本發明涉及導航學習，具體涉及一種衛星導航接收機原理教學實驗系統。

背景技術：

1、衛星導航接收機原理是衛星導航專業教學的核心內容和重要部分，它涉及衛星信號的接收、處理以及導航信息的提取等多個環節。隨著無人機、自動駕駛等技術的快速發展，衛星導航技術在這些領域中的應用日益廣泛。因此，對于機械工程和自動化專業的學生而言，了解并掌握衛星導航接收機原理變得尤為重要。這些專業的學生需要理解衛星導航技術如何為無人機提供精確定位，如何支持自動駕駛系統的路徑規劃與安全導航，以及如何在復雜環境中確保導航信息的準確性和可靠性。

2、在教學過程中，衛星導航接收機原理的講授通常需要結合實驗操作，以便學生能夠直觀地理解并掌握相關原理和技術。然而，傳統的衛星導航接收機原理教學實驗系統主要面向導航專業的學生設計，對于機械工程和自動化專業的學生來說，他們需要了解導航技術與自己本專業的無人機和自動駕駛一類的聯系，但傳統的教學實驗系統主要圍繞導航專業的核心知識和技能進行設計，對于邊緣專業的學生來說，其專業術語和技術細節較多，且難以與自己所學專業進行強相關，因此導致這部分學生難以快速理解和掌握衛星導航接收機的原理。

技術實現思路

1、為解決上述問題，本發明提供一種衛星導航接收機原理教學實驗系統，通過結合機械工程和自動化專業學生的專業知識背景，通過逐步深入的引導方式，幫助他們更好地理解和掌握衛星導航接收機原理。同時，系統還通過帶動學生模擬無人機和自動駕駛的方式增強與導航接收機之間的關聯性，提高學習效果和實踐能力。

2、為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種衛星導航接收機原理教學實驗系統，包括相互信號連接的教學終端、信號終端、算法終端和交互終端；

3、信號終端，用于基于教學實驗生成模擬衛星信號，學生通過選擇若干種衛星導航系統、頻段和信號強度，模擬接收機的多路徑效應、電離層延遲和噪聲干擾過程，通過信號終端對信號進行捕獲和跟蹤，通過處理和提取信號中的導航電文和偽距測量值傳遞給算法終端進行解算；

4、算法終端，用于接收信號終端傳遞的導航電文和偽距測量值，學生通過教學終端對解算偽距和計算定位誤差學習，并通過操作交互終端控制算法終端計算偽距和定位誤差，得到用戶位置、速度和時間的定位結果，并將定位結果傳輸至教學終端；

5、教學終端，用于結合機械及自動化專業與衛星導航接收機領域的交叉知識點，生成智能答題以評估學生對衛星導航接收機原理的掌握情況，并根據答題結果調整背景知識介紹的側重點和教學講解方向；且，教學終端還用于接收算法終端的定位結果，結合無人機飛行和車輛導航的實際應用場景進行仿真并提供給學生進行模擬操作；

6、教學終端包括教學支持模塊和場景化實驗模塊，場景化實驗模塊用于生成無人機模型以模擬無人機飛行和生成車輛模型模擬車輛導航在實際場景中的應用并進行仿真，將場景仿真結果傳輸至交互終端，同時，場景化實驗模塊還用于顯示仿真場景中衛星信號覆蓋無人機或車輛范圍和定位誤差；

7、交互終端，用于通過按鈕、滑塊和下拉菜單的控件選擇不同的交互內容，以動態顯示信號終端的信號捕獲過程、算法終端的數據分析過程、教學終端的答題及背景知識介紹和教學終端的仿真場景動畫。

8、進一步，信號終端包括衛星信號生成模塊和信號接收與處理模塊；

9、衛星信號生成模塊，用于生成模擬出的衛星信號，學生通過交換終端選擇若干種衛星導航系統以及l1、l2和l5頻段，并通過調整信號強度和模擬多路徑效應、電離層延遲以及噪聲干擾生成衛星信號，并傳輸至信號接收與處理模塊；

10、信號接收與處理模塊，用于使用fft或并行頻率搜索算法捕獲衛星信號生產模塊所產生的衛星信號，并將衛星信號生成頻譜圖，信號接收與處理模塊內置有偽碼，學生在學習這一模塊內容的過程中觀察頻譜圖和偽碼相位對齊效果，并通過交互終端操作延遲鎖定環和載波鎖定環完成信號跟蹤，提取到導航電文和偽距測量值，并將導航電文和偽距測量值傳遞給算法終端。

11、進一步，信號接收與處理模塊包括信號捕獲單元、信號跟蹤單元和導航電文解調單元；

12、信號捕獲單元，用于通過fft或并行頻率搜索算法檢測衛星信號，學生通過觀察信號捕獲單元顯示的頻譜圖和偽碼相位對齊效果驗證信號捕獲的準確率；

13、信號跟蹤單元，用于通過延遲鎖定環和載波鎖定環實現載波剝離和偽碼同步，學生通過實時觀察信號跟蹤單元顯示的跟蹤波形理解信號跟蹤的原理；

14、導航電文解調單元，用于從信號中提取衛星星歷、時間信息和電離層校正參數，學生通過解調后的導航電文驗證信號處理數據的準確度，并將解調后的導航電文傳遞給算法終端。

15、進一步，算法終端包括偽距測量單元、定位結算單元和誤差分析單元；

16、偽距測量單元，用于基于信號終端傳遞的偽距測量值和導航電文計算用戶位置、速度和時間，學生通過教學終端的指引基于偽距測量單元所獲得的偽距測量值和導航電文計算用戶位置、速度和時間計算出定位結果，理解偽距測量的原理；

