本文作者： 袁德宝， 崔希民， 彭小沾， 裴婧晶
第6期2010年12月矿山测量MINESURVEYINGNo．6Dec．2010doi：10．3969／j．issn．1001358X．2010．06．029’NewStarlSOGPS原理实验平台在(GPS原理与应用》教学中的应用掌袁德宝，崔希民，彭小沾，裴婧晶(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京市100083)摘要：Newstarl50GPs原理实验平台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，理解单向测距原理。
同时掌握GPS测量误差和信号传输误差特性，以及实时GPS卫星位置及Doppler频移的预测方法等接收机核心技术。通过实验，学生能够加深对GPS系统结构、工作原理和工作过程的理解，掌握GPS接收机核心算法导航解算过程，New．Starl50GPS原理实验平台在GPS原理与应用教学中起到了良好的效果。
关键词：NewStarl50GPSGPS教学效果中图分类号：G642．0文献标识码：B文章编号：1001358X(2010)06008604GPS是全球定位系统(GlobalPositioningSys-tern)的英文缩写，它的含义是利用卫星的测时和测距进行导航，以构成全球定位系统。在地理信息系统、遥感技术和计算机软硬件高速发展的今天，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得了各行各业工作者的信赖。卫星导航在航空、航海、地面交通、武器系统、精密测量、个人导航等方面得到了广泛的应用，已初步形成一个新兴的高科技产业，我国政府对这个问题也十分关注。
截至到2003年底，我们已经步入全球卫星导航设备使用大国的行列，2003年10月30日，中国作为五大成员国之一，已经正式加入Galileo卫星导航计划，并且我国拥有了自行研制开发的第一代卫星导航系统。北斗”卫星导航系统。在欧美等国家，GPs接收机的研究和开发已经相对成熟，只是在追求高性能、多样化接收机方面不断完善，在诸如微弱信号检测、信号快速搜索、缩短启动时间等方面进行不断改善。目前许多高等院校已经认识到掌握全球星基导航相关知识的重要性，相继开设了
■号：K090204。配合学生理解接收机内部的工作流程，这就使得对于这新开传奇门课而言，老师的讲授和学生的学习都只停留在理论层面上。与实际工作的要求相差较远。为了配合《GPS原理与应用》的教学，我校从东方联星公司购买了NewStarl50GPS原理实验平台。NewStarl50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，理解单向测距原理。
掌握GPS测量误差和信号传输误差特性，掌握实时GPS卫星位置及Doppler频移的预测方法等接收机核心技术。通过实验，使学生加深对GPS系统结构、工作原理、工作过程的理解，掌握GPS接收机核心算法导航解算过程。为学生毕业后可以顺利进入卫星导航领域，从事GPS教学、科研、接收机开发、接收机芯片设计、卫星完好性监测。以及物流、测量、车载GPS系统开发等应用系统开发工作奠定理论基础。积累实践经验。NewStarl50GPS原理实验平台可以做的五个基本实验是：(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最新传奇)的实时计算与分析(4)导航解算(接收机位置、时间)及结果分析(4)可视卫星位置预测。
当讲述到第三章卫星运动的基础知识及GPS卫星的坐标计算时，为了使学生更好的理解卫星的位置解算。可让学生做第(1)个基本实验。第6期表德宝等：NewStarl50GPS原理实验平台在《GPS原理与应用》教学中的应用‘呈型Q生月l实验原理实时卫星位置解算在整个GPS接收机导航解算过程中占有重要的位置。
卫星位置的解算是接收机导航解算(即解出本地接收机的纬度、经度、高度的三维位置)的基础。
需要同时解算出至少四颗卫星的实时位置，才能最终确定接收机的三维位置。对某一颗卫星进行实时位置的解算需要已知这颗卫星的星历和GPS时间。而星历和GPS时间包含在速率为50biffs的导航电文中。导航电文与测距码(C／A码)共同调制L。载频后，由卫星发出。本地接收机相关接收到卫星发送的数据后，将导航电文解码得到导航数据。后续导航解算单元根据导航数据中提供的相应参数进行卫星位簧解算、各种实时误差的消除、本地接收机位置解算以及定位精度因子(DOP)的计算等工作。卫星的额定轨道周期是半个恒星日，或者说ll小时58分钟2．05秒各轨道接近于圆形，轨道半径(即从地球质心到卫星的额定距离)大约为26560km。由此可得卫星的平均角速度∞和平均的切向速度E为：∞=21r／(1l×3600+58x60+2．05)一0．0001458(rad／s)(I)t=r．×山*16560×0．00014583874(m／s)(2)因此，卫星是在高速运动中，据GPS时间的不同以及卫星星历的不同(每颗卫星的星历两小时更新一次)可解算出卫星的实时位置。本实验同时给出了根据当前星历推算出的卫星在ll小时58分钟后的预测位置，以此来验证卫星的额定轨道周期。
