溫 靖，張啟梁，劉 敏

（南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330038）

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備全球不間斷定位和授時(shí)能力，廣泛應(yīng)用于民用和軍用領(lǐng)域中，如航空、航海和自動(dòng)駕駛等?，F(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo 和中國(guó)的北斗（BDS）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。2020 年7 月，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，北斗系統(tǒng)進(jìn)入全球組網(wǎng)階段，為全球用戶提供服務(wù)，同時(shí)開啟了北斗系統(tǒng)全球化和產(chǎn)業(yè)化的新時(shí)代。北斗產(chǎn)業(yè)也被列入國(guó)家“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，各級(jí)政府紛紛出臺(tái)政策，鼓勵(lì)加強(qiáng)北斗與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和5G 通信等前沿技術(shù)進(jìn)行融合創(chuàng)新，積極鼓勵(lì)“北斗+”“+北斗”的技術(shù)創(chuàng)新。預(yù)計(jì)北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)年均增長(zhǎng)將達(dá)20%以上，2025 年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值預(yù)估將達(dá)到1 萬億元。衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用將逐步滲入到各領(lǐng)域和各行業(yè)中，市場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)專業(yè)人才需求也將大大增加。因此，研究衛(wèi)星導(dǎo)航課程的教學(xué)方法對(duì)支持北斗融合應(yīng)用具有重要的意義[2-3]。北斗航空導(dǎo)航具有定位精度高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，極有可能代替陸基導(dǎo)航系統(tǒng)成為航空器的主要的導(dǎo)航系統(tǒng)，為航空器提供導(dǎo)航、定位和著陸等服務(wù)。但該課程所涉及相關(guān)知識(shí)較多，內(nèi)容較抽象，給教學(xué)提出了更高的要求[4-5]。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有相當(dāng)部分院校在本科階段開設(shè)了衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)課程[6-7]，按專業(yè)大體可以分為2 類，一類是測(cè)繪專業(yè)，教學(xué)重點(diǎn)為數(shù)據(jù)處理部分，側(cè)重講授高精度定位技術(shù)；另一類電子工程等專業(yè)，教學(xué)重點(diǎn)為導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)，側(cè)重講授信號(hào)處理技術(shù)[8-9]。南昌航空大學(xué)作為一所以航空為特色的高等院校，開設(shè)的“衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用”課程作為航空通信方向的核心專業(yè)課程，將培養(yǎng)目標(biāo)建立在培養(yǎng)適用于民航和通用航空的專業(yè)通信技術(shù)人才上。

1 “衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用”課程教學(xué)的難點(diǎn)和問題

衛(wèi)星導(dǎo)航涉及的技術(shù)廣泛，包括天文學(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，存在如下教學(xué)難點(diǎn)和問題：①通過有限的學(xué)時(shí)，無法面面俱到地講解，往往使得教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)不突出，學(xué)生無法抓住重點(diǎn)和主線；同時(shí)由于課程涉及的公式算法較多，原理又相對(duì)枯燥不容易理解，更增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，影響了教學(xué)效果。②衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)設(shè)置復(fù)雜，而且衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)正處在完善的過程中，較難建立完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境；這使得課堂傳授的基礎(chǔ)知識(shí)與工程應(yīng)用聯(lián)系不夠，學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)缺失，造成對(duì)理論原理理解不深入，工程實(shí)踐應(yīng)用能力也不過關(guān)。③課程開設(shè)在大三下學(xué)期，課程關(guān)聯(lián)前期課程較多，除了大量電子信息類科目，包括“微波技術(shù)與天線”“信息論與編碼”和“通信原理”等，還包括“高等數(shù)學(xué)”“線性代數(shù)”和“概率論”等數(shù)理知識(shí)；這些前期課程在不同學(xué)期開設(shè)，時(shí)間跨度大，學(xué)生對(duì)這些科目的掌握程度存在差異，專業(yè)或數(shù)理基礎(chǔ)較差的同學(xué)容易跟不上教學(xué)進(jìn)度，進(jìn)而喪失學(xué)習(xí)興趣。

