全球卫星导航系统实验室建设方案Ver.doc

卫星导航综合实验室 建设方案 北斗/GPS/GLONASS 技术研究、产品开发、教学实验 适用于高校、科研院所、专业开发公司 信号、算法、软件、数据、平台、接口多模兼容、组合导航、抗干扰、高灵敏、仿真测试 北京东方联星科技有限公司 OLinkStar Co. Ltd. Beijing China 东方联星 版权所有 2009-2015 北京东方联星科技有限公司 OlinkStar Co. Ltd. Page 1 of 14一、建设卫星导航实验室的必要性 经过半个世纪的探索，今天的全球卫星导航系统已经成为信息社会的基础设施，受到了世界各国的高度重视。卫星导航定位系统的应用已经覆盖航空、航海、航天、国防、测量、授时、车载、手机等各个方面，并由此引发了继互联网、移动通信之后，信息产业的第三次浪潮。 中国在北斗一号卫星导航定位系统的基础上，建设了北斗二号卫星导航系统，北斗二号即将成为与美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS 并驾齐驱的世界三大卫星导航系统之一。 由于卫星导航应用的广泛性和多样化，社会对卫星导航技术开发、方法研究、产品设计、产品测试等方面的需求日益提高，专业研发机构也如雨后春笋，层出不穷，对卫星导航专业技术人才的需求越来越迫切。 卫星导航综合实验室建设方案针对高校、科研院所、专业开发公司对卫星导航基础科研和教学设施的需求，设计一套功能齐全、技术先进的卫星导航综合实验系统，其中包括北斗/GPS/GLONASS 卫星信号的接收、原始信号录取、原始数据录取、导航信息处理、算法实现、高灵敏度、抗干扰、多模兼容、GNSS/INS 深组合、模拟仿真测试等技术设备。该综合实验室为高等院校、科研院所、专业开发公司提供了基础研发和教学平台。 该综合实验室的基本功能是卫星导航核心技术开发、卫星导航算法研究、卫星导航仿真测试、卫星导航教学实验。并充分开放软件、算法、硬件接口、数据、编程方法等技术。具有开放性、完整性和先进性，是卫星导航技术和产品设计开发和研究的理想环境。 地址：北京市海淀区王庄路 1 号（清华同方科技广场）B 座 908 室 100083 电话：010-83185858 传真：010-83185859 北京东方联星科技有限公司 OlinkStar Co. Ltd. Page 2 of 14二、卫星导航综合实验室简介 卫星导航产业具有应用需求多样、技术密集度高、技术更新快、产业链长的特点，为满足高校、科研院所、专业开发公司对卫星导航技术研究和开发的需求，建立“卫星导航综合实验室”。 本着开放性、先进性、共享性、持续性的原则，该综合实验室设计时，通过合理配置设备、接口、软件、数据、功能，保证了以上五个特性的实现。 开放性：卫星导航综合实验室实现了卫星导航接收机内部核心算法、软件源程序、原始数据、硬件接口等全方位开放。用户可以在开放的环境下，根据自己的需求，开展科研、设计、开发工作。 先进性：卫星导航综合实验室提供的技术和设备，保持了与当前国际先进技术同步，并通过不断的软件和硬件更新和扩展，跟踪国际先进技术。 共享性：卫星导航综合实验室通过系统设计，有效地把信号生成、信号转发、信号接收、数据处理等功能在不同设备上实现，这些设备既可以独立工作，又可以互联互通，实现数据、软件、硬件的共享。 持续性：由于采取了开放式设计，可以方便地将卫星导航的新技术、新方法纳入到该综合实验室，从而保证了该实验室的新颖性和持续可扩展能力。 卫星导航综合实验室分为两个类型：即技术研究和开发实验型、教学实验型。三、卫星导航教学实验室建设方案3.1 实验目的 卫星导航教学实验室是东方联星公司配合卫星导航系统教学专门提供的高校实验室建设方案。该实验室为老师和学生提供开放式的试验环境，使学生在真实设备、真实卫星信号环境下，亲自动手进行卫星导航实验和编程。