CN105741665A - 卫星导航教学演示平台 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种卫星导航教学演示平台，包括：多个小卫星模型、接收机模型、无线路由器和教学展示终端，接收机模型接收来自每个小卫星模型的信号以获取每个小卫星模型的卫星信息和定位信息，并将接收的每个小卫星模型信号强度RSSI值通过无线路由器发送至教学展示终端，教学展示终端根据定位信息和RSSI值计算接收机模型的位置，以音频和视频形式对定位原理进行讲解，并结合真实导航卫星数据演示整个卫星定位过程、卫星星空图、卫星信号视图、载体位置信息。本发明能够实现多种教学模式，例如北斗羲和定位原理演示、卫星导航信号记录与回放教学。

Description

卫星导航教学演示平台

技术领域

本发明涉及卫星导航及教学平台技术领域，特别涉及一种卫星导航教学演示平台。

背景技术

目前，卫星导航和位置服务应用已有广泛应用。相关专业的教学已经形成了专业性的教学课程。

专利(申请号：201020694726.7；名称：卫星定位系统综合教学平台)公开了一种对基于GPS和GPRS技术实现卫星定位的教学演示平台，该平台可以让学生比较直观的学习了解GPS的工作原理。

但是，该专利仅能对GPS的工作原理进行演示，无法实现对其他类型卫星定位系统的工作原理的演示，例如：北斗羲和卫星、GLONASS导航卫星模型、GALILEO导航卫星模型等。现有的教学演示平台均无法实现对上述卫星定位系统的完整教学演示，如何设计一种提供卫星导航教学的演示平台是当前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种卫星导航教学演示平台。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种卫星导航教学演示平台，包括：多个小卫星模型、接收机模型、无线路由器和教学展示终端，其中，所述多个小卫星分布于多处，所述接收机模型与所述无线路由器连接，所述无线路由器与所述教学展示终端连接，所述接收机模型来自每个所述小卫星模型的卫星信号以获取每个所述小卫星模型的卫星信息和定位信息，并将接收的每个所述小卫星模型信号强度RSSI值通过所述无线路由器发送至所述教学展示终端，所述教学展示终端根据所述定位信息和RSSI值计算所述接收机模型的位置，以音频和视频形式对定位过程进行讲解，并结合真实导航数据演示整个卫星定位过程、卫星星空图、卫星信号视图、载体位置信息。

进一步，所述小卫星模型为北斗羲和小卫星模型，所述接收机模型为北斗羲和接收机。

进一步，所述小卫星模型为北斗导航卫星模型、GPS导航卫星模型、GLONASS导航卫星模型、GALILEO导航卫星模型，所述接收机模型为北斗导航接收机模型、GPS导航接收机模型、GLONASS导航接收机模型、GALILEO导航接收机模型。

进一步，所述接收机模型通过蓝牙方式接收来自每个所述小卫星模型的定位信息。

进一步，所述教学展示终端为个人计算机PC或移动终端。

进一步，每个所述小卫星模型的卫星信息包括：用于标识所述小卫星模型的MAC地址、用于判断是否需要对所述小卫星模型进行维护的剩余电量值。

进一步，所述教学展示终端根据所述定位信息和RSSI值计算所述北斗羲和接收机模型的位置，包括：

d＝10^((abs(RSSI)-A)/(10*n)),

其中，d为所述小卫星模型与所述接收机模型的距离，用于表征所述接收机模型的位置，A为所述小卫星模型和所述接收机模型相隔1米时的信号强度，RSSI为接收信号强度值、n为预设环境衰减因子。

进一步，所述教学展示终端还用于根据计算到的所述小卫星模型与接收机模型的距离建立数学模型并计算用户所在位置，

$\sqrt[2]{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}+{\mathrm{ct}}_u=d_i,$

其中，d_i为第i个小卫星模型与所述接收机模型的距离，(x_i,y_i,z_i)为所述第i个小卫星模型的位置信息，t_u为用户接收机与系统时间之间的偏移，c为光速，(x,y,z)为用户所在位置。

进一步，所述真实导航卫星数据为接收机解析并保存的导航卫星数据；所述卫星星空视图用于显示当前选择系统卫星星号及对应的仰角和方位角，由所述教学展示终端分别以二维视图及文本形式显示所述卫星星空视图；

