紀(jì)元法,孫希延,施滸立

(1.桂林電子科技大學(xué)應(yīng)用科技學(xué)院,廣西桂林541004;2.中國科學(xué)院國家天文臺(tái),北京100012;)

0 引 言

美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)作為目前最成功的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),不僅從根本上解決了海上、空中和陸地交通工具的導(dǎo)航和定位問題,還成功地用于大地測量、陸地/海洋測繪、地理信息系統(tǒng)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、搜索救援以及時(shí)間傳遞、電離層測量科學(xué)研究等領(lǐng)域,顯示出巨大的應(yīng)用潛力[1-4]。正是衛(wèi)星導(dǎo)航的巨大優(yōu)越性和其在經(jīng)濟(jì)、軍事領(lǐng)域的重大作用,受到世界各國的充分重視,有條件的大國競相發(fā)展本國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。俄羅斯建立了GLONASS系統(tǒng),歐盟正在主導(dǎo)建設(shè)Galileo系統(tǒng),中國在北斗一代的基礎(chǔ)上開始發(fā)展更為先進(jìn)的“北斗二代”導(dǎo)航系統(tǒng)。

GPS是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程,包含多門類專業(yè)知識,是一門典型的多學(xué)科相互滲透的交叉學(xué)科,不僅涉及天體力學(xué)、衛(wèi)星軌道學(xué)、大地測量學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué),而且涉及到電磁學(xué)、氣象學(xué)和通信學(xué)科等諸多學(xué)科[5],自20世紀(jì)80年代末期以來,GPS技術(shù)在我國的測繪、地質(zhì)、航天、海洋、交通、航道、石油、水利、農(nóng)業(yè)、信息等行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用,隨著GPS的現(xiàn)代化計(jì)劃的實(shí)施,GPS將更為先進(jìn),必將加速GPS技術(shù)在我國更多領(lǐng)域的應(yīng)用和拓展。

GPS這些特點(diǎn)促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科在大學(xué)的學(xué)科建設(shè)發(fā)展,也反映在相應(yīng)的課程體系建設(shè)上?！癎PS原理與應(yīng)用”這門課程,在最近十幾年來陸續(xù)走進(jìn)大學(xué)課堂,在普及傳播衛(wèi)星導(dǎo)航知識、定位技術(shù)、空間科技、數(shù)字信號處理與射頻電路與芯片技術(shù)應(yīng)用等專業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用,受到學(xué)生的廣泛歡迎。成為不同專業(yè)學(xué)生的選修課、限選課或?qū)I(yè)課,而且也成為一些文科學(xué)生的選修課程。

任何課堂教學(xué)受課時(shí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等限制,不可能符合所有的學(xué)生特點(diǎn)。因此,針對不同的專業(yè)和授課對象層次,如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)開展基本教學(xué)內(nèi)容,加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué),建立與教學(xué)改革相協(xié)調(diào)的課程體系,保證和提高“GPS定位原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)質(zhì)量,達(dá)到人才培養(yǎng)的目的,是一個(gè)值得深入探討和研究的問題。

衛(wèi)星導(dǎo)航被視為三大信息產(chǎn)業(yè)之一,而且目前我國正在大力發(fā)展中國自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),專業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航人才需求將進(jìn)一步增大。有條件的高校應(yīng)該根據(jù)社會(huì)需求、課程特點(diǎn),有針對性的調(diào)整教學(xué)內(nèi)容,既注重衛(wèi)星導(dǎo)航知識的普及教育,又要適應(yīng)專業(yè)人才培養(yǎng),突出以GPS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)知識及關(guān)鍵技術(shù),適應(yīng)當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的需求。

1 GPS原理與應(yīng)用的特點(diǎn)

1.1 GPS的技術(shù)特點(diǎn)

GPS是利用三角定位原理,以人造衛(wèi)星為基準(zhǔn)點(diǎn),發(fā)射無線電導(dǎo)航信號,用戶利用接收設(shè)備接收信號,進(jìn)行解碼,解析衛(wèi)星位置、測量至衛(wèi)星的距離或多普勒頻移等觀測量,來確定其位置和速度。

GPS主要由三大部分組成:空間的衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控部分、用戶設(shè)備。GPS衛(wèi)星星座由分布在6個(gè)軌道面的24顆衛(wèi)星組成,保證了在地球上和近地空間任一點(diǎn)、任何時(shí)刻至少同時(shí)觀測到4顆GPS衛(wèi)星,保證了信號覆蓋面。地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是:跟蹤觀測GPS衛(wèi)星;計(jì)算編制衛(wèi)星星歷;監(jiān)測和控制衛(wèi)星的健康狀況;保持精確的GPS時(shí)間系統(tǒng);向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文和控制指令。用戶設(shè)備的核心是GPS接收機(jī),通過接收衛(wèi)星信號完成用戶位置、速度計(jì)算以及授時(shí)等功能,并提供人機(jī)界面交互。

