机和学生机上。教师只需通过该软件界面即可完成诸如实验任务生成与下发、收集实验报告、评定实验成绩等工作，另外如需要可将实验报告存入数据库留档。学生只需通过该软件界面即可完成整个实验的操作流程。包括接收实验任务、践行各实验环节、提交实验报告以及与实验平台的命令和数据交互等。基于该实验系统体系可以开展以下四类实验项目：1.基础性实验1)ECEF坐标与WGS84坐标系转换实验2)UTC时间与本地时间转换实验3)卫星位置和多普勒频移的分析与计算实验4)实时传输误差分析5)卫星信噪比与仰角关系分析实验6)几何精度因子的分析与计算2.开拓性实验1)接收机位置解算实验2)卫星测速实验3)定向测姿实验4)卡尔曼滤波实验3.研发性实验多系统融合定位实验抗窄带干扰实验系统)卫星信号，并进行捕获、跟踪定位、导航电文解析及观测量提取等环节。星导航实验系统开发技术方案学生任务机实验平台状态显示LEA-M8T高精度接收机模块STM32高性机按键及其它配置电路存储器扩展授时信学生任务机实验平台状态显示LEA-M8T高精度接收机模块STM32高性机按键及其它配置电路存储器扩展授时信号输出卫星导航实验硬件平台选用了美国U-Blox公司最新推出的高精度定位授时界面交互及与学生机的数据传输。卫星导航实验系统硬件平台主要包括台内卫星信号输入USBRS232卫星导航实验平台LEAMTGPS可以捕捉北斗信号和6.2单片机选型星导航实验系统开发技术方案6.2.1STM32优势STM单片机，一般运用的场合多为应用控制，它主要是和51，AVR等竞争低端单片机市场，优势在于处理速度相对较高(F4现在最高大类：小容量(16K和32K)、中容量(64K和128K)、大容量(256K、384KSTM32系列32位闪存微控制器基于突破性的ARMCortex-M3内核，这是6.2.2STM32F103优势)具有低功耗模式。三种低功耗模式，睡眠模式、停机模式和待机模式。所有端口都允许5V信号输入。每个端口都可以由软件配置成输出(推挽或开漏)、输入(带或不带上拉或下拉)或其它的外设功能口。星导航实验系统开发技术方案A行单线调试(SWD)功能。通常默认的调试接口是JTAG接口。6.3U-Blox选型卫星导航实验硬件平台选用了美国U-Block公司最新推出的高精度定位授6.3.1U-BLOX优势u-blox定时产品包括带有接收机自主完整性监视(RAIM)和连续相位不确定认证站点生产，并在系统级别上进行全面测试。合格测试按照ISO16750标准:星导航实验系统开发技术方案6.3.2LEA-M8T优势LEA-M8T模块在世界范围的应用中提供高完整性、精确性定时。对北斗和市场的定位和跟踪灵敏度。星授时优化精度和可用性。周期性工作，功耗最小化。靠性最大化。警，可靠性最大化。软件设计卫星导航实验平台研发了一套集实验开展和实验网络化管理于一体的大型网络化实验管理子程序实现实验教学的全面网络化管理。包括实验任务下星导航实验系统开发技术方案7.1教师机与学生机互联设计界面会显示当前介入局域网的学生机。教师机通过选择下发实验任务及学生机姓名进。以下为具体操作了流程2.登陆就教师机和学生机，教师机和学生机分别选择实验操作按钮。星导航实验系统开发技术方案检测到学生机教师机选择下发实验任务按钮。星导航实验系统开发技术方案选择实验操作功能。7.2教师子系统软件设计7.2.1教师机功能设计教师子系统包括网络通信、实验任务编辑、实验数据生成、实验数据下发、实验结果收集、实验结果评价、实验结果查询、实验报告收集、实验报告打印、实验报告查询等模块。网络通信模块负责教师机与学生平台的任务进行通信，基于局域网，具有多线程异步通信功能。实验任务编辑模块处理实验名称、实验人员(学生姓名和学号)、实验状态等信息，调用实验任务生成和实验任务下发等模块。每个任务可以对应一个学生平台或若干个学生平台。实验任务下发模块根据实验任务的实验人员信息(学生姓名和学号)，星导航实验系统开发技术方案调用网络通信模块把实验任务和下发到对应的学生平台，如图实验结果收集模块在后台工作，网络通信模块把学生平台上传的实验结果数据交付本模块，由本模块保存到指定目录下或保存到数据库中。实验结果评价模块记录教师对实验结果的评价，调用下发模块下发到学生平台。