《衛星導航原理》課程教學改革探索

徐榮,戴衛恒,趙陸文,張北江

(解放軍理工大學 通信工程學院,江蘇 南京 210007)

《衛星導航原理》課程教學改革探索

徐榮,戴衛恒,趙陸文,張北江

(解放軍理工大學 通信工程學院,江蘇 南京 210007)

衛星導航在軍民領域的廣泛應用帶動了衛星導航技術的迅猛發展,培養衛星導航各應用領域的專業和工程技術人才已成為社會發展的迫切需求。針對當前軍校推進人才培養模式的轉變,如何緊貼部隊需求,培養我軍需要的衛星導航人才也是當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業的《衛星導航原理》課程現狀的基礎上,提出了對教學內容、教學方法、考核方式進行改革,在教學過程中進行了一段時間實踐,取得了良好的教學效果。

衛星導航;本科教學;課程現狀;教學改革

0 引 言

衛星導航為導航技術帶來了革命性的變化,已廣泛應用于日常生活和軍事的各個方面,產生了深遠的影響。它可以在全球范圍內全天候地為海陸空天用戶提供精確的實時位置、速度和時間信息。在軍事方面,它已經成為導航定位、精確打擊、軍事力量調動部署和指揮等方面不可缺少的工具和手段, 在現代戰爭中正發揮著無法替代的作用[1]。我國的北斗衛星導航事業也正在蓬勃發展,目前與歐美衛星導航技術還有一定差距,如何培養我軍的衛星導航專業技術人才是當今軍校高等教育中面臨的一項挑戰。

在我院本科生培養計劃中,《衛星導航原理》課程是通信工程類專業大學四年級學員一門重要的專業課。通過本門課程的學習,使學員對衛星導航的基本概念、原理以及衛星導航接收機的工作原理有清晰的認識,以適應未來信息化戰爭的需要。但隨著人才培養模式的變化和衛星導航技術的發展,需要在傳統教學方式基礎上,開展新的教學體系和教學方法的探索,為今后學員知識拓展以及部隊任職奠定必要的理論和實踐基礎。

1 國內外相關課程現狀

目前,國內外眾多知名院校本科階段均開設衛星導航相關課程,從查閱的相關資料上看,各院校根據自身的研究特色和專業強項,授課內容有一定差別,大體可按專業分兩類分析:一類是武漢大學、解放軍信息工程大學、澳大利亞新南威爾士大學和加拿大的卡爾加里大學等院校的測繪專業,授課主要側重在數據的后處理,高精度定位[2-3];另一類是清華大學、國防科技大學、北京理工大學、北京航空航天大學和美國康奈爾大學等院校的電子工程等專業,授課主要側重RNSS(Radio Navigation Satellite System)導航接收機技術及組合導航技術等信號處理技術[4-5]。不過上述院校課程內容對RDSS(Radio Determination Satellite Service)導航接收機技術、軍事應用及抗干擾技術等方面內容的講授較少,而這恰是我院學員未來任職需要。

2 課程教學現狀分析

《衛星導航原理》是一門多學科相互交叉相互滲透的學科,涉及到天文學、電子學、電磁學、大地測量學及氣象學等多個學科,而且新技術和新應用不斷涌現。但由于學時有限,教員在講課時不可能面面俱到,導致課程教學重點內容不突出,學員抓不住課程的主線和重點,大大增加了學員學習的難度,影響了課程的教學效果;另外,由于之前沒有構建一個完整的教學實驗環境,缺少課堂實踐教學環節,因此不能滿足學員課后進行相關實驗的需求。學員對課程理論及相關接收機技術概念的理解,主要停留在閱讀教材和參考書目、上網查閱以及完成課后布置的習題作業。

3 課程教學改革措施

以人才培養方案為依據,按照教學目標、內容、方法和條件整體配套改革的思路,以教學內容的先進性為核心,以教學目標的創新性為牽引,以教學方法和教學條件的現代化為保障,突出重點,分步實施,不斷深化,整體提高。