除了GPS外,前蘇聯(lián)建立了GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),2001年歐盟也啟動(dòng)了Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)正在建設(shè)之中。為參與國際競爭,我國在“北斗一代”的基礎(chǔ)上也啟動(dòng)了“北斗二代”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè),“北斗二代”的導(dǎo)航定位功能將覆蓋全球,其定位原理、定位精度等技術(shù)將逐漸接近國際上先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

以上幾個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),雖然在信號頻率、信號格式等方面略有差異,但基本上都參照了GPS的“多星、高軌、偽碼測距”體制,因此,通過學(xué)習(xí)掌握GPS技術(shù),就可以掌握當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 “GPS原理與應(yīng)用”的課程特點(diǎn)[6]

1)多學(xué)科交叉

“GPS原理及應(yīng)用”課程是一門典型的綜合性交叉學(xué)科。GPS技術(shù)與大地測量學(xué)、空間科學(xué)與技術(shù)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、天體力學(xué)、人造衛(wèi)星技術(shù)等聯(lián)系緊密,是跨學(xué)科、跨行業(yè)的綜合性高新技術(shù),可以培養(yǎng)知識面較廣的高科技人才。因此,“GPS原理及應(yīng)用”課程內(nèi)容較為豐富,在課程教學(xué)內(nèi)容的安排上,應(yīng)盡量不能出現(xiàn)知識點(diǎn)空白,致使知識體系不完整;又不能面面俱到,課程重點(diǎn)不突出,學(xué)生抓不到課程主線和重點(diǎn)。必須針對不同的授課對象,合理安排授課內(nèi)容,做到詳略得當(dāng),重點(diǎn)突出,與聽課對象的學(xué)習(xí)目的相適應(yīng)。

2)實(shí)踐性強(qiáng)

“GPS原理與應(yīng)用”課程名稱就明確指出了該課程的兩個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容,一個(gè)是GPS技術(shù)的原理,另一個(gè)是GPS技術(shù)的應(yīng)用。它不但是一門理論性較強(qiáng)的學(xué)科,而且也是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科。因此,教學(xué)中不但要注重理論教學(xué)環(huán)節(jié),更應(yīng)重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。由于本課程的實(shí)踐應(yīng)用性目的較強(qiáng),學(xué)生需要大量的實(shí)踐才能很好地掌握其主要內(nèi)容,故在課程建設(shè)過程中應(yīng)注重教學(xué)內(nèi)容的合理安排和實(shí)踐性環(huán)節(jié)的建設(shè)。

例如,在很多測繪類專業(yè),在“GPS原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)中,實(shí)踐和野外實(shí)習(xí)占總課時(shí)的40%以上。這突出了GPS的測繪應(yīng)用,對測繪專業(yè)的學(xué)生是合適的。但由于對接收機(jī)的工作核心技術(shù)不深入闡述,目前的教材難以適應(yīng)培養(yǎng)專門的導(dǎo)航技術(shù)人才需求。

3)應(yīng)用面廣

GPS的定位、導(dǎo)航測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,包括:大地測量、工程測量、航空攝影測量、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、海洋測繪、地震監(jiān)測、氣象信息測量、各種運(yùn)載工具定位導(dǎo)航和管制、公安、交通系統(tǒng)管理、航空導(dǎo)航、航海導(dǎo)航、城市規(guī)劃等領(lǐng)域。GPS也為城市個(gè)人用戶提供方便、快捷、準(zhǔn)確的定位和導(dǎo)航服務(wù),具有廣大的用戶群,擁有廣闊的應(yīng)用空間和市場潛力,應(yīng)用于城市交通、位置服務(wù)、娛樂休閑等領(lǐng)域,與個(gè)人移動(dòng)電話、相機(jī)、MP3等結(jié)合,一起組成個(gè)人電子服務(wù)終端(PEST)。

2 GPS原理與應(yīng)用的教學(xué)現(xiàn)狀

授課對象越來越廣。在我國高校,較早地把“GPS定位原理與應(yīng)用”納入課程體系是測繪專業(yè)、地理信息系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)科等。但隨著GPS技術(shù)應(yīng)用的深入,該課程逐漸引起人們的高度重視,各高校都相繼把“GPS原理與應(yīng)用”作為專業(yè)課或選修課。