实验报告收集在后台工作，负责接收学生们上传的实验报告，实验报告采用Word文件方式上传实验报告可以存储在本地指定的目录中。实验报告查询模块提供给教师随时查看学生上传的实验报告，并给出实验成绩，记录到数据库中。实验报告查询模调用实验报告打印模块。7.2.2教师机操作流程设计星导航实验系统开发技术方案图7-9所示。首先是软件主体的使用，教师机软件登录后进入功能选择界面，其中包括实验指导、演示视频、实验操作、题库和换肤功能。其中实验指导中包括建设方案、各个实验项目、程序设计方法和软硬件说明书；实验操作界面为实验结果展示界面；演示视频和题库中包含各个实验的操作讲解和实验的思考题及答案。 实验指导建设方案各个实验项目程序设计方法软硬件使用说明书图7-10所示。接下来就是软件的具体功能了，教师机实验指导界面包含四个选择项：1)建设方案：描述实验室建设的思路以及实验室系统的组成。2)各个实验项目：包括各个实验的详解，以及实验的操作步骤。3)程序设计方法：描述各个实验定制程序的设计方法。4)软硬件使用说明书：包含硬件平台的使用和软件平台的使用说明书。星导航实验系统开发技术方案 通信平台设定更改前景色文件操作UBX协议前景色 通信平台设定更改前景色文件操作UBX协议前景色实验操作实验选择如图7-11所示。教师机实验操作界面菜单栏有四个选项：择实验”按钮中显示实验任务窗口，它可以选择部分或全部学生，点击“下发实验任务”下发学生机。在学生状态管理窗口实时显示当前局域网中所有学生的姓名、学号、主机名和实验状态等信息，并以进度条的形式直观的显示学生实验进度。2)实验选择：选择操作的实验。包括三类实验即基础性实验、开拓性实验和研发性实验。3)通讯平台设定：选择可用串口号，默认波特率、数据位、奇偶校验位、停止位。4)更改前景色：更改卫星星座前景色、定位轨迹图前景色、定位结果前景色、UBX协议前景色和可用卫星列表前景色。软件菜单栏下方的工具栏有每个实验的快速入口。教师机登陆成功后，即可随时下发实验命令和接收学生机上传的实验报告，教师机下发实验和接收报告如图7-12所示：(此操作的前提是教师机和学生机已经组建局域网)否否是是否教师机可以下发实验任务、下发实验数据以及评定成绩下发，还可以收集实验报告、评定实验成绩。教师机下发任务、实验数据和成绩都是使用的特定端口发送的。教师机会将实验报告收集到一个文件夹，每当教师机打开实验操作的窗口的时候，程序会在软件安装目录下的“实验报告(学生上传)”的文件夹中自动创建一个以当前时间为名称的文件夹(以年月日时为名称例2020081909)，学生上传的文件都会在这个文件夹中，这样可以方便的找到想要找的实验报告。教师机可以显示学生的实时状态，学生机不同的状态会有不同标志，教师机通过不断的接收这个标志并且更新显示，就可以实时的查看学生机的状态。教师机还可以评定实验成绩，当老师查看完学生提交的实验报告，可以返回到教师机评定成绩，成绩全部给完之后可以就可以下发成绩了。星导航实验系统开发技术方案 通信平台设定更改前景色文件操作UBX协议前景色 通信平台设定更改前景色文件操作UBX协议前景色7.3学生子系统软件设计7.3.1学生机操作流程设计学生机软件端与教师软件主机面功能相同，但是学生端的题库中无答案，实验界面(实验操作)中文件操作中分为打开历史数据和上传实验报 实验操作实验选择如图7-13所示。学生机实验操作界面菜单栏有四个选项：1)文件操作：点击“上传实验报告”按钮，在对话框中选择完成的实验，点击“新建报告文档”按钮，新建实验报告；点击“上传实验报告”按钮，选择实验报告及可。2)实验选择：选择操作的实验。包括三类实验即基础性实验、开拓性实验和研发性实验。3)通讯平台设定：选择可用串口号，默认波特率、数据位、奇偶校验位、停止位不变。4)更改前景色：更改卫星星座前景色、定位轨迹图前景色、定位结果前景色、UBX协议前景色和可用卫星列表前景色。学生机选择实验和上传实验报告流程如图7-14所示星导航实验系统开发技术方案上传实验报告选择完成的实验上传实验报告文件操作新建报告文档完成实验操作上传实验报告选择完成的实验上传实验报告文件操作新建报告文档完成实验操作教教师机与学生机组网学学生机登录学生机接收教师下发的实验任务、实验数据和成绩也是用的特定端口。