1、北斗三号全球卫星导航系统在2020年7月31日正式开通，学习北斗系统已经成为了人才培养的新需求。

北斗导航系统经历了北斗一代、北斗二代和北斗三代的发展过程，从最初北斗一号四颗卫星，仅仅覆盖中国地区，发展为目前的北斗三号30颗卫星，导航定位覆盖全球的全球导航定位系统。2020年7月31日，习主席宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通，令人激动万分。北斗三号全球卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航与授时（PNT）服务的国家重要时空基础设施。

学习卫星导航的知识，必然不能离开我们自己的北斗系统，学习北斗系统的轨道，应用方式，对于我们掌握卫星导航定位，为祖国导航定位事业做贡献是十分必要的。通过北斗系统多星座卫星导航系统构建及应用虚拟仿真实验，学生可以加深卫星导航系统的认识，同时学生可以体会我国北斗导航系统的重大建设意义，感受大国工匠精神和培养卓越工程师意识。

2、由于北斗卫星建设在外太空，不可能直接进行实验，导航系统的结构十分复杂，所以进行真实实验将耗费大量人力物力。

卫星导航系统是一个巨大的系统工程，不管是单系统的生产建设和运行维护，还是多系统融合应用等，北斗卫星在太空中，学生无法直接接触到卫星轨道。

卫星导航系统是一个复杂的系统工程，如果直接在真实环境中进行试验验证，必将耗费巨大的人力资源和资金资源，且卫星信号内部调制和产生机理复杂，通过接收机,前端进行数据采集与测试，成本高、周期长。

卫星导航定位相关课程理论性较强，卫星轨道、定位原理、误差分析、选星等内容难以理解，通过虚拟仿真，使其形象化、动态化，建立起可视化的认知模型，可以有效的提高教学效果。

传统的卫星导航实验只能观测卫星的相关数据，不能形象并且动态的展示卫星星座的构成和运行。采用虚拟仿真系统对北斗等卫星星座进行三维模拟，能够更生动直观的向学生展示卫星星座。空间星座是卫星导航系统的基础，借助虚拟仿真实验，学生可以清晰深入的学习北斗和其他卫星星座的构成，通过对比，掌握北斗星座的特点和优势。在此基础上进行卫星轨道探究，学生自主设计卫星轨道。

导航定位解算包含了不同的应用场景中导航定位中卫星的选择和原始接收机数据解算位置信息。选星算法概念抽象，难以理解，通过虚拟仿真实验将抽象概念形象化，可使教学资源更加丰富生动。北斗卫星导航电文解算不仅包含了时空参考系、坐标转换等，还需要通过一系列算法利用导航电文计算出位置信息，理论性较强，而依托虚拟仿真实验，利用三维动画构建坐标系和卫星模型，学生跟着流程图一步一步地输入需要的数据，过程清晰明了，从而大大提高教学效果。

最后给出了一个导航救援应用场景，充分调动学生参与实验实践的积极性和主动性、提升学生工程实践能力和增强创新创造能力，体会我国北斗导航系统的重大建设意义，将正确的价值追求、理想信念和家国情怀有效地传递给学生。

北斗全球导航系统是我国最新的先进科研成果，然而由于太空轨道的不可达，研究北斗卫星轨道和定位原理具有难度大、成本高的严重困难。因此，团队以相关教学成果为基础，为卫星导航相关课程研发了北斗系统多星座卫星导航系统构建及应用虚拟仿真实验。

首先，本实验方案采用了问题导向的设计方法，学生在实验中以解决实际的救援问题为目标，将任务分步完成。实验情景有很强的吸引力，能够很好地激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性。

其次，本实验设计了四个紧密相关的实验环节，层层递进，在达成实验任务的过程中，将所学的理论知识与实践相结合。

接着，本实验还设计了丰富的自主设计探究环节，学生可以通过不停地尝试来找到最佳结果，有助于培养学生的探究学习能力。

最后，本实验立足当前重要国家项目。北斗全球导航系统是国之重器，本实验通过场景体验的实验过程，让学生体会我国北斗导航系统的重大建设意义，将正确的价值追求、理想信念和家国情怀有效地传递给学生。

本实验根据《卫星导航定位技术与应用》、《导航定位于控制技术》、《信息导航系统》等课程教学大纲的关键知识点，结合最近建成的北斗全球卫星导航系统，以卫星导航发展需求为牵引，构建了北斗系统多星座卫星导航系统构建及应用虚拟仿真实验，通过设计型探究型虚拟仿真实验，以期达到以下实验目的：

（1）通过北斗导航系统卫星轨道漫游环节，帮助学生更加直观地认识北斗卫星系统，了解北斗系统的组建过程和北斗卫星网络结构。

（2）通过对每种轨道的运行演示让学习并认识北斗卫星运行轨道，让学生对北斗卫星所在的GEO，MEO，IGSO轨道六参数等轨道特征有更加直观具体的理解。

（3）通过虚拟设计卫星导航系统，调整自定义卫星的轨道参数，学生学习并掌握卫星轨道六参数（近地点幅角、半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经和近地点时间）。

（4）通过在地面上使用全站仪演示三球交汇的原理，让学生对导航定位解算原理有进一步的认识；利用真实导航电文和伪距进行分步定位解算，帮助学生更好地掌握卫星位置解算流程和用户位置的定位解算流程。

（5）通过探索性的选择空间位置合适的卫星，了解四颗卫星的相对几何位置对导航定位精度的影响。

（6）通过模拟在真实洪水救援中的应用，帮助学生掌握基于卫星几何结构进行卫星选择的方法，使得学生具有在真实情况下能够根据使用地点的实际环境，对目标位置进行精准定位的能力。