17、定位解算單元，用于通過接收偽距測量單元的用戶位置、速度和時間，并通過擴展卡爾曼濾波計算出定位結果，學生在教學終端的定位解算課程學習中通過觀察顯示在三維地圖上所模擬出的無人機或自動駕駛車輛位置以及衛星分布，驗證定位算法的準確度；

18、誤差分析單元，用于計算定位誤差并分析誤差來源，學生通過誤差分析的學習理解影響定位精度的因素。

19、進一步，算法終端還包括多傳感器融合模塊，多傳感器融合模塊用于將衛星定位結果與慣性傳感器、視覺傳感器數據進行融合，學生通過對比單一衛星導航與組合導航的定位精度和軌跡平滑性，理解多傳感器融合的優勢；

20、多傳感融合模塊包括慣性傳感器數據融合單元、視覺傳感器數據融合單元和組合導航單元；

21、慣性傳感器數據融合單元，用于接收慣性傳感器的加速度計和陀螺儀數據，學生通過交互終端設置卡爾曼濾波融合衛星定位結果，觀察融合后的軌跡；

22、視覺傳感器數據融合單元，用于接收視覺傳感器的圖像數據，學生通過視覺slam算法輔助定位理解視覺導航的原理；

23、組合導航單元，用于對比單一衛星導航與組合導航的定位精度和軌跡平滑性，學生通過觀察融合后的軌跡進而得出誤差分析結果。

24、進一步，場景化實驗模塊包括無人機導航單元、自動駕駛單元和動態場景仿真單元；

25、無人機導航實驗單元，用于模擬無人機在復雜環境中的導航過程，學生通過交互終端操作無人機飛行，并在操作過程中觀察飛行軌跡和衛星信號遮擋情況；

26、自動駕駛實驗單元，用于模擬車輛在城市環境中的導航與避障，學生通過車輛避障情況學習衛星導航接收機在自動駕駛技術領域的應用；

27、動態場景仿真單元，用于支持虛擬與實體設備聯動，學生通過仿真場景中的衛星信號覆蓋范圍和定位誤差學習實際應用場景中的衛星信號變化。

28、進一步，教學支持模塊包括考核單元和講解單元；

29、考核單元，用于根據機械及自動化專業與衛星導航接收機之間交叉學科為重點生成智能答題以評估學生對衛星導航接收機原理的知識儲備，并將答題結果分析并上傳至教學支持模塊；

30、講解單元模塊，用于根據答題結果調整背景知識介紹的側重面及理解難度，從機械及自動領域理解衛星導航接收機原理。

31、進一步，考核單元還用于根據交互終端的學生操作情況和教學終端的學習進度，再次檢驗學生對理論和練習知識的掌握情況；

32、學生通過下載星歷文件進行衛星位置計算，并填寫四顆及以上的衛星位置及偽距量，計算用戶接收機定位結果，將這一結果通過算法終端生成軌跡圖并上傳至考核單元，考核單元生成分析報告，學生根據報告反饋情況進行查缺補漏和強化學習。

33、進一步，交互終端包括信號處理可視化界面、定位結果可視化界面和數據比對與分析工具；

34、信號處理可視化界面，用于根據學生在操作過程中自主填寫的接收機各模塊參數動態顯示信號捕獲、跟蹤和解調過程，支持參數調整和實時反饋；

35、定位結果可視化界面，用于顯示學生通過在三維地圖操作虛擬無人機或虛擬自動化駕駛時的當前位置與衛星分布的動畫關聯，并實時顯示定位誤差信息，定位結果可視化界面還用于保存操作數據進行軌跡回放；

36、數據對比與分析工具，用于記錄學生在操作過程中的實驗數據并生成統計圖表，并將數據導出至考核單元綜合學生的學習進度生成報告。

37、進一步，還包括數據庫模塊，用于存儲學生在操作過程中所生成的衛星導航系統的歷史數據、模擬信號數據、導航電文、偽距測量值、定位結果、答題結果、背景知識內容和仿真場景數據。

38、采用上述方案有以下有益效果：

39、1、本方案，本系統成功地將機械工程和自動化專業與衛星導航接收機原理相結合，通過逐步深入的引導方式，幫助學生從自身專業知識出發，逐步理解并掌握衛星導航接收機的核心原理。這種跨學科的教學方式不僅拓寬了學生的知識面，還增強了他們在實際應用中的綜合能力，通過逐步深入的引導方式，幫助學生更好地理解衛星導航接收機的工作原理。

40、2、本方案，系統通過模擬無人機飛行和自動駕駛場景，將衛星導航接收機的信號接收過程與實際應用場景相結合，增強學生對理論知識的實踐理解，學生可以通過操作虛擬無人機和自動駕駛車輛，直觀地觀察衛星信號覆蓋范圍、定位誤差和導航效果，提升實踐操作能力。

41、3、本方案，教學支持模塊中的考核單元和講解單元能夠根據學生的答題結果和學習進度，智能地調整教學內容和難度，實現個性化教學。同時，考核單元還能夠通過記錄和分析學生在操作過程中的數據，生成詳細的學習報告，為學生提供有針對性的反饋和指導；數據庫模塊能夠存儲和管理學生在操作過程中所生成的各種數據，包括衛星導航系統的歷史數據、模擬信號數據、導航電文、偽距測量值、定位結果、答題結果、背景知識內容和仿真場景數據等。這不僅方便了教師的教學管理，還為學生提供了豐富的學習資源和復習材料。

42、本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。