学生机实时的状态也可以在教师机上显示，学生机程序中会有一个全局的变量每当学生机进入一个实验或者退出实验都会改变这个变量的值，把这个值发送到教师机，教师机通过这个值就可以知道学生机的状态了。针对每个具体实验，将整个实验过程分成若干实验步骤，并为其定制相应的实验操作图形化界面，学生仅在该界面下即可完成整个实验操作。完成各实验步骤时，学生需要进行正确的参数配置，才能得到正确的实验结果。各步骤完成后，可将中间结果上传给教师机，教师可根据该结果给出对应的成绩或指导。需根据不同的实验进行实验各环节的详细规划。整个实验流程设置力求清晰合理，使学生通过实验加深对各部分知识点的理解，最大限度的起到辅助教学的作用。7.3.1学生机功能设计学生子系统包括网络通信、USB通信、实验任务及数据接收、实验数星导航实验系统开发技术方案据生成、实验数据下发、实验结果上传、评价接收、实验报告编辑、实验报告上传等模块。网络通信模块负责学生任务机与教师机进行通信，采用UDP协议。USB通信模块负责任务机与硬件平台进行命令及数据的交互，实验数据保存在文件中。实验任务及数据接收模块接收通信模块交来的教师机下发的实验任务在界面显示。实验数据生成模块根据实验任务要求进行生成数据的参数配置，调用事先编制好的程序模块,生成实验时用到的仿真数据源，并保存在指定的目录下。如果实验数据是从卫星上收到的话，该模块负责对硬件平台收到的卫星数据进行参数配置，数据解析，为我们的实验提供数据基础。实验数据下发模块调用USB通信模块把实验数据下发到硬件平台进行实验。实验结果上传模块接收由USB通信模块传递来的实验结果数据文件后上传到教师机。评价接收模块接收并显示网络通信模块提交来的教师的评价。实验报告编辑模块提供给学生完成实验报告文字内容，实验报告编辑模块调用实验报告上传模块。7.5指导书、实验演示、题库扩展功能设计为了能更快的熟悉本套设备以及实验流程，我们一套完整的实验指导书，硬件使用说明书以及软件使用说明书。我们会有一套纸质版的，如果不想翻看纸质版的，软件已经内置了指导书，可以直接在软件中查看。关于实验流程，我们还特意录制了详细步骤的视频放到了软件中，可以帮助用户快速的熟悉此软件的实验流程。为了更好的配合教学，检查学生对实验及课程相关知识点的掌握情况，本实验系统配套了题库扩展功能。根据教学内容或实验内容，题库自带习星导航实验系统开发技术方案题及参考答案模板。7.4定制程序拓展功能设计本软件自带实验程序，如有必要，可要求学生编制C语言程序，编译生成可执行文件，并存入制定目录，实验系统会调用该模块，以供学有余力的同学进一步学习，进一步提高。实验流程设计1基础类实验8.1.1实验一ECEF坐标与WGS84坐标系转换实验ECEF(Earth-Centered，Earth-Fixed)坐标系：以地球为中心，是一个笛卡地心O为坐标原点的地球坐标系，所以两者又均是地心地固(ECEF)坐标系。是通过国际协议确定的协议地球坐标系(CoventionalTerrestialSystem-CTS)。WGS心地固直角坐标系经常被简称为WGS-84地心地固坐标系或GPS计算中，地心地固直角坐标系和大地坐标系之间的坐标需来回星导航实验系统开发技术方案N心O为坐标原点，其Z轴指向协议地球的北极，X轴指向参考子午面与地球赤道的一个交点，而X,Y和Z三轴一起构成右手直角坐标系。大地坐标系可以说N如图8-1大地坐标系转换空间坐标系流程图，len为实际Xml文件中的数据个数。a2−b2e=2a 1−e2sin20系，关系式为：(7-1)(7-2)(7-3)(7-4)(7-5)否否开始定义变量读取Xml中的数据初始化椭球体的基本参数大地坐标系转换空间坐标系算法ii<len?是写入Xml文件束如图8-1空间坐标系转换大地坐标系流程图，从地心地固直角坐标(x,y,z)yxyxcos0pN+h(7-6)(7-7)(7-8)因为h的计算式含有待求的0，而0的计算式反过来又有待求的h，所以我们一般只得借助迭代法来逐次逼近、求解0和h的值。