徐榮,戴衛(wèi)恒,趙陸文,張北江

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)

《衛(wèi)星導(dǎo)航原理》課程教學(xué)改革探索

徐榮,戴衛(wèi)恒,趙陸文,張北江

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)

衛(wèi)星導(dǎo)航在軍民領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用帶動(dòng)了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的迅猛發(fā)展,培養(yǎng)衛(wèi)星導(dǎo)航各應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)和工程技術(shù)人才已成為社會(huì)發(fā)展的迫切需求。針對(duì)當(dāng)前軍校推進(jìn)人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變,如何緊貼部隊(duì)需求,培養(yǎng)我軍需要的衛(wèi)星導(dǎo)航人才也是當(dāng)今軍校高等教育需要研究的課題。本文在分析我校本科通信工程專(zhuān)業(yè)的《衛(wèi)星導(dǎo)航原理》課程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出了對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式進(jìn)行改革,在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了一段時(shí)間實(shí)踐,取得了良好的教學(xué)效果。

衛(wèi)星導(dǎo)航;本科教學(xué);課程現(xiàn)狀;教學(xué)改革

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航為導(dǎo)航技術(shù)帶來(lái)了革命性的變化,已廣泛應(yīng)用于日常生活和軍事的各個(gè)方面,產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。它可以在全球范圍內(nèi)全天候地為海陸空天用戶(hù)提供精確的實(shí)時(shí)位置、速度和時(shí)間信息。在軍事方面,它已經(jīng)成為導(dǎo)航定位、精確打擊、軍事力量調(diào)動(dòng)部署和指揮等方面不可缺少的工具和手段, 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中正發(fā)揮著無(wú)法替代的作用[1]。我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)也正在蓬勃發(fā)展,目前與歐美衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)還有一定差距,如何培養(yǎng)我軍的衛(wèi)星導(dǎo)航專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才是當(dāng)今軍校高等教育中面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

在我院本科生培養(yǎng)計(jì)劃中,《衛(wèi)星導(dǎo)航原理》課程是通信工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)大學(xué)四年級(jí)學(xué)員一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課。通過(guò)本門(mén)課程的學(xué)習(xí),使學(xué)員對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的基本概念、原理以及衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的工作原理有清晰的認(rèn)識(shí),以適應(yīng)未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。但隨著人才培養(yǎng)模式的變化和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,需要在傳統(tǒng)教學(xué)方式基礎(chǔ)上,開(kāi)展新的教學(xué)體系和教學(xué)方法的探索,為今后學(xué)員知識(shí)拓展以及部隊(duì)任職奠定必要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)課程現(xiàn)狀

目前,國(guó)內(nèi)外眾多知名院校本科階段均開(kāi)設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)課程,從查閱的相關(guān)資料上看,各院校根據(jù)自身的研究特色和專(zhuān)業(yè)強(qiáng)項(xiàng),授課內(nèi)容有一定差別,大體可按專(zhuān)業(yè)分兩類(lèi)分析:一類(lèi)是武漢大學(xué)、解放軍信息工程大學(xué)、澳大利亞新南威爾士大學(xué)和加拿大的卡爾加里大學(xué)等院校的測(cè)繪專(zhuān)業(yè),授課主要側(cè)重在數(shù)據(jù)的后處理,高精度定位[2-3];另一類(lèi)是清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和美國(guó)康奈爾大學(xué)等院校的電子工程等專(zhuān)業(yè),授課主要側(cè)重RNSS(Radio Navigation Satellite System)導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)及組合導(dǎo)航技術(shù)等信號(hào)處理技術(shù)[4-5]。不過(guò)上述院校課程內(nèi)容對(duì)RDSS(Radio Determination Satellite Service)導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)、軍事應(yīng)用及抗干擾技術(shù)等方面內(nèi)容的講授較少,而這恰是我院學(xué)員未來(lái)任職需要。

2 課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

《衛(wèi)星導(dǎo)航原理》是一門(mén)多學(xué)科相互交叉相互滲透的學(xué)科,涉及到天文學(xué)、電子學(xué)、電磁學(xué)、大地測(cè)量學(xué)及氣象學(xué)等多個(gè)學(xué)科,而且新技術(shù)和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。但由于學(xué)時(shí)有限,教員在講課時(shí)不可能面面俱到,導(dǎo)致課程教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容不突出,學(xué)員抓不住課程的主線(xiàn)和重點(diǎn),大大增加了學(xué)員學(xué)習(xí)的難度,影響了課程的教學(xué)效果;另外,由于之前沒(méi)有構(gòu)建一個(gè)完整的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,缺少課堂實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),因此不能滿(mǎn)足學(xué)員課后進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的需求。學(xué)員對(duì)課程理論及相關(guān)接收機(jī)技術(shù)概念的理解,主要停留在閱讀教材和參考書(shū)目、上網(wǎng)查閱以及完成課后布置的習(xí)題作業(yè)。