为学生毕业后顺利进入卫星导航领域，从事卫星导航教学、科研、应用等工作奠定坚实的理论基础、积累实践经验。 此实验室的教学目的为：1、 理解 GPS 原理2、 理解 GPS 编程过程 地址：北京市海淀区王庄路 1 号（清华同方科技广场）B 座 908 室 100083 电话：010-83185858 传真：010-83185859 北京东方联星科技有限公司 OlinkStar Co. Ltd. Page 3 of 143、 理解 GPS 接收机算法实现4、 GPS/北斗二代/GLONASS 多系统导航产品应用5、 理解 GPS/北斗二代/GLONASS 接收机测试方法6、 理解 GNSS/INS 组合导航系统工作原理和使用方法7、 理解 GSM/GPS 通讯导航一体化设备的工作原理和使用方法3.2 实验内容A、针对 GPS 原理教学，可以设计如下实验内容： 1、 实时卫星位置解算及结果分析； 2、 实时传输误差计算与特性分析及信噪比与卫星仰角关系； 3、 几何精度因子（DOP）的实时计算与分析； 4、 导航解算及结果分析； 5、 可视卫星位置预测实验； 6、 空间坐标与时间坐标转换； 7、 NMEA0183 协议实验。B、针对 GPS 编程教学，可以设计如下实验内容： 1、根据导航电文和接收机时间计算 GPS 卫星三维位置； 2、计算卫星信号多普勒频率； 3、计算卫星信号经过电离层产生的延时误差； 4、计算卫星信号经过大气层产生的延时误差； 5、计算导航定位几何精度因子，即 HDOP、VDOP、PDOP、TDOP、GDOP； 6、根据已知位置和时间，预测可视卫星在轨道上的位置和多普勒频移； 7、建立导航方程并解方程，计算接收机 ECEF 坐标系内的位置、时间； 8、ECEF 坐标系与 WGS84 坐标系坐标变换编程实验； 9、GPS 时间与 UTC 时间、本地时间坐标变换编程实验。C、针对 GPS 接收机算法实现，可以设计如下实验内容： 1、GPS 卫星信号搜索过程实验； 2、GPS 卫星跟踪过程实验； 3、GPS 卫星导航电文解码实验； 地址：北京市海淀区王庄路 1 号（清华同方科技广场）B 座 908 室 100083 电话：010-83185858 传真：010-83185859 北京东方联星科技有限公司 OlinkStar Co. Ltd. Page 4 of 14 4、GPS 卫星伪距测量实验； 5、导航方程求解； 6、几何精度因子计算； 7、NMEA0183 数据格式生成实验。D、针对卫星导航产品应用，可以设计如下实验内容 1、GPS 跟踪与监控实验； 2、GPS 车载导航实验； 3、GPS/北斗二代/GLONASS 多系统板卡组合定位实验； 4、GNSS/INS 组合导航系统定位实验。E、针对卫星导航接收机测试教学，可以设计如下实验内容： 1、定位精度测试； 2、启动时间测试； 3、接收灵敏度测试。F、针对 GSM/GPS 通讯导航一体化教学，可以设计如下实验内容： 1、AT 指令编程，控制 GSM 模块通话、发短信、移动上网等功能； 2、获取 GPS 定位信息，并通过短信或者 GPRS 方式将定位信息发到指定联系人处； 3、通过获取的 GPS 定位信息，在电子地图上显示。3.3 实验手段1、卫星导航信号源： 建议配备一套 NS600 12 通道 GPS 信号模拟器，以提供稳定的 GPS 卫星信号，从 而满足不同实验需要。同时可以根据实验室需要，再配备一台 BD1100 北斗二代导航卫 星信号源，用于产生稳定的北斗二代卫星信号。2、GPS 教学实验平台： 建议配备若干套 NewStar150C 桌面式可编程 GPS 原理实验平台，接收 GPS 信号源 产生的 GPS 信号或者室外真实 GPS 信号，为学生提供开放式的实验环境，使学生在真 实设备、真实卫星信号环境下，亲自动手进行实验和编程。3、GPS 跟踪器： 建议配备若干套 NS230 无线 GPS 跟踪器，使学生在户外进行实际 GPS 跟踪实验。 