迭代法的计算过程一般可表述如下：不妨先假设0的值等于0，可分别依次计算出N，h和0，然后再将刚得到的0重新代入，再一次更新N，h，和0的值，如此循环。一般经过3-4次星导航实验系统开发技术方案否否开始定义变量读取Xml中的数据初始化椭球体的基本参数空间坐标系转换大地坐标系算法ii<len?是写入Xml文件束8.1.2实验二UTC时间与本地时间转换实验UTC时间=GPS时间-17UTC周数=当前GPSUTC时间=GPS时间-17UTC周数=当前GPS周数开始定义变量读取Xml文件数据初始化周数、周内秒和时区等参数GPS-16>0?UTC时间=GPS时间-17UTC周数=当前GPS周数-1UTC的秒数=UTC时间+1将周，周内秒转换为从1980.1.1到现在的秒数定义数组为四年每个月的天数天数=GPS秒/一天的秒数天内秒=总秒数-天数*一天的秒数计算当天所处的月、日将时间转换为年月时区调整写入Xml文件束C否8.1.3实验三卫星位置和多普勒频移的分析与计算实验否收机的三维位置。对GPS某颗卫星进行实时位置的解算，需要已知这航电文与测距码(C/A码)一起先通过调制而依附在正弦形式的L1载波上，然r距离d。计算卫星与接收机在t时间内的平均相对径向运动速度，再将此速度转如图8-3卫星位置和多普勒频移的分析与计算实验流程图。开始定义变量读取Xml中的数据初始化以及定义卫星参数计算卫星位置ii>len?是LenLen>=2?结束1)计算规划时间tk4)计算信号发送时刻的偏近点角Ek5)计算信号发送时刻的真近点角vkkik8)计算摄动校正后的升交点角距uk卫星矢径长度rk和轨道倾角ik9)计算信号发送时刻卫星在在轨道平面的位置(xk,yk)10)计算信号发送时刻的升交点赤经k8.1.4实验四实时传输误差分析GPS卫星属于中轨道卫星，GPS信号在传播时要经过大气层。离地面约0~100km的大气层成为电离层，而电离层中的大气分子在太阳光的照射下会分生改变，这种现象在光学物理中称为折射。电离层延时是对GPS接收机测星导航实验系统开发技术方案开始定义变量读取Xml中的数据变量赋值计算电离层延迟写入Xml文件结束结束1)计算地心角2)计算穿地点纬度3)计算穿刺点经度4)计算穿刺点磁纬度5)计算穿刺点地方时6)计算投影系数，倾斜因子7)计算振幅和周期GPS接收机测量定位的影响比电离层延迟的影响要小。电磁波在对流层中星导航实验系统开发技术方案0开始定义变量读取Xml中的数据变量赋值计算对流层延迟写入Xml文件结束结束1)计算绝对温度2)计算大气压3)计算高程值4)计算干分量折射数的高程值5)计算干分量倾斜率6)计算对流层延时的干分量7)计算水气分压8)计算湿分量折射数的高程值9)计算湿分量倾斜率10)计算对流层延时的湿分量11)计算对流层延时8.1.5实验五卫星信噪比与仰角关系分析实验GPS卫星信号的信噪比(即相对强度噪声)定义为单位带宽(Hz)内信号功率与噪声功率之比的分贝量(dB)，即dB/Hz。信噪比SNR(signaltonoiseratio)，它定义为信号功率PR与噪声功率N之间的比率，即SNR=PR/N，就是卫星的信号强度，是对信号噪声的信号信息内容的测量。信噪比SNR没有单位，其值经常表达成分贝的形式。信噪比越高，则信号的质量越好。载波噪声比C/N简称星导航实验系统开发技术方案Xml据8.1.6实验六几何精度因子的分析与计算PGPS接收机通常也会将精度因子的值随同定位结果一起输出，以供用然而不同的GPS接收机由于采用了不同选星方法使得卫星与接收机之致其输出的GPS定位精度是不同的。精度因子星导航实验系统开发技术方案开始定义变量读取Xml中的数据所选卫星方向余弦矩阵赋值计算矩阵转置，矩阵乘法，矩阵求逆计算精度因子计算定位误差写入Xml文件结束8.2开拓类实验8.2.1实验七接收机位置解算实验在GPS数据处理中，卫星坐标一版采用地心地固坐标系，由于地心地固坐标系会随地球自转而旋转变化，从而对卫星位置产生影响。所以在高精度的GPS测量时必须考虑地球自转校正。本实验旨在理解接收机位置解算的基本原理及公式、本地钟差对位置解算的影响以及各传输延迟对位置解算精度的影响，如错误!未找到引用源。。星导航实验系统开发技术方案否误差卫星参数赋值选用四颗卫星计算修正后伪距、修正