3 課程教學(xué)改革措施

以人才培養(yǎng)方案為依據(jù),按照教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、方法和條件整體配套改革的思路,以教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性為核心,以教學(xué)目標(biāo)的創(chuàng)新性為牽引,以教學(xué)方法和教學(xué)條件的現(xiàn)代化為保障,突出重點(diǎn),分步實(shí)施,不斷深化,整體提高。

3.1調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

本課程授課內(nèi)容上立足于我院信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)以及本科生的培養(yǎng)計(jì)劃。按這一思路對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心梳理和組織,減少基礎(chǔ)理論內(nèi)容,突出導(dǎo)航信號(hào)的接收處理、觀(guān)測(cè)、解算等接收機(jī)技術(shù),增加實(shí)踐環(huán)節(jié)和軍事應(yīng)用內(nèi)容,加強(qiáng)問(wèn)題和工程案例分析。主要調(diào)整以下幾點(diǎn):1)以理解衛(wèi)星導(dǎo)航的基本概念、原理,了解常見(jiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為要求來(lái)選擇課程內(nèi)容。重點(diǎn)幫助學(xué)員建立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的整體概念,理解RNSS和RDSS導(dǎo)航接收機(jī)基本的測(cè)量、解算原理以及不同系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式;2)增加衛(wèi)星導(dǎo)航的軍事應(yīng)用及面臨威脅的相關(guān)內(nèi)容。重點(diǎn)幫助學(xué)員了解針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的壓制干擾與欺騙干擾的原理、基本過(guò)程和危害性。提高學(xué)員對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中重要地位的認(rèn)知,掌握抗壓制干擾和抗欺騙干擾的方法;3)本課程也是一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程,為加強(qiáng)學(xué)員對(duì)課堂理論教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握,完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。增加的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容包括衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)捕獲、跟蹤以及PVT(Position Velocity Time)解算等,使學(xué)員掌握導(dǎo)航接收機(jī)的工作原理以及工作過(guò)程。

3.2改進(jìn)教學(xué)方法

衛(wèi)星導(dǎo)航原理課程涉及學(xué)科多,知識(shí)點(diǎn)多、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn),為在有限的學(xué)時(shí)內(nèi),使學(xué)員掌握衛(wèi)星導(dǎo)航的基本知識(shí),提升實(shí)踐應(yīng)用能力,并提高學(xué)員提煉問(wèn)題、解決問(wèn)題、評(píng)價(jià)解決問(wèn)題的能力,為此在教學(xué)方法上做出以下幾點(diǎn)改進(jìn)。

1) 建立“以學(xué)員為主體、以教員為主導(dǎo)”的基于問(wèn)題牽引的教學(xué)模式,明確衛(wèi)星導(dǎo)航所要解決的問(wèn)題,以此為主線(xiàn)牽引具體解決方法和知識(shí)的展開(kāi),針對(duì)每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)環(huán)節(jié),也以技術(shù)問(wèn)題為牽引,引導(dǎo)學(xué)員思考解決方法,然后給出現(xiàn)有的技術(shù)解決方案。譬如在教學(xué)過(guò)程中,為了讓學(xué)員理解衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù),首先讓學(xué)員結(jié)合已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),討論個(gè)人如何找尋一個(gè)目的地,分析其中的難點(diǎn),可以借助的輔助方法,進(jìn)而引申到衛(wèi)星導(dǎo)航如何定位導(dǎo)航,最后,教員再采用理論術(shù)語(yǔ)描述解決思路和具體技術(shù),最終達(dá)到復(fù)雜問(wèn)題的形象化分析討論的目的。這種結(jié)合實(shí)際案例導(dǎo)入問(wèn)題的方式,更能激發(fā)學(xué)員討論的積極性,也便于學(xué)員類(lèi)比問(wèn)題解決方法,使學(xué)員加深對(duì)理論知識(shí)的理解,也對(duì)實(shí)際問(wèn)題和解決問(wèn)題的思路有更深入的認(rèn)識(shí)[6]。