1)教材較為單一。

最早的教材,大部分是翻譯國外的教材與資料,因?yàn)闇y繪專業(yè)開設(shè)GPS課程較早,因此,大部分教材是測繪專業(yè)教師編寫的。這為我國的GPS專業(yè)人才培養(yǎng),GPS技術(shù)在測繪等專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用作出了貢獻(xiàn),奠定了基礎(chǔ),提供了參考,但也存在教材體系較為單一的問題。

2)師資力量缺乏。

由于GPS測量定位技術(shù)的迅速發(fā)展,使得這一技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,在測繪專業(yè)中從事GPS測繪應(yīng)用教學(xué)的師資較為充實(shí),但GPS是一門技術(shù),而非一個(gè)學(xué)科,因此,現(xiàn)在并沒有列入全國普通高校招生專業(yè),更沒有培養(yǎng)GPS技術(shù)的專門學(xué)校。教師中開展GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究的比較少,現(xiàn)在對GPS技術(shù)進(jìn)行深入研究、科研能力較強(qiáng)的有北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、中科院、航天部門等少數(shù)高校和科研院所,使得目前我國真正從事GPS核心技術(shù)教學(xué)的師資較為匱乏。

3 改進(jìn)GPS教學(xué),培養(yǎng)專業(yè)導(dǎo)航人才

任何課程的設(shè)置,首先要同人才培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)。當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展迅速,GPS技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航人才相對短缺。因此,針對電子通信,導(dǎo)航專業(yè)的本科生或研究生,應(yīng)合理增加GPS接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)這方面內(nèi)容,深入探究GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的技術(shù)原理與關(guān)鍵技術(shù),為我國衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)專業(yè)人才。

3.1 教材建設(shè)

現(xiàn)在市面上的GPS教材以概論型以及測繪應(yīng)用型為主。普通GPS原理課本對增加學(xué)生的綜合素質(zhì),拓展知識面,普及GPS常識,是基本合理的,適用于一般學(xué)生的選修課。由測繪專業(yè)的老師編寫的GPS測量原理,適合于測繪專業(yè)的學(xué)生,但也存在片面重視了測繪應(yīng)用,而忽視了GPS定位技術(shù)本身的一些問題,未深入闡述和論證技術(shù)原理的特點(diǎn),沒有突出關(guān)鍵技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展水平。對于專門從事研究GPS專業(yè)的系統(tǒng)及從事GPS接收機(jī)研發(fā)的人員來說,不是很適用。

因此,可以根據(jù)本專業(yè)特點(diǎn)和需求,組織教師自行編制一套特色教材。對GPS原理、GPS技術(shù)、GPS應(yīng)用等三個(gè)方面內(nèi)容進(jìn)行分層次、模塊化編寫,供教師自主選擇授課內(nèi)容。根據(jù)本課程特點(diǎn),使理論難度和通俗易懂有機(jī)結(jié)合,既注意發(fā)展前沿又重視實(shí)際應(yīng)用。

針對導(dǎo)航類專業(yè)人才,應(yīng)重點(diǎn)增加GPS信號體制,接收機(jī)基帶信號處理關(guān)鍵技術(shù),如對偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻信號的捕獲、跟蹤、解碼等內(nèi)容,并設(shè)置相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)?？上驳氖请S著GPS發(fā)展,我國國內(nèi)相繼出現(xiàn)了“GPS原理與仿真”等教材[7],更加適合專門從事導(dǎo)航類相關(guān)專業(yè)的學(xué)生。

3.2 教師隊(duì)伍建設(shè)

要把教師隊(duì)伍建設(shè)放在學(xué)科建設(shè)的首位,加強(qiáng)教學(xué)交流,尤其是青年教師的培養(yǎng),提高教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)水平及科研能力,成為站在學(xué)科發(fā)展前沿的、具有較高教學(xué)水平的、既教書又育人的優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

培養(yǎng)本校教師技術(shù)骨干力量,成為該領(lǐng)域的學(xué)科帶頭人。現(xiàn)在中國二代導(dǎo)航已作為重大專項(xiàng)列入國家中長期發(fā)展規(guī)劃,通過鼓勵(lì)教師參與該領(lǐng)域國家重大前沿項(xiàng)目的研究工作,引領(lǐng)本校本專業(yè)成為高校重點(diǎn)學(xué)科。

最后,組織教師參加諸如“衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新”專家論壇和“新技術(shù)新產(chǎn)品應(yīng)用成果展示會(huì)”,了解我國衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,不斷開闊視野,提升教學(xué)高度。