3.1調整教學內容

本課程授課內容上立足于我院信號處理方面的優勢以及本科生的培養計劃。按這一思路對教學內容進行精心梳理和組織,減少基礎理論內容,突出導航信號的接收處理、觀測、解算等接收機技術,增加實踐環節和軍事應用內容,加強問題和工程案例分析。主要調整以下幾點:1)以理解衛星導航的基本概念、原理,了解常見衛星導航系統為要求來選擇課程內容。重點幫助學員建立衛星導航系統的整體概念,理解RNSS和RDSS導航接收機基本的測量、解算原理以及不同系統的具體實現方式;2)增加衛星導航的軍事應用及面臨威脅的相關內容。重點幫助學員了解針對衛星導航的壓制干擾與欺騙干擾的原理、基本過程和危害性。提高學員對衛星導航系統在信息化戰爭中重要地位的認知,掌握抗壓制干擾和抗欺騙干擾的方法;3)本課程也是一門實踐性較強的課程,為加強學員對課堂理論教學內容的理解和掌握,完善了實驗教學平臺。增加的實驗課程內容包括衛星導航信號捕獲、跟蹤以及PVT(Position Velocity Time)解算等,使學員掌握導航接收機的工作原理以及工作過程。

3.2改進教學方法

衛星導航原理課程涉及學科多,知識點多、實踐性強等特點,為在有限的學時內,使學員掌握衛星導航的基本知識,提升實踐應用能力,并提高學員提煉問題、解決問題、評價解決問題的能力,為此在教學方法上做出以下幾點改進。

1) 建立“以學員為主體、以教員為主導”的基于問題牽引的教學模式,明確衛星導航所要解決的問題,以此為主線牽引具體解決方法和知識的展開,針對每一個知識點和技術環節,也以技術問題為牽引,引導學員思考解決方法,然后給出現有的技術解決方案。譬如在教學過程中,為了讓學員理解衛星導航技術,首先讓學員結合已有知識和經驗,討論個人如何找尋一個目的地,分析其中的難點,可以借助的輔助方法,進而引申到衛星導航如何定位導航,最后,教員再采用理論術語描述解決思路和具體技術,最終達到復雜問題的形象化分析討論的目的。這種結合實際案例導入問題的方式,更能激發學員討論的積極性,也便于學員類比問題解決方法,使學員加深對理論知識的理解,也對實際問題和解決問題的思路有更深入的認識[6]。

2) 理論教學采用多媒體、PPT和板書相結合的形式,全方位、多角度地闡述教學內容。在講授過程中以傳統講授和多媒體課件兩種方式互補互用,輔以“講授-提問-解答”交互式授課[7]。注重理論推導與動畫演示相結合,使講授深入淺出,通俗易懂。譬如,講述ECI坐標系(Earth Centered Inertial coordinate system)與ECEF坐標系(Earth Centered Earth Fixed)的轉換關系時,若只采用的“PPT+板書”教學方式,就不足以有效表達空間概念,而利用多媒體動畫揭示如圖1所示,可以直觀展示兩個坐標系的三軸隨時間的動態變化關系,使內容更為形象、直觀,實現學員從單純的“聽課”,變為“聽看結合”[8]。提高了學員的學習興趣和求知欲,起到事半功倍的效果。

圖1 ECI與ECEF轉換關系演示畫面

3) 實踐教學利用實驗教學平臺,如圖2所示,采集真實的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system,BDS)和全球定位系統(global positioning system,GPS)導航信號,讓學員上機操作導航接收機信號處理的全過程,在動手實踐的同時,強調提出這些處理方法的思路,并結合性能分析過程,理解如何進行一種實現方案評價,提高學員的應用能力。

圖2 實驗教學平臺框圖

譬如,PVT解算中狀態量最優估計實驗,評估最小二乘法與卡爾曼濾波這兩種最優估計方法性能。首先利用接收機連續運動場景下仿真得出兩種算法的定位結果如圖3所示,讓學員思考兩種算法結果的不同之處。