另一方面，教學(xué)計(jì)劃和安排也需要進(jìn)行調(diào)整。需要合理安排“衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用”課程的學(xué)時(shí)數(shù)，由于課程內(nèi)涉及較多的基礎(chǔ)理論知識(shí)，在短暫的40 個(gè)計(jì)劃學(xué)時(shí)安排中將所有內(nèi)容都進(jìn)行一一講解是不太現(xiàn)實(shí)的。如果采用蜻蜓點(diǎn)水般的授課方式，學(xué)生只能囫圇吞棗式地接收，很難理解課堂內(nèi)容甚至產(chǎn)生畏難情緒。所以特別需要研究如何在教學(xué)中合理安排教學(xué)進(jìn)度，將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)按難易程度差異穿插在教學(xué)過程中，突出通信專業(yè)相關(guān)的應(yīng)用知識(shí)教學(xué)。并且需要考慮如何適當(dāng)減少其他與通信專業(yè)結(jié)合較少的知識(shí)講授，合理利用有限的課堂教學(xué)時(shí)間。由于“衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用”還是一門工程與理論兼顧的專業(yè)課程，教學(xué)目標(biāo)是為在航空領(lǐng)域應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的學(xué)生打好理論基礎(chǔ)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和開發(fā)能力，僅僅依靠理論教學(xué)，學(xué)生無法直觀對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位有更深入的理解，更希望能在應(yīng)用中掌握衛(wèi)星導(dǎo)航和定位的實(shí)現(xiàn)方法。這些需求僅依靠計(jì)算機(jī)仿真形式的虛擬實(shí)驗(yàn)課程是無法滿足學(xué)生和實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求的，迫切需要建立虛實(shí)結(jié)合的開發(fā)式實(shí)驗(yàn)室，以支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效開展。

2 課程教學(xué)措施改革

2.1 突出重點(diǎn)，注意關(guān)聯(lián)其他基礎(chǔ)學(xué)科

“衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用”課程涉及的內(nèi)容較多，特別需要處理好教學(xué)重點(diǎn)，結(jié)合通信工程專業(yè)本科學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方向，教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容應(yīng)放在衛(wèi)星定位基本原理、衛(wèi)導(dǎo)航定位信號(hào)、衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、導(dǎo)航接收機(jī)及其電路幾個(gè)方面。這些知識(shí)點(diǎn)在之前的專業(yè)基礎(chǔ)課程中都有所涉及，需要前后貫通來進(jìn)行講授課程，綜合結(jié)合應(yīng)用其他基礎(chǔ)課程的理論知識(shí)，重點(diǎn)講解導(dǎo)航中所涉及的射頻微波、基帶處理、擴(kuò)頻通信和調(diào)制解調(diào)等電子信息類技術(shù)，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行研究性和創(chuàng)造性思維探索。

圖1 為“衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用”課程重點(diǎn)內(nèi)容與前置基礎(chǔ)課程直接的聯(lián)系，通過梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)，前后貫通串講的方式，既可以復(fù)習(xí)之前講授的基礎(chǔ)和應(yīng)用課程知識(shí)，還可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)知識(shí)是如何在工程中應(yīng)用的，從而擺脫枯燥的理論講解。例如在講解導(dǎo)航天線方面的知識(shí)時(shí)，將導(dǎo)航天線的幾個(gè)主要參數(shù)，如增益、駐波和軸比等，結(jié)合“微波技術(shù)與天線”課程內(nèi)容，講解回顧天線結(jié)構(gòu)、全向和定向天線等知識(shí)，引導(dǎo)出不同應(yīng)用場(chǎng)合工程中使用的導(dǎo)航天線，使得學(xué)生可以結(jié)合已學(xué)習(xí)的知識(shí)了解通信技術(shù)在導(dǎo)航工程中的應(yīng)用。在講解導(dǎo)航信號(hào)的跟蹤方面的知識(shí)時(shí)，通過復(fù)習(xí)“高頻電子線路”課程中鎖相環(huán)基本原理，通過分析一階鎖相環(huán)和二階鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)及誤差特性，講解如何利用鎖相環(huán)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行跟蹤。

圖1 教學(xué)重點(diǎn)與其他基礎(chǔ)課程關(guān)聯(lián)