地址：北京市海淀区王庄路 1 号（清华同方科技广场）B 座 908 室 100083 电话：010-83185858 传真：010-83185859 北京东方联星科技有限公司 OlinkStar Co. Ltd. Page 5 of 144、卫星导航接收机： 建议配备若干套 NewStar220B GPS 接收机，配合 GPS 模拟器进行接收机测试实验。 同 时 可 以 配 备 若 干 套 CNS100-GG GPS/GLONASS 双 系 统 卫 星 导 航 接 收 机 和 CNS100-BG 北斗二代/GPS 双系统卫星导航接收机，用来演示多系统组合定位功能。5、GNSS/INS 组合导航系统： 建议配备一套 PNS100A GNSS/INS 组合导航系统，用来演示卫星导航与惯性导航 系统组合定位的功能。6、GSM/GPS 通讯导航一体化模块： 建议配备若干套 ProNav-I GSM/GPS 通讯导航一体化模块，用来演示移动通讯和 GPS 组合定位功能，并可以通过 AT 指令来控制 GSM 模块功能。7、卫星导航信号转发器： 建议配备一套 NS-TTS GPS 信号转发器，将 GPS 信号模拟器产生的信号或者室外 的真实 GPS 信号经过转发和放大，覆盖实验室空间。3.4 实验室效果图 地址：北京市海淀区王庄路 1 号（清华同方科技广场）B 座 908 室 100083 电话：010-83185858 传真：010-83185859 北京东方联星科技有限公司 OlinkStar Co. Ltd. Page 6 of 14四、技术研究和开发型卫星导航实验室建设方案4.1 研究目的 卫星导航接收机开发实验室是东方联星公司针对现今国际 GNSS 接收机开发热点课题，为高校提供与国际接轨的研发平台。该实验室提供全部接收机内部算法，使得学生在前人的基础上，进行卫星导航接收机的开发工作。建设 GNSS 专业实验室是开发具有自主知识产权卫星导航接收机及其核心芯片的必要条件。 卫星导航完好性研究实验室适合于高精度 GNSS 接收机，卫星导航增强系统开发研制，卫星导航固有问题如 GNSS 干扰抗干扰、GNSS 欺骗防欺骗研究，卫星状态和卫星完好性监测，高动态接收机研制，高性能接收机性能指标验证等。因此，高级实验室也称为系统论证和设备验证型实验室，适合专业 GNSS 研究所、国家重点实验室、高等院校重点实验室开展关系到国家 GNSS 产业结构、GNSS 安全等重要问题的研究。 此实验室的教学和研发目的为：1. 掌握软件 GPS 接收机设计方法2. 掌握和开发 GPS 接收机相关器算法3. 掌握和开发 GPS 接收机导航解算算法4. 掌握和开发 GPS 接收机基带算法5. 掌握 GPS 芯片和接收机设计方法6. 深入开发不同种类 GPS 接收机（抗多径、高灵敏度、中动态、高动态）7. 多系统卫星导航接收机研究8. 卫星导航完好性研究9. 卫星导航抗干扰系统研究4.2 研究内容1、软件 GPS 接收机设计 利用 GPS 下变频后稳定的中频信号，在 PC 机上设计软件 GPS 接收机。通过软件 方法实现 GPS 信号搜索、载波剥离、码剥离、导航电文提取以及整个接收机算法的设 计和实现。2、GPS 接收机相关器算法 地址：北京市海淀区王庄路 1 号（清华同方科技广场）B 座 908 室 100083 电话：010-83185858 传真：010-83185859 北京东方联星科技有限公司 OlinkStar Co. Ltd. Page 7 of 14 利用 Matlab 软件源代码，进行 GPS 信号处理，GPS CDMA 信号相关接收、C/A 码 生成、卫星 Doppler 频移测量、C/A 码相位测量、频谱分析、图形化显示界面等算法研 究和验证。3、GPS 接收机导航解算算法 利用开放 GPS 接收机内部全部 C 语言源代码、功能描述和解释文档的开发平台， 实现 GPS 卫星时钟漂移计算，GPS 卫星轨道计算，载波噪声比计算，位置、时间、速 度解，NMEA 0183 数据生成等接收机开发工作。