所述卫星信号视图用于显示当前选择卫星系统卫星信号强度，由所述教学展示终端显示所述卫星信号视图并显示四大导航系统卫星的伪距；

所述载体位置信息用于显示载体运动时间、位置、地面轨迹图、速度和方向，由所述教学展示终端显示所述载体位置信息。

根据本发明实施例的卫星导航教学演示平台，能够实现多种教学模式，例如北斗羲和定位原理演示、卫星导航信号记录与回放教学。本发明能够进行系统扩展：平台预留了丰富的接口，通过接口可扩展平台的功能，软件与硬件之间通过内部自定义的数据接口实现多系统、多设备的统一接口界面，软件界面使教学过程实现统一。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的卫星导航教学演示平台的结构图；

图2为根据本发明实施例的卫星导航教学演示平台的工作流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种卫星导航教学演示平台，该平台能够实现多种教学模式，例如北斗羲和定位原理演示、卫星导航信号记录与回放教学等。

如图1所示，本发明实施例的卫星导航教学演示平台，包括：多个小卫星模型1、接收机模型2、无线路由器3和教学演示终端4。

其中，多个小卫星模型1分布于多处，具体可以根据讲解需要，放置于演示场地的相应位置。接收机模型2与无线路由器3连接，无线路由器3通过网线与教学展示终端4连接。在教学展示终端4中安装有教学应用软件。

具体地，接收机模型接收来自每个小卫星模型的卫星信号以获取每个小卫星模型的卫星信息和定位信息，并将每个小卫星模型的定位信息通过无线路由器发送至教学展示终端。其中，小卫星模型的定位信息包括：小卫星模型的接收信号强度RSSI值。

在本发明的一个实施例中，小卫星模型为北斗羲和小卫星模型，接收机模型为北斗羲和接收机。

在本发明的又一个实施例中，小卫星模型为北斗导航卫星模型、GPS导航卫星模型、GLONASS导航卫星模型、GALILEO导航卫星模型。接收机模型为北斗导航接收机模型、GPS导航接收机模型、GLONASS导航接收机模型、GALILEO导航接收机模型。即，本发明实施例的卫星导航教学演示平台可以兼容不同的导航接收机。

具体地，接收机模型可以通过超宽带UWB或蓝牙方式接收来自每个小卫星模型的定位信息和卫星信息。

其中，每个小卫星模型的卫星信息还包括：用于标识小卫星模型的MAC地址、用于判断是否需要对小卫星模型进行维护的剩余电量值。

下面以北斗羲和接收机和北斗羲和小卫星为例进行说明。

教学展示终端通过WIFI无线路由器接收北斗羲和接收机上传的卫星信息和定位信息，根据通信协议定义的接口格式解析信息。

其中，每个小卫星模型的卫星信息包括：用于标识小卫星模型的MAC地址、用于判断是否需要对小卫星模型进行维护的剩余电量值。具体来说，北斗羲和小卫星MAC地址作为小卫星唯一标识，可以用来确定每颗小卫星对应的信息。北斗羲和小卫星的电量，按百分比计。如果电量剩余较少，则判断不使用该颗卫星信息，并可以根据此提示对小卫星进行维护。

教学展示终端根据定位信息和RSSI值计算接收机模型的位置，以音频和视频形式对定位过程进行讲解，并结合真实导航数据演示整个卫星定位过程、卫星星空图、卫星信号视图、载体位置信息。

在本发明的一个实施例中，教学展示终端可以为个人计算机PC或移动终端。

具体地，教学展示终端根据定位信息和RSSI值计算北斗羲和接收机模型的位置，包括：

d＝10^((abs(RSSI)-A)/(10*n)),

其中，d为小卫星模型与接收机模型的距离，用于表征接收机模型的位置，A为小卫星模型和接收机模型相隔1米时的信号强度，RSSI为接收信号强度值、n为预设环境衰减因子。

教学展示终端还用于根据计算到的小卫星模型与接收机模型的距离建立数学模型并计算用户所在位置，

$\sqrt[2]{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}+{\mathrm{ct}}_u=d_i,$

其中，d_i为第i个小卫星模型与接收机模型的距离，(x_i,y_i,z_i)为第i个小卫星模型的位置信息，t_u为用户接收机与系统时间之间的偏移，c为光速，(x,y,z)为用户所在位置。

教学展示终端上安装的应用软件通过解析真实导航定位数据，并在教学演示终端的界面上显示。其中，定位数据包括：

(1)全球定位数据GGA提供UTC时间信息，包括UTC年月日和时分秒；

(2)可见卫星信息GSV提供每颗可见卫星信息，包括卫星仰角、方位角和信噪比；

(3)推荐定位信息RMC提供载体定位信息，包括载体位置信息，经度、纬度和高程，及载体速度和航向。

以北斗羲和小卫星和北斗羲和接收机为例，本发明实施例的卫星导航教学演示平台提供以下两种教学模式:

(1)北斗羲和定位原理演示

本发明实施例的卫星导航教学演示平台利用软件结合硬件演示方法达到卫星导航基础教学目的。接收机模型通过UWB或蓝牙获取定位信息，并将定位信息通过无线WIFI无线路由器上传至教学展示终端。教学展示终端根据定位信息解算北斗羲和接收机位置，并对基本定位原理进行单步讲解，配合模型和视频讲解导航相关概念达到导航基础教学目的。

(2)卫星导航信号回放教学

本发明实施例的卫星导航教学演示平台可以回放北斗、GPS、GLONASS和GALILEO四大卫星导航系统导航数据。导航接收机通过天线接收卫星信号，将信号数据保存为文件。教学展示终端可以通过读取信号保存文件进行回放，选择导航系统并将当前系统相关卫星和载体信息在软件界面显示。通过同一时刻四大导航系统信号回放，可以根据每个导航系统当前信号卫星数据显示，对比分析每个导航系统共同点及差别，实现导航科普教学。

本发明实施例的卫星导航教学演示平台主要两部分功能，一部分结合硬件北斗羲和基本定位原理演示，另一部分实际导航卫星数据显示。

图2为根据本发明实施例的卫星导航教学演示平台的工作流程图。

步骤S201，打开软件界面。

步骤S202，设置小卫星模型的位置。

根据北斗羲和小卫星模型在演示场地的放置位置，将每颗小卫星对应的位置和MAC地址在教学演示终端中进行配置。

步骤S203，结合基本定位原理。

步骤S204，获取小卫星模型的位置信息。

步骤S205，计算小卫星模型的信号强度

步骤S206，计算小卫星模型与导航接收机的距离。

根据北斗羲和接收机上传的RSSI值计算每颗小卫星到接收机的距离，建立数学模型，解算出接收机定位信息。

利用北斗羲和接收机通过蓝牙获得RSSI值计算小卫星信号强度是，每隔1s接收一个数据，接收一个时间周期后对这些数据进行滤波，删除误差过大的数值。然后对处理后的数据取中值、最小值和最大值，再对这些值取平均值，从而可以提高RSSI值准确性。与此同时，教学演示终端对信号强度概念以视频形式进行讲解。

计算小卫星距离是利用获得的RSSI值计算北斗羲和小卫星和接收机的距离。同时对导航中伪距和时间的概念以视频形式进行讲解；

计算公式：

d＝10^((abs(RSSI)-A)/(10*n)),

其中，d为小卫星模型与接收机模型的距离，用于表征接收机模型的位置；A为小卫星模型和接收机模型相隔1米时的信号强度，由于所处环境不同，每个小卫星对应的参数值都不一样，都需要通过校准获得；RSSI为接收信号强度值(负值)；n为预设环境衰减因子，一般可以取经验值2.0，具体需要根据测试调整确定。

步骤S207，建立数学模型。

在本步骤中，建立数学模型是以三边定位原理为基础建立的模型。以小卫星为圆心，到接收机的距离为半径作球，它们的交点为定位位置。教学演示终端可以在软件界面上对上述画图过程进行演示。

步骤S208，由教学演示终端讲解数学公式。

步骤S209，计算用户的位置。

数学公式是以数学模型为基础得出的数学公式。结合卫星导航中用户位置计算进行讲解，以四颗小卫星为例，

$\sqrt[2]{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}+{\mathrm{ct}}_u=d_1$

$\sqrt[2]{{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2}+{\mathrm{ct}}_u=d_2$

$\sqrt[2]{{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2}+{\mathrm{ct}}_u=d_3$

$\sqrt[2]{{(x_4-x)}^2+{(y_4-y)}^2+{(z_4-z)}^2}+{\mathrm{ct}}_u=d_4$

其中，d₁～d₄分别为第1～4个小卫星模型与接收机模型的距离，(x₁,y₁,z₁)～(x₄,y₄,z₄)分别为第1～4个小卫星模型的位置信息，c表示光速，t_u表示用户接收机与系统时之间的偏移，(x,y)表示需要解算的用户的位置。

位置解算是根据以上数学公式计算出的位置，教学演示终端在软件界面显示接收机定位位置，同时对导航中位置和航向概念进行讲解。

步骤S210，显示卫星数据。

教学演示终端解析接收机输出导航数据，并在不同界面显示导航相关信息。教学演示终端可以选择四大导航系统中任一系统数据显示，包括北斗、GPS、GLONASS和GALILEO卫星导航系统。