3.3 教學(xué)實(shí)施

由于GPS定位技術(shù)理論較深,涉及的知識面較廣,同時(shí)其內(nèi)容也在不斷豐富之中,因此,結(jié)合高校自身的專業(yè)特色和實(shí)際情況,開展該課程的教學(xué)研究,不斷提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí),課程內(nèi)容應(yīng)實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合、前瞻性和通俗性相結(jié)合,充分注意教學(xué)中的層次設(shè)計(jì),使教學(xué)內(nèi)容可根據(jù)授課對象需要進(jìn)行選擇且自成一體,可滿足不同專業(yè)對GPS技術(shù)的教學(xué)需求,具有較廣泛的適應(yīng)性。

注重“教學(xué)、科研、生產(chǎn)三位一體”的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié),在課程建設(shè)中注重教學(xué)內(nèi)容的合理安排和實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì),以及相關(guān)科研和生產(chǎn)成果的融入,讓學(xué)生在大量的實(shí)踐中掌握和靈活運(yùn)用所學(xué)知識,以培養(yǎng)和提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

針對導(dǎo)航專業(yè)人才的培養(yǎng),首先,應(yīng)由淺入深講解GPS的定位原理,并涵蓋GPS衛(wèi)星導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。GPS定位的基本幾何原理是三球交會(huì)原理。通過測量GPS接收機(jī)到衛(wèi)星(位置已知)的距離,而測定接收機(jī)的位置。GPS衛(wèi)星通過發(fā)射直接序列擴(kuò)頻通信信號作為測量信號,因此,對導(dǎo)航信號的接收處理是接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。對導(dǎo)航專業(yè),應(yīng)把GPS信號的處理以及偽距測量等相關(guān)內(nèi)容作為重點(diǎn)講解[8]。

其次,理論與實(shí)踐緊密結(jié)合。課堂上講授了GPS信號的結(jié)構(gòu)、定位原理,接收機(jī)處理方法后,應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對概念的消化理解。比如,可以加強(qiáng)對GPS信號的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),可以利用 MATLAB工具實(shí)現(xiàn)GPS信號仿真以及基帶信號處理等環(huán)節(jié)的編程實(shí)驗(yàn),這對學(xué)生理解偽碼測距是十分有幫助的。并將科研成果介紹給學(xué)生,豐富課堂內(nèi)容,指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。

再者,針對課程特點(diǎn)適當(dāng)運(yùn)用多媒體教學(xué)手段?！癎PS原理與應(yīng)用”課程設(shè)計(jì)到很多抽象概念、空間概念和動(dòng)態(tài)過程,這與“信號與系統(tǒng)”等含大量公式推導(dǎo)的課程特點(diǎn)是不同的,傳統(tǒng)的板書教學(xué)優(yōu)勢很難將這些概念及過程清晰地展現(xiàn)在學(xué)生面前,而使用多媒體教學(xué)可以給學(xué)生更多直觀感受,收到事半功倍的效果。

4 結(jié) 論

當(dāng)今,GPS技術(shù)在軍民各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展,隨著Galileo系統(tǒng)、中國北斗二代系統(tǒng)的建設(shè),導(dǎo)航人才的需求也將越來越大。針對目前的“GPS原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)現(xiàn)狀,為適應(yīng)導(dǎo)航人才培養(yǎng)的需要,應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行教學(xué)改革,具體可以從以下幾個(gè)方面著手:

1)重視教材建設(shè);

2)加強(qiáng)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè);

3)重視教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革

4)注重使用先進(jìn)的教學(xué)方法和手段。合理運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)等手段,改革傳統(tǒng)的教學(xué)思想觀念、教學(xué)方法。

[1]KAPLAN E D.Understanding GPS:Principles and Applications[M].Boston:Artech House,1996.

[2]張 欣.擴(kuò)頻通信數(shù)字基帶信號處理算法及其VLSI實(shí)現(xiàn)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[3]劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京:北京科學(xué)出版社,2003.

[4]TSUI J B.Fundamentals of Global Positioning System Receivers:a Software Approach[M].New York:Wiley,2000.

[5]付宗堂.《GPS測量原理與應(yīng)用》課程教學(xué)探討[J].北京測繪,2000,(4):41-42.

[6]李天文,吳 琳,龍永清.地理信息系統(tǒng)專科開設(shè)“GPS原理及應(yīng)用”課程的思考[J].高等理科教育,2005,(4):70-83

[7]楊 俊,武奇生.GPS基本原理及其 Matlab仿真[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

[8]施滸立,孫希延,李志剛.轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航原理[M].北京:中國科學(xué)出版社,2009.