2) 理論教學(xué)采用多媒體、PPT和板書(shū)相結(jié)合的形式,全方位、多角度地闡述教學(xué)內(nèi)容。在講授過(guò)程中以傳統(tǒng)講授和多媒體課件兩種方式互補(bǔ)互用,輔以“講授-提問(wèn)-解答”交互式授課[7]。注重理論推導(dǎo)與動(dòng)畫(huà)演示相結(jié)合,使講授深入淺出,通俗易懂。譬如,講述ECI坐標(biāo)系(Earth Centered Inertial coordinate system)與ECEF坐標(biāo)系(Earth Centered Earth Fixed)的轉(zhuǎn)換關(guān)系時(shí),若只采用的“PPT+板書(shū)”教學(xué)方式,就不足以有效表達(dá)空間概念,而利用多媒體動(dòng)畫(huà)揭示如圖1所示,可以直觀(guān)展示兩個(gè)坐標(biāo)系的三軸隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系,使內(nèi)容更為形象、直觀(guān),實(shí)現(xiàn)學(xué)員從單純的“聽(tīng)課”,變?yōu)椤奥?tīng)看結(jié)合”[8]。提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和求知欲,起到事半功倍的效果。

圖1 ECI與ECEF轉(zhuǎn)換關(guān)系演示畫(huà)面

3) 實(shí)踐教學(xué)利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),如圖2所示,采集真實(shí)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)導(dǎo)航信號(hào),讓學(xué)員上機(jī)操作導(dǎo)航接收機(jī)信號(hào)處理的全過(guò)程,在動(dòng)手實(shí)踐的同時(shí),強(qiáng)調(diào)提出這些處理方法的思路,并結(jié)合性能分析過(guò)程,理解如何進(jìn)行一種實(shí)現(xiàn)方案評(píng)價(jià),提高學(xué)員的應(yīng)用能力。

圖2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)框圖

譬如,PVT解算中狀態(tài)量最優(yōu)估計(jì)實(shí)驗(yàn),評(píng)估最小二乘法與卡爾曼濾波這兩種最優(yōu)估計(jì)方法性能。首先利用接收機(jī)連續(xù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下仿真得出兩種算法的定位結(jié)果如圖3所示,讓學(xué)員思考兩種算法結(jié)果的不同之處。

圖3 最小二乘法(紅線(xiàn))與卡爾曼濾波法(黑線(xiàn))定位結(jié)果(經(jīng)度)對(duì)比

然后給出上述兩種算法的解算過(guò)程處理思路:最小二乘法解算的觀(guān)測(cè)量和狀態(tài)量前后沒(méi)有聯(lián)系,而卡爾曼濾波利用了狀態(tài)量、觀(guān)測(cè)量的統(tǒng)計(jì)信息與狀態(tài)量的動(dòng)態(tài)信息,建立運(yùn)動(dòng)模型,減小觀(guān)測(cè)誤差,因而其輸出的定位結(jié)果較最小二乘法更為平滑。當(dāng)然卡爾曼濾波對(duì)觀(guān)測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)特性或運(yùn)動(dòng)模型的描述不準(zhǔn)確,也將導(dǎo)致估計(jì)結(jié)果的誤差變大或不收斂(無(wú)穩(wěn)定解)。最終學(xué)員體會(huì)出在這兩種算法應(yīng)用的關(guān)鍵。

另外,由于衛(wèi)星導(dǎo)航儀器配備數(shù)目有限,因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程很難做到人手一臺(tái)進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí),這影響到學(xué)員對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的了解和熟悉。因此對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行開(kāi)放式教學(xué),學(xué)員可以利用課余時(shí)間進(jìn)行充分實(shí)踐,有效地利用已有教學(xué)資源。

4) 如今互聯(lián)網(wǎng)資源相當(dāng)發(fā)達(dá),提供的信息即豐富又具有時(shí)效性,因此充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源,布置或提示學(xué)員到網(wǎng)上查找相關(guān)資料以及國(guó)外大學(xué)開(kāi)設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航公開(kāi)課,以開(kāi)擴(kuò)思路;若將來(lái)再構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)信息化教學(xué)平臺(tái),在平臺(tái)上向?qū)W員提供與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源,打破傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)間和空間上的限制,那將使得教員和學(xué)員以及學(xué)員之間可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn),都可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流討論和自主學(xué)習(xí)。

3.3優(yōu)化考核方式

衛(wèi)星導(dǎo)航原理是一門(mén)集理論性、實(shí)踐性和前沿性于一體的專(zhuān)業(yè)課,因此,需要多角度,多層次和多目標(biāo)地考查教學(xué)效果,測(cè)試學(xué)員對(duì)理論知識(shí)的掌握程度,測(cè)評(píng)學(xué)員綜合運(yùn)用知識(shí)的能力,評(píng)價(jià)學(xué)員的實(shí)踐能力[9]。