2.2 詳略得當(dāng)，注意取舍

“衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用”課程知識(shí)多且學(xué)科相互滲透，在有限的學(xué)時(shí)中，不可能逐一展開講解，需要在諸多知識(shí)點(diǎn)中進(jìn)行取舍。教學(xué)中可以采用強(qiáng)調(diào)思想簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型的方式展開教學(xué)，對(duì)數(shù)學(xué)理論的嚴(yán)密推導(dǎo)不做過多要求，將教學(xué)重點(diǎn)放在核心算法的思想上。調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的深淺，重點(diǎn)突出理解導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理，將學(xué)習(xí)精力放到衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中采用何種通信技術(shù)上來。將授課內(nèi)容立足于通信專業(yè)學(xué)生，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心組織和梳理，盡量減少其他學(xué)科相關(guān)基礎(chǔ)理論內(nèi)容，對(duì)其他學(xué)科涉及到的知識(shí)點(diǎn)只要求理解，突出導(dǎo)航信號(hào)的接收處理、觀測(cè)、解算等與通信專業(yè)相關(guān)聯(lián)的接收機(jī)技術(shù)，同時(shí)增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，加強(qiáng)問題和工程案例分析。例如，在講解定位基本原理時(shí)，需要介紹天體力學(xué)知識(shí)，包括開普勒三大定律、軌道根數(shù)等概念，電子信息類學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)接觸較少，但在衛(wèi)星導(dǎo)航原理講解中不可或缺?？梢圆捎梅抡婀ぞ咻o助教學(xué)方法，通過仿真展示衛(wèi)星軌道、軌道根數(shù)和星例之間的關(guān)系，減少?gòu)?fù)雜的公式推導(dǎo)，將更多學(xué)時(shí)放在通信技術(shù)應(yīng)用的講解上。

2.3 建設(shè)開放式導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室，加強(qiáng)實(shí)踐教育

“衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用”課程同時(shí)也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程應(yīng)用專業(yè)學(xué)科，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課堂理論內(nèi)容的理解和掌握。但是在衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)大多數(shù)是演示性和驗(yàn)證性的，沒有給學(xué)生獨(dú)立思考和自主訓(xùn)練的機(jī)會(huì)和空間?？梢詷?gòu)建開放式的衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室，如圖2 所示，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)即可完成課程實(shí)訓(xùn)和綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)構(gòu)建包括外置接收天線、室內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)器主機(jī)、室內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)天線、導(dǎo)航原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和OEM 套件。一方面，通過外置接收天線接收GPS/BDS 衛(wèi)星信號(hào)，可以接收BDS B1 頻段和GPS L1 頻段，接收衛(wèi)星信號(hào)再通過BD/GPS 衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器，通過發(fā)射天線轉(zhuǎn)發(fā)GPS/BDS 信號(hào)，將衛(wèi)星信號(hào)在室內(nèi)覆蓋，確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)室都可以有效接收衛(wèi)星信號(hào)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和OEM 板卡可以用于對(duì)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行捕獲跟蹤，獲得廣播星歷和原始觀測(cè)量，并將星歷和原始測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至實(shí)驗(yàn)PC。學(xué)生在真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境下，通過實(shí)驗(yàn)和編程，理解衛(wèi)星測(cè)距原理，測(cè)量誤差和信號(hào)傳輸誤差，實(shí)時(shí)計(jì)算BDS/GPS 衛(wèi)星軌道等。另一方面，采用Matlab 通信仿真工具箱設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，例如導(dǎo)航信號(hào)C/A 的產(chǎn)生和導(dǎo)航信號(hào)捕獲等信號(hào)調(diào)制和接收實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)無線電導(dǎo)航原理的理解。通過構(gòu)建完整的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境展開教學(xué)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)配合實(shí)物操作，把仿真教學(xué)融入實(shí)踐教學(xué)中，結(jié)合真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航硬件平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”的課程教學(xué)方法，并且適當(dāng)?shù)卦趯?shí)踐環(huán)節(jié)中著重添加航空應(yīng)用內(nèi)容，增加工程問題和案例分析，提高學(xué)生解決問題和動(dòng)手的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新精神。