步骤S211，播放卫星数据。

点击播放，教学演示终端开始显示数据。

步骤S212，停止/暂停播放。

数据显示过程中可以停止或暂停数据显示。

步骤S213，显示卫星星空图。

卫星星空视图用于显示当前选择系统卫星星号及对应的仰角和方位角，由教学展示终端分别以二维视图及文本形式显示卫星星空视图。

步骤S214，显示卫星信号视图。

卫星信号视图用于显示当前选择卫星系统卫星信号强度，由教学展示终端显示卫星信号视图，并在卫星信号视图的右侧显示四大导航系统卫星的伪距。

步骤S215，显示载体位置信息。

载体位置信息用于显示载体运动时间、位置、地面轨迹图、速度和方向，由教学展示终端显示载体位置信息。

根据本发明实施例的卫星导航教学演示平台，能够实现多种教学模式，例如北斗羲和定位原理演示、卫星导航信号记录与回放教学。本发明能够进行系统扩展：平台预留了丰富的接口，通过接口可扩展平台的功能，软件与硬件之间通过内部自定义的数据接口实现多系统、多设备的统一接口界面，软件界面使教学过程实现统一。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (9)

1.一种卫星导航教学演示平台，其特征在于，包括：多个小卫星模型、接收机模型、无线路由器和教学展示终端，其中，所述多个小卫星模型分布于多处，所述接收机模型与所述无线路由器连接，所述无线路由器与所述教学展示终端连接，

所述接收机模型接收来自每个所述小卫星模型的卫星信号以获取每个所述小卫星模型的卫星信息和定位信息，并将每个所述小卫星模型的所述定位信息通过所述无线路由器发送至所述教学展示终端，其中，所述定位信息包括所述小卫星模型的接收信号强度RSSI值；

所述教学展示终端根据所述定位信息和RSSI值计算所述接收机模型的位置，以音频和视频形式对定位原理进行讲解，并结合真实导航卫星数据演示整个卫星定位过程、卫星星空图、卫星信号视图、载体位置信息。

2.如权利要求1所述的卫星导航教学演示平台，其特征在于，所述小卫星模型为北斗羲和小卫星模型，所述接收机模型为北斗羲和接收机。

3.如权利要求1或2所述的卫星导航教学演示平台，其特征在于，所述小卫星模型为北斗导航卫星模型、GPS导航卫星模型、GLONASS导航卫星模型、GALILEO导航卫星模型，

所述接收机模型为北斗导航接收机模型、GPS导航接收机模型、GLONASS导航接收机模型、GALILEO导航接收机模型。

4.如权利要求1所述的卫星导航教学演示平台，其特征在于，所述接收机模型通过蓝牙方式接收来自每个所述小卫星模型的定位信息和卫星信息。

5.如权利要求1所述的卫星导航教学演示平台，其特征在于，所述教学展示终端为个人计算机PC或移动终端。

6.如权利要求1所述的卫星导航教学演示平台，其特征在于，每个所述小卫星模型的卫星信息包括：用于标识所述小卫星模型的MAC地址、用于判断是否需要对所述小卫星模型进行维护的剩余电量值。

7.如权利要求2所述的卫星导航教学演示平台，其特征在于，所述教学展示终端根据所述定位信息和RSSI值计算所述北斗羲和接收机模型的位置，包括：

d＝10^((abs(RSSI)-A)/(10*n)),

其中，d为所述小卫星模型与所述接收机模型的距离，用于表征所述接收机模型的位置，A为所述小卫星模型和所述接收机模型相隔1米时的信号强度，RSSI为接收信号强度值、n为预设环境衰减因子。

8.如权利要求7所述的卫星导航教学演示平台，其特征在于，所述教学展示终端还用于根据计算到的所述小卫星模型与所述接收机模型的距离建立数学模型并计算用户所在位置，

$\sqrt[2]{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}+{\mathrm{ct}}_u=d_i,$

其中，d_i为第i个小卫星模型与所述接收机模型的距离，(x_i,y_i,z_i)为所述第i个小卫星模型的位置信息，t_u为用户接收机与系统时间之间的偏移，c为光速，(x,y,z)为用户所在位置。

9.如权利要求1所述的卫星导航教学演示平台，其特征在于，

所述真实导航卫星数据为接收机解析并保存的导航卫星数据；

所述卫星星空视图用于显示当前选择系统卫星星号及对应的仰角和方位角，由所述教学展示终端分别以二维视图及文本形式显示所述卫星星空视图；

所述卫星信号视图用于显示当前选择卫星系统卫星信号强度，由所述教学展示终端显示所述卫星信号视图并显示四大导航系统卫星的伪距；

所述载体位置信息用于显示载体运动时间、位置、地面轨迹图、速度和方向，由所述教学展示终端显示所述载体位置信息。