圖3 最小二乘法(紅線)與卡爾曼濾波法(黑線)定位結果(經度)對比

然后給出上述兩種算法的解算過程處理思路:最小二乘法解算的觀測量和狀態量前后沒有聯系,而卡爾曼濾波利用了狀態量、觀測量的統計信息與狀態量的動態信息,建立運動模型,減小觀測誤差,因而其輸出的定位結果較最小二乘法更為平滑。當然卡爾曼濾波對觀測量誤差統計特性或運動模型的描述不準確,也將導致估計結果的誤差變大或不收斂(無穩定解)。最終學員體會出在這兩種算法應用的關鍵。

另外,由于衛星導航儀器配備數目有限,因此實驗過程很難做到人手一臺進行操作實驗實習,這影響到學員對衛星導航技術的了解和熟悉。因此對衛星導航仿真實驗室進行開放式教學,學員可以利用課余時間進行充分實踐,有效地利用已有教學資源。

4) 如今互聯網資源相當發達,提供的信息即豐富又具有時效性,因此充分利用互聯網資源,布置或提示學員到網上查找相關資料以及國外大學開設的衛星導航公開課,以開擴思路;若將來再構建網絡信息化教學平臺,在平臺上向學員提供與教學內容相關的網絡教學資源,打破傳統教學在時間和空間上的限制,那將使得教員和學員以及學員之間可以在任何時間、任何地點,都可通過網絡進行交流討論和自主學習。

3.3優化考核方式

衛星導航原理是一門集理論性、實踐性和前沿性于一體的專業課,因此,需要多角度,多層次和多目標地考查教學效果,測試學員對理論知識的掌握程度,測評學員綜合運用知識的能力,評價學員的實踐能力[9]。

因此通過優化考核方式,建立以衡量綜合素質為依據的評分標準。主要從基本理論知識、實踐和總結能力、課堂互動能力三方面來綜合評價學員的學習效果,課程考試采取平時成績與期末考試成績相結合、理論考試與實踐能力考核相結合的方式,全方位考核學員的學習效果。其中平時成績包括作業、課堂回答問題的情況,實驗報告主要考核學員的實驗分析和書面總結能力,期末考試為閉卷筆試,檢驗學員對基本理論知識的掌握程度。考核方式著力凸顯過程性、形成性的學習效果,使最終考核成績對學員的學習情況有更加客觀和真實的反映。

4 結束語

通過幾個學期的實踐,學員對課程的理解和應用更為扎實,取得良好的教學效果。衛星導航技術在不斷發展,對衛星導航原理的課程教學改革也應不斷探索與創新,教員也需要加強自身科研能力,了解衛星導航技術和產業發展,不斷開闊視野,提升教學高度[10]。保證課程的靈活性、先進性和實用性,激發學員學習衛星導航課程的興趣,加深對衛星導航原理的理解和運用,從而培養出專業素養高,適應部隊需求的衛星導航人才。

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[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.“衛星導航原理與應用”課程教學內容和方法研究[J].實驗技術與管理,2015(7):206-209.

[5] 祿亮清,吳美平.《衛星導航定位技術》課程教學實踐與思考[J].高等教育研究學報,2009,2:67-69.

[6] 張國敏,陳鳴,胡超,等.面向工程實踐的網絡管理課程教學探索[J].計算機教育,2010(19):95-97.

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[8] 聞新,劉江凱.雙源組合導航系統的可視化教學方法[J].導航定位學報,2014,2(3):87-90.

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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

聯系人: 徐榮E-mail: bd_gps@126.com

徐榮(1980-), 男，碩士, 講師,主要從事衛星導航與授時的研究。

戴衛恒(1977-), 男, 博士, 副教授, 主要從事衛星導航與授時的研究。

趙陸文(1977-), 男, 博士, 講師,主要從事衛星導航與授時的研究。