4、GPS 接收机基带算法 在开发平台上，通过修改现有软件或编制自己的程序，控制 GPS 基带芯片，实现 导航卫星信号的实时搜索、微调和跟踪、实时卫星导航数据解码、卫星轨道计算、误 差消除、接收机位置速度时间解算、广域增强卫星信号接收和解调、抗干扰抗欺骗算 法实现等 GPS 接收机内部功能。5、GPS 芯片和接收机设计方法 掌握相关器、导航解算等基带开发流程后，继续开发具有自主知识产权的 GPS 芯 片和接收机。6、GNSS 完好性研究 利用完好性专用 GPS 基带单元，在特定的信号条件下，进行 GNSS 干扰/抗干扰、 欺骗/防欺骗和完好性分析研究。设计开发 GPS/GNSS 抗干扰、防欺骗设备；验证完好 性，抗干扰算法。7、阵列天线抗干扰系统研究 利用现有的四阵元阵列天线，采用自适应天线方向图调零和时域滤波技术，研究 在复杂电磁环境下，普通的卫星导航系统失去定位能力的情况下，抗干扰系统如何能 够正常接收导航卫星信号。4.3 研究手段1、卫星导航信号源 建议配置一台 NS700 多通道可编程 GPS 信号模拟器，该模拟器具备高动态、可编 程、多通道等特性，满足不同研发要求。公司同时提供 GLONASS/北斗一代/北斗二代 导航卫星信号源，由客户根据需求选择不同配置。 地址：北京市海淀区王庄路 1 号（清华同方科技广场）B 座 908 室 100083 电话：010-83185858 传真：010-83185859 北京东方联星科技有限公司 OlinkStar Co. Ltd. Page 8 of 142、GPS 中频信号采样器 建议配置一台 NewStar210A GPS 中频信号采样器，将采样后的 GPS 中频信号输入 计算机，为研发 GPS 接收机提供稳定可靠的数据流。如果需要多天线同时采样功能， 可以采购 NewStar210M 多天线同步 GPS 中频信号采样器，为高精度定位和姿态监控提 供可靠的数据源。3、GPS 接收机研发平台 推荐 NewStar100C GPS 接收机研发平台，基于普通 PC 机实现实时的、开放式的 GPS 接收机软件/硬件系统，并向用户开放源代码、功能描述和解释文档，以及 GPS/GNSS 接收机内部核心算法、数据和软件。在此基础上，用户可以通过使用研发 平台，掌握 GPS 接收机的相关器、导航解算、基带、GPS 芯片开发等算法，开发具有 自主知识产权的 GPS 接收机和芯片。4、卫星导航信号转发器 建议配备一套 NS-TTS GPS 信号转发器，将 GPS 信号模拟器产生的信号或者室外 的真实 GPS 信号经过转发和放大，覆盖实验室空间。5、完好性专用 GPS 基带单元 建议配置一台 NewStar200I 完好性研究专用 GPS 基带单元，与 NewStar210A 或 NewStar210M 配套使用，接收 GPS 中频数字信号，相用户输出 PVT 信息和伪距、导 航数据等 GPS 原始数据，供 GPS 完好性研究用。6、抗干扰卫星导航系统 建议配置一套 AJ-2C 抗干扰卫星导航系统，用来进行阵列天线抗干扰研究工作。7、综合使用上述工具，可以掌握卫星导航接收机和芯片的设计方法，可以深入开发不同 种类的卫星导航接收机，甚至可对多系统卫星导航接收机进行研究。4.4 实验室效果图 地址：北京市海淀区王庄路 1 号（清华同方科技广场）B 座 908 室 100083 电话：010-83185858 传真：010-83185859 北京东方联星科技有限公司 OlinkStar Co. Ltd. Page 9 of 14五、实验室设备一览表序号 设备名称 设备描述 设备图片 NS-TTS NS-TTS 系统的功能是接收室外 GPS L1 1 GPS 信号转发 信号，经滤波、放大、转发等环节，将室外 器 天线收到的有效 GPS 信号转入室内。 