因此通過(guò)優(yōu)化考核方式,建立以衡量綜合素質(zhì)為依據(jù)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。主要從基本理論知識(shí)、實(shí)踐和總結(jié)能力、課堂互動(dòng)能力三方面來(lái)綜合評(píng)價(jià)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果,課程考試采取平時(shí)成績(jī)與期末考試成績(jī)相結(jié)合、理論考試與實(shí)踐能力考核相結(jié)合的方式,全方位考核學(xué)員的學(xué)習(xí)效果。其中平時(shí)成績(jī)包括作業(yè)、課堂回答問(wèn)題的情況,實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要考核學(xué)員的實(shí)驗(yàn)分析和書(shū)面總結(jié)能力,期末考試為閉卷筆試,檢驗(yàn)學(xué)員對(duì)基本理論知識(shí)的掌握程度?？己朔绞街ν癸@過(guò)程性、形成性的學(xué)習(xí)效果,使最終考核成績(jī)對(duì)學(xué)員的學(xué)習(xí)情況有更加客觀(guān)和真實(shí)的反映。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)幾個(gè)學(xué)期的實(shí)踐,學(xué)員對(duì)課程的理解和應(yīng)用更為扎實(shí),取得良好的教學(xué)效果。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在不斷發(fā)展,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航原理的課程教學(xué)改革也應(yīng)不斷探索與創(chuàng)新,教員也需要加強(qiáng)自身科研能力,了解衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,不斷開(kāi)闊視野,提升教學(xué)高度[10]。保證課程的靈活性、先進(jìn)性和實(shí)用性,激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)衛(wèi)星導(dǎo)航課程的興趣,加深對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航原理的理解和運(yùn)用,從而培養(yǎng)出專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)高,適應(yīng)部隊(duì)需求的衛(wèi)星導(dǎo)航人才。

[1] 王威,郗曉寧.《自主導(dǎo)航技術(shù)及應(yīng)用》課程教學(xué)改革的思考[J].高等教育研究學(xué)報(bào),2006,29(4):51-52.

[2] 魏二虎,暢柳,李征航.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理系列課程教學(xué)的若干思考[J].測(cè)繪信息與工程,2012,3:44-46.

[3] Mark Petovello.University of calgary courses.[EB/OL].[2017-02-07].http://www.ucalgary.ca/petovello/node/5.

[4] 王爾申,李玉峰,卲清亮,等.“衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容和方法研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015(7):206-209.

[5] 祿亮清,吳美平.《衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)》課程教學(xué)實(shí)踐與思考[J].高等教育研究學(xué)報(bào),2009,2:67-69.

[6] 張國(guó)敏,陳鳴,胡超,等.面向工程實(shí)踐的網(wǎng)絡(luò)管理課程教學(xué)探索[J].計(jì)算機(jī)教育,2010(19):95-97.

[7] 劉智敏,陽(yáng)凡林,獨(dú)知行.衛(wèi)星定位原理及應(yīng)用的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].測(cè)繪工程,2010,19(3):77-80.

[8] 聞新,劉江凱.雙源組合導(dǎo)航系統(tǒng)的可視化教學(xué)方法[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2014,2(3):87-90.

[9] 孫佳龍,郭淑艷,焦明連,等.衛(wèi)星定位與導(dǎo)航教學(xué)的改革與實(shí)踐[J]. 測(cè)繪科學(xué),2013,38(5):190-192.

[10] 紀(jì)元法,孫希延,施滸立.改革“GPS 原理與應(yīng)用”課程教學(xué),培養(yǎng)導(dǎo)航人才[J].全球定位系統(tǒng),2010,35(2):61-64.

ExplorationofTeachingReformonPrinciplesofSatelliteNavigation

XURong,DAIWeiheng,ZHAOLuwen,ZHANGBeijiang

(InstituteofCommunicationEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

Satellite navigation system has been widely used in civilian and military fields, and drives the rapid development of satellite navigation technology. How to cultivate professional and technical talents in the application fields of satellite navigation system has become the urgent requirement of social development. For the change of cultivating mode of military academy talents, how to cultivate satellite navigation talents in military education to meet the requirement for military, also needs to be discussed. Reform measures including teaching contents, teaching methods, and evaluation methods, are proposed in this paper, based on analyzing the curriculum status of Principles of Satellite Navigation for Communication Engineering undergraduate course. According to practical teaching, it is suggested that the curriculum reform has obtained good teaching effect.

Satellite navigation; undergraduate teaching; curriculum status; teaching reform

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.05.018

P228.4

A

1008-9268(2017)05-0089-04

2017-05-04

聯(lián)系人: 徐榮E-mail: bd_gps@126.com

徐榮(1980-), 男，碩士, 講師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航與授時(shí)的研究。

戴衛(wèi)恒(1977-), 男, 博士, 副教授, 主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航與授時(shí)的研究。

趙陸文(1977-), 男, 博士, 講師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航與授時(shí)的研究。