改革“GPS原理與應用”課程教學,培養導航人才*

紀元法,孫希延,施滸立

(1.桂林電子科技大學應用科技學院,廣西桂林541004;2.中國科學院國家天文臺,北京100012;)

0 引 言

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

GPS是個復雜系統工程,包含多門類專業知識,是一門典型的多學科相互滲透的交叉學科,不僅涉及天體力學、衛星軌道學、大地測量學和空氣動力學,而且涉及到電磁學、氣象學和通信學科等諸多學科[5],自20世紀80年代末期以來,GPS技術在我國的測繪、地質、航天、海洋、交通、航道、石油、水利、農業、信息等行業獲得了廣泛的應用,隨著GPS的現代化計劃的實施,GPS將更為先進,必將加速GPS技術在我國更多領域的應用和拓展。

GPS這些特點促進了相關學科在大學的學科建設發展,也反映在相應的課程體系建設上。“GPS原理與應用”這門課程,在最近十幾年來陸續走進大學課堂,在普及傳播衛星導航知識、定位技術、空間科技、數字信號處理與射頻電路與芯片技術應用等專業領域發揮了重要作用,受到學生的廣泛歡迎。成為不同專業學生的選修課、限選課或專業課,而且也成為一些文科學生的選修課程。

任何課堂教學受課時、實驗內容等限制,不可能符合所有的學生特點。因此,針對不同的專業和授課對象層次,如何在有限的學時內開展基本教學內容,加強實驗和實踐教學,建立與教學改革相協調的課程體系,保證和提高“GPS定位原理與應用”課程的教學質量,達到人才培養的目的,是一個值得深入探討和研究的問題。

衛星導航被視為三大信息產業之一,而且目前我國正在大力發展中國自主的衛星導航系統,專業衛星導航人才需求將進一步增大。有條件的高校應該根據社會需求、課程特點,有針對性的調整教學內容,既注重衛星導航知識的普及教育,又要適應專業人才培養,突出以GPS為代表的衛星導航系統知識及關鍵技術,適應當前衛星導航技術發展的需求。

1 GPS原理與應用的特點

1.1 GPS的技術特點

GPS是利用三角定位原理,以人造衛星為基準點,發射無線電導航信號,用戶利用接收設備接收信號,進行解碼,解析衛星位置、測量至衛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:空間的衛星星座、地面監控部分、用戶設備。GPS衛星星座由分布在6個軌道面的24顆衛星組成,保證了在地球上和近地空間任一點、任何時刻至少同時觀測到4顆GPS衛星,保證了信號覆蓋面。地面監控系統的主要作用是:跟蹤觀測GPS衛星;計算編制衛星星歷;監測和控制衛星的健康狀況;保持精確的GPS時間系統;向衛星注入導航電文和控制指令。用戶設備的核心是GPS接收機,通過接收衛星信號完成用戶位置、速度計算以及授時等功能,并提供人機界面交互。

除了GPS外,前蘇聯建立了GLONASS衛星導航系統,2001年歐盟也啟動了Galileo衛星導航系統,整個系統正在建設之中。為參與國際競爭,我國在“北斗一代”的基礎上也啟動了“北斗二代”衛星導航系統的建設,“北斗二代”的導航定位功能將覆蓋全球,其定位原理、定位精度等技術將逐漸接近國際上先進的衛星導航定位系統。

以上幾個衛星導航系統,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,通過學習掌握GPS技術,就可以掌握當前衛星導航系統的關鍵技術。

1.2 “GPS原理與應用”的課程特點[6]

1)多學科交叉

“GPS原理及應用”課程是一門典型的綜合性交叉學科。GPS技術與大地測量學、空間科學與技術、電子技術、通訊技術、天體力學、人造衛星技術等聯系緊密,是跨學科、跨行業的綜合性高新技術,可以培養知識面較廣的高科技人才。因此,“GPS原理及應用”課程內容較為豐富,在課程教學內容的安排上,應盡量不能出現知識點空白,致使知識體系不完整;又不能面面俱到,課程重點不突出,學生抓不到課程主線和重點。必須針對不同的授課對象,合理安排授課內容,做到詳略得當,重點突出,與聽課對象的學習目的相適應。

2)實踐性強

“GPS原理與應用”課程名稱就明確指出了該課程的兩個重點內容,一個是GPS技術的原理,另一個是GPS技術的應用。它不但是一門理論性較強的學科,而且也是一門實踐性極強的學科。因此,教學中不但要注重理論教學環節,更應重視實踐教學環節。由于本課程的實踐應用性目的較強,學生需要大量的實踐才能很好地掌握其主要內容,故在課程建設過程中應注重教學內容的合理安排和實踐性環節的建設。

例如,在很多測繪類專業,在“GPS原理及應用”課程的教學中,實踐和野外實習占總課時的40%以上。這突出了GPS的測繪應用,對測繪專業的學生是合適的。但由于對接收機的工作核心技術不深入闡述,目前的教材難以適應培養專門的導航技術人才需求。

3)應用面廣

GPS的定位、導航測量技術已廣泛應用于國民經濟的各個領域,包括:大地測量、工程測量、航空攝影測量、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、海洋測繪、地震監測、氣象信息測量、各種運載工具定位導航和管制、公安、交通系統管理、航空導航、航海導航、城市規劃等領域。GPS也為城市個人用戶提供方便、快捷、準確的定位和導航服務,具有廣大的用戶群,擁有廣闊的應用空間和市場潛力,應用于城市交通、位置服務、娛樂休閑等領域,與個人移動電話、相機、MP3等結合,一起組成個人電子服務終端(PEST)。