NS-TTS-GG 系统的功能是接收室外 GPS NS-TTS-GG L1 信号和 GLONASS L1 信号，经滤波、放大、 2 GPS/GLONASS 转发等环节，将室外天线收到的有效 GNSS 信 信号转发器 号转入室内。 地址：北京市海淀区王庄路 1 号（清华同方科技广场）B 座 908 室 100083 电话：010-83185858 传真：010-83185859 北京东方联星科技有限公司 OlinkStar Co. Ltd. Page 10 of 14序号 设备名称 设备描述 设备图片 NS-TTS-BGG NS-TTS-BGG 系统的功能是接收室外 GPS 北斗二代 L1 信号，GLONASS L1 信号，北斗二号信号， 3 /GPS/GLONASS 经滤波、放大、转发等环节，将室外天线收 信号转发器 到的有效 GNSS 信号转入室内。 NS600 模拟器向客户提供静态和动态轨 NS600 12 通道 迹场景的 GPS 测试信号。产生全功能的信号 4 GPS 卫星信号 强度可设置的 GPS 卫星信号，用于测试 GPS 模拟器 接收机和 GPS 终端的板级和系统整机硬件性 能。 具有高动态条件下 GPS 卫星信号模拟生 NS700 多通道 成能力，并可以设置测试场景和运动轨迹， 5 可编程 GPS 卫 使得实验者足不出户就能真实的测试接收机 星信号模拟器 在各种可能条件下的工作情况，是卫星导航 研发工作中必不可少的工具。 可以同时模拟 GPS、GLONASS、北斗一代 NS800 多系统 三个导航系统的卫星信号，并可以设置测试 6 导航卫星信号 场景和运动轨迹。同时可以完成 50Hz 硬件闭 模拟器 环测试。 北斗二代导航信号源模拟 BD2 卫星导航 BD1100 定位系统的 5 颗 GEO、 颗 IGSO 和 4 颗 MEO 3 7 北斗二代导航 卫星的 RNSS 下行导航信号，用于 BD2 用户 信号模拟器 设备开发、测试。 为 特有的 GPS 中频数据回放功能， GPS NewStar210A 接收机开发、调试提供稳定、可靠、可重复 8 GPS 中频信号 使用的信号源，起到了 GPS 信号发生器的部 采样器 分作用 除了具有 NewStar210A 全部功能外， NewStar210M NewStar210M 具有四天线同步采样功能，保 多天线同步 9 证了四路数据采样的严格一致，为高精度定 GPS 中频信号 位、姿态监控、空间气象研究提供可靠的数 采样器 据源。 地址：北京市海淀区王庄路 1 号（清华同方科技广场）B 座 908 室 100083 电话：010-83185858 传真：010-83185859 北京东方联星科技有限公司 OlinkStar Co. Ltd. Page 11 of 14序号 设备名称 设备描述 设备图片 NewStar200I 200I 接收 210A 或者 210M 输出的信号， GPS 干扰研究 10 经过分析向用户给出一系列 GPS 原始数据， 专用 GPS 基带 供 GPS 完好性研究用。 单元 NewStar100C 基于普通 PC 机实现开放式的、实时的 增强型 GPS 接收机软件/硬件系统，并向用户开放源 11 GPS/GNSS 接 代码、功能描述和解释文档，帮助用户开发 收机研发平台 自主知识产权的 GPS/GNSS 产品。 为学生提供开放式的实验环境，使学生 NewStar150C 在真实设备、真实卫星信号环境下，亲自动 桌面式可编程 手进行实验和编程，通过实验和编程，使学 12 GPS 原理实验 生加深对 GPS 系统结构、工作原理、工作过 平台 程的理解，掌握 GPS 接收机核心算法和导航 解算过程。 采用东方联星 OTrack-32 多系统 GNSS CNS100-GG 芯 片 技 术 ， 可 以 同 时 接 收 GPS L1 和 13 GPS/GLONAS GLONASS L1 信号， 实现 GP.