本实验另一个重要的实验内容是对卫星进行相隔时间为ls的多点测量(本实验给出了三点)，根据多个点的测世值．可以估计Doppler频移。由于卫星与接收机有相对的径向运动，因此会产生Doppler效应，而出现频率偏移。
Doppler频移的直接表现是接收机接收到的卫星信号不恰好在￡．(1575．42MHz)频率点上，而是在厶频率上叠加了一个最大值为±5KHz左右传奇的频率偏移．这就给前端相关器进行频域搜索，捕获卫星信号带来了困难。如果能够事先估计出大概的Doppler频偏，就会大大减小相关器捕获卫星信号的难度，缩短捕获卫星信号的时间，进而缩短接收机的启动时问。
GPS接收机的启动时间是衡最接收机性能好坏的重要参数之一．而卫星信号的快速捕获，缩短接收机的启动时间也是目前GNSS业界的热点问题。有了卫星位置和本地接收机的初始位置，就可根据空间两点间的距离公式，得出卫星距接收机的距离d。
记录同一卫星在短时间t内经过的两点的空间坐标S，和S：，就可分别得到这两点距接收机的距离d．和d：。只要相隔时间t取的较小(本实验取t=Is)，Id。一d：I／I就可近似认为是卫星与接收机在t时间内的平均相对径向运动速度，再将此速度转换为频率的形式就可得到大致的Doppler频移。设本地接收机的初始位置为R(髫Yo)，记录的卫星两点空间坐标为S。
(zY。，z。)、S：(髫2，Y：，z2)，相隔时间为t，卫星与接收机平均相对径向运动速度为t，。，光速为c，Doppler频移为以，则Doppler频移预测的具体公式如下所示：dI=[(髫I一髫，)2+(lY，)2+(：l一：，)2]。／2(3)d2=[(茗2一髫，)2+(2一)2+(乃一：，)2]m(4)pd=[dId2]／I(5)兀=％x1575．42／c(6)2实验目的(1)理解实时卫星位置解算在整个GPS接收机导航解算过程中所起的作用及为完成卫星位置解算所需的条件(2)了解GPS时间的含义、周期，卫星的额定轨道周期以及星历的构成、周期及应用条件(3)了解Doppler频移的成因、作用以及根据已知条件预测Doppler频移的方法(4)了解Doppler频移的变化范围及其与卫星仰角之间的关系(5)能够根据实验数据编写求解Doppler频移的相关程序。3实验内窖及步骤(1)运行主程序以取得目前可视卫星的实时导航数据(如GPS时间、各颗卫星的星历等)(2)运行本实验程序，步骤(1)中截取的所有GPS时间就会出现在“选择GPS时刻”列表框的下拉菜单中，任意选择一个GPS时刻(3)如图l所示，在“所选时刻可视卫星星历”列表框中，就会出现所选时刻天空中所有町视卫星当前发出的星历信息，学生可以在教师讲解的基础87第6期矿山测量2010年12月上了解星历的构成、周期，并对星历信息中比较重要的参数做相应的记录。图I所选时刻可视卫星星历(4)在“选择网民真高兴卫星号”列表框的下拉菜单中，就会(5)如图2，在“卫星位置信息”列表框中会出现出现所选时刻天空中所有可视卫星的序号，选择一个所选卫星在所选的GPS时间所对应的仰角以及其在序号ECEF坐标系下的三维坐标，在附表中记录其值圈2卫星位置信息列寰框(6)在。卫星位置信息”列表框中同时会出现所在lI小时58分后的ECEF坐标系下的大致位置，用选卫星在所选的GPS时间加一秒和加两秒后的GPS以验证卫星的额定轨道周期。根据附表记录其值时间所对应的ECEF坐标系下的三维坐标以及接收(8)同时“所选卫星在ECEF坐标系下的星座机在ECEF坐标系下的初始位置坐标，这些数据用图”中。会出现该卫星在ECEF坐标系中的大致位于求解Doppler频移。根据附表记录其值置。便于学生直观理解所求数据(7)在“卫星位置信息”列表框中还会出现根据(9)学生根据步骤(6)记录的数据，在TurboC卫星在所选GPS时间发送的星历推算出的这颗卫星环境下自己编程实现对于Doppler游戏PK频移的求解，将所第6期袁德宝等：NewStarl50GPS原理实验平台在《II’s原理与应用》教学中的应用‘2010年12月得数据记录在附表中(10)重复步骤(4)到步骤(9)，记录并解算出所选时刻天空中所有可视卫星的相关数据，按附表格式将所得数据记录下来(11)重复步骤(2)到步骤(10)，在同一时间段中至少选三个不同的GPS时刻记录并解箅相应数据，比较并分析不同时刻同一卫星的仰角、ECEF坐标系下的坐标以及Doppler频移的差异(12)重复步骤(2)到步骤(11)，至少选择三个不同时间段的数据进行记录、求解、分析。4结论通过这个实验．使学生理解实时卫星位置解算在整个GPS接收机导航解算过程中所起的作用及为完成卫星位置解算所需的条件了解GPS时问的含义、周期，卫星的额定轨道周期以及星历的构成、周期及应用条件。
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研究方向：矿井设计及三下开采，现从事矿井工程设计。(收稿日期：2010·IO一27)89。
本文《ＮｅｗＳｔａｒ１５０ＧＰＳ原理实验平台在《ＧＰＳ原理与应用》教学中的应用》 --- 作者： 袁德宝， 崔希民， 彭小沾， 裴婧晶