2 GPS原理與應用的教學現狀

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

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,因為測繪專業開設GPS課程較早,因此,大部分教材是測繪專業教師編寫的。這為我國的GPS專業人才培養,GPS技術在測繪等專業領域的應用作出了貢獻,奠定了基礎,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測量定位技術的迅速發展,使得這一技術的應用領域不斷拓展,在測繪專業中從事GPS測繪應用教學的師資較為充實,但GPS是一門技術,而非一個學科,因此,現在并沒有列入全國普通高校招生專業,更沒有培養GPS技術的專門學校。教師中開展GPS等衛星導航定位技術研究的比較少,現在對GPS技術進行深入研究、科研能力較強的有北京航空航天大學、國防科技大學、中科院、航天部門等少數高校和科研院所,使得目前我國真正從事GPS核心技術教學的師資較為匱乏。

3 改進GPS教學,培養專業導航人才

任何課程的設置,首先要同人才培養目標相適應。當前衛星導航技術發展迅速,GPS技術、衛星導航人才相對短缺。因此,針對電子通信,導航專業的本科生或研究生,應合理增加GPS接收機的關鍵技術這方面內容,深入探究GPS衛星定位系統的技術原理與關鍵技術,為我國衛星導航事業的發展培養專業人才。

3.1 教材建設

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

因此,可以根據本專業特點和需求,組織教師自行編制一套特色教材。對GPS原理、GPS技術、GPS應用等三個方面內容進行分層次、模塊化編寫,供教師自主選擇授課內容。根據本課程特點,使理論難度和通俗易懂有機結合,既注意發展前沿又重視實際應用。

針對導航類專業人才,應重點增加GPS信號體制,接收機基帶信號處理關鍵技術,如對偽隨機碼擴頻信號的捕獲、跟蹤、解碼等內容,并設置相應的仿真實驗環節。可喜的是隨著GPS發展,我國國內相繼出現了“GPS原理與仿真”等教材[7],更加適合專門從事導航類相關專業的學生。

3.2 教師隊伍建設

要把教師隊伍建設放在學科建設的首位,加強教學交流,尤其是青年教師的培養,提高教學團隊的教學水平及科研能力,成為站在學科發展前沿的、具有較高教學水平的、既教書又育人的優秀教學團隊。

培養本校教師技術骨干力量,成為該領域的學科帶頭人。現在中國二代導航已作為重大專項列入國家中長期發展規劃,通過鼓勵教師參與該領域國家重大前沿項目的研究工作,引領本校本專業成為高校重點學科。

最后,組織教師參加諸如“衛星導航技術進步與創新”專家論壇和“新技術新產品應用成果展示會”,了解我國衛星導航技術和產業發展,不斷開闊視野,提升教學高度。

3.3 教學實施

由于GPS定位技術理論較深,涉及的知識面較廣,同時其內容也在不斷豐富之中,因此,結合高校自身的專業特色和實際情況,開展該課程的教學研究,不斷提高課程的教學質量。

設計教學時,課程內容應實現理論與實際應用緊密結合、前瞻性和通俗性相結合,充分注意教學中的層次設計,使教學內容可根據授課對象需要進行選擇且自成一體,可滿足不同專業對GPS技術的教學需求,具有較廣泛的適應性。

注重“教學、科研、生產三位一體”的實踐性教學環節,在課程建設中注重教學內容的合理安排和實踐性教學環節的設計,以及相關科研和生產成果的融入,讓學生在大量的實踐中掌握和靈活運用所學知識,以培養和提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

針對導航專業人才的培養,首先,應由淺入深講解GPS的定位原理,并涵蓋GPS衛星導航的關鍵技術。GPS定位的基本幾何原理是三球交會原理。通過測量GPS接收機到衛星(位置已知)的距離,而測定接收機的位置。GPS衛星通過發射直接序列擴頻通信信號作為測量信號,因此,對導航信號的接收處理是接收機的關鍵技術。對導航專業,應把GPS信號的處理以及偽距測量等相關內容作為重點講解[8]。

其次,理論與實踐緊密結合。課堂上講授了GPS信號的結構、定位原理,接收機處理方法后,應加強學生對概念的消化理解。比如,可以加強對GPS信號的仿真實驗環節,可以利用 MATLAB工具實現GPS信號仿真以及基帶信號處理等環節的編程實驗,這對學生理解偽碼測距是十分有幫助的。并將科研成果介紹給學生,豐富課堂內容,指導學生的實驗和實訓環節。

再者,針對課程特點適當運用多媒體教學手段。“GPS原理與應用”課程設計到很多抽象概念、空間概念和動態過程,這與“信號與系統”等含大量公式推導的課程特點是不同的,傳統的板書教學優勢很難將這些概念及過程清晰地展現在學生面前,而使用多媒體教學可以給學生更多直觀感受,收到事半功倍的效果。

4 結 論

當今,GPS技術在軍民各個領域的應用不斷拓展,隨著Galileo系統、中國北斗二代系統的建設,導航人才的需求也將越來越大。針對目前的“GPS原理與應用”課程的教學現狀,為適應導航人才培養的需要,應適當進行教學改革,具體可以從以下幾個方面著手:

1)重視教材建設;

2)加強教學隊伍建設;

3)重視教學內容和課程體系改革

4)注重使用先進的教學方法和手段。合理運用現代信息技術等手段,改革傳統的教學思想觀念、教學方法。

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

[2]張 欣.擴頻通信數字基帶信號處理算法及其VLSI實現[M].北京:科學出版社,2004.

[3]劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法[M].北京:北京科學出版社,2003.

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

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

[6]李天文,吳 琳,龍永清.地理信息系統專科開設“GPS原理及應用”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:西安電子科技大學出版社,2006.

[8]施滸立,孫希延,李志剛.轉發式衛星導航原理[M].北京:中國科學出版社,2009.