圖2 開放式的衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室示意圖

3 授課模式改革

3.1 貼近應(yīng)用需求，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

努力在教學(xué)過程中增加以學(xué)生興趣點(diǎn)為主的創(chuàng)新應(yīng)用環(huán)節(jié)，在衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用中有序地融入課程章節(jié)與知識(shí)點(diǎn)。教學(xué)時(shí)可以采用結(jié)合問題和技術(shù)牽引的教學(xué)模式，以衛(wèi)星導(dǎo)航需要解決的問題為主線牽引具體解決方案并展開相關(guān)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考采用何種技術(shù)解決問題。對(duì)部分章節(jié)，可以采用翻轉(zhuǎn)教學(xué)方式，將部分之前已經(jīng)學(xué)過的基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容，交由學(xué)生進(jìn)行講解和討論，盡可能調(diào)動(dòng)起學(xué)生內(nèi)在的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，對(duì)于“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程的實(shí)踐教學(xué)而言，強(qiáng)調(diào)課程的實(shí)踐和前瞻性，組織學(xué)生小組進(jìn)行“北斗+”和“+北斗”創(chuàng)新應(yīng)用方案設(shè)計(jì)和研討，通過組間案例分享，對(duì)未來衛(wèi)星導(dǎo)航，特別是結(jié)合中國(guó)的北斗系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)實(shí)需要進(jìn)行展開討論，在加強(qiáng)對(duì)原理專業(yè)知識(shí)理解的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生基于衛(wèi)星導(dǎo)航的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提高基于北斗應(yīng)用的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)熱情。

3.2 以課程設(shè)計(jì)和主題報(bào)告的方式提高學(xué)生實(shí)踐能力

“衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用”是一門理論聯(lián)系實(shí)踐的課程，將課程設(shè)計(jì)融合實(shí)踐課程內(nèi)容。通過建立預(yù)先應(yīng)用背景，讓學(xué)生完成設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后再進(jìn)行報(bào)告，報(bào)告結(jié)束后通過問答環(huán)節(jié)，授課教師解決在設(shè)計(jì)當(dāng)中遇到的一些難題。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)總結(jié)匯報(bào)的全過程中，都可以對(duì)自身學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)有更深的認(rèn)知，更能促進(jìn)學(xué)生全面素質(zhì)的發(fā)展。例如，可將中國(guó)大力發(fā)展通用航空產(chǎn)業(yè)的政策結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)管技術(shù)的缺陷，布置航空通信監(jiān)控技術(shù)主題報(bào)告。學(xué)生可以結(jié)合其他通信專業(yè)課程，通過比較公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的差異，加深了學(xué)生對(duì)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星短報(bào)文技術(shù)的理解，同時(shí)鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，也培養(yǎng)了學(xué)生查找文獻(xiàn)綜述的基本科研能力。

3.3 采用多重靈活的考核方式

由以上教學(xué)模式可知，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有很多考核機(jī)會(huì)。例如翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)和課程設(shè)計(jì)報(bào)告等環(huán)節(jié)，可以依據(jù)這些教學(xué)中間環(huán)節(jié)建立多元化考核機(jī)制，取代單一的期末考試方式。考核內(nèi)容可以包含多個(gè)方面，包括仿真作業(yè)、課堂翻轉(zhuǎn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課程設(shè)計(jì)和答辯等。在教學(xué)過程中加強(qiáng)監(jiān)控，采用量化考核標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化考核。例如，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)前的預(yù)習(xí)報(bào)告，要求報(bào)告中將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、流程和基本原理進(jìn)行整理，在具體實(shí)驗(yàn)過程中要求學(xué)生按預(yù)習(xí)流程進(jìn)行操作，對(duì)每一項(xiàng)要求的實(shí)驗(yàn)任務(wù)都要分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，注意實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師之間的交流討論，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)效果在教學(xué)過程中的體現(xiàn)，并依此設(shè)立衡量綜合素質(zhì)為依據(jù)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，力求更真實(shí)地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

4 結(jié)束語

經(jīng)過以上教學(xué)措施和授課模式的改革，從多角度進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航課程教學(xué)。使得學(xué)生更扎實(shí)地掌握衛(wèi)星導(dǎo)航的基礎(chǔ)理論知識(shí)，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航中涉及的天線、擴(kuò)頻通信、調(diào)制解調(diào)和數(shù)字接收等通信技術(shù)的應(yīng)用方式有清晰的認(rèn)識(shí)，深刻理解衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)捕獲、跟蹤、定位解算關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，在培養(yǎng)過程中注重導(dǎo)航行業(yè)與通信專業(yè)結(jié)合，實(shí)踐能力與理論水平并重。使得學(xué)生具備衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域全面的基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)構(gòu)，以及豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和活躍的創(chuàng)新思維，為中國(guó)北斗導(dǎo)航專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。