導航專業研究生案例式教學探索與實踐

潘獻飛 何曉峰 張禮廉 呂云霄

摘要案例式教學是提高研究生主觀能動性和綜合科研能力的有效方法。針對現有導航專業研究生實踐教學以知識點驗證為主而綜合性不足的問題，開展案例式教學的教學內容、教學方法和考核方式的改革探索，建成了一套開放式的導航案例庫，同時在教學實踐中形成了一套導航專業案例式教學的教學組織和實踐方法，有效激發學生的學習興趣，鍛煉科研思維，取得了很好的教學效果。

關鍵詞 導航專業 研究生 案例式教學 教學改革

中圖分類號：G643文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.22.011

Exploration and Practice of Case Teaching for Navigation Postgraduates

PAN Xianfei， HE Xiaofeng， ZHANG Lilian， LV Yunxiao

（College of Intelligence Science and Technology， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073）

AbstractCase teaching is an effective way to improve the subjective initiative and comprehensive research ability of postgraduates. In order to solve the problem that the current practice teaching of navigation postgraduates is mainly based on knowledge point verification but not comprehensive enough， the reform and exploration of teaching content， teaching methods and assessment methods of case-based teaching are carried out， and a set of open navigation case database is built. At the same time， a set of teaching organization and practice methods of navigation case-based teaching are formed in teaching practice， effectively stimulate students’ interest in learning， exercise scientific research thinking， and achieved good teaching results.

KeywordsNavigation major； postgraduate； case teaching； teachign reform

0引言

現代教學方法中提倡突出學生在學習中的主體地位，把學生的被動式學習轉變為主動式學習。而如何在教學中促進學生思考，提高其主觀能動性，培養其分析問題、解決問題的實際能力一直是國內教學研究的重點。研究生專業課教學在高校教學中占有非常重要的地位，與本科教學注重基礎知識不同的是，研究生專業課教學應該加強廣度和深度，更注重科學性和實踐性，要為研究生轉入科研狀態、進入課題研究奠定基礎。

導航技術近年發展迅速，隨著不同慣性傳感器的出現，從軍用到民用，從天上到水下，導航技術日益滲透到軍事和生活的方方面面。研究生課程“自主導航”是以慣性導航為基礎，研究其他多種自主導航方式并進行組合導航的課程。教學目的是希望通過本課程學習，學生能掌握自主導航技術的基本理論和組合導航系統的設計、分析方法，培養學生系統性地研究、解決自主導航方法和工程應用問題的能力，掌握實驗研究中的數據處理與分析方法，為自主導航系統的設計、試驗、使用等工作奠定良好的理論基礎。

1當前存在的問題

導航定位技術是信息化社會的核心技術之一，也是無人系統的重要傳感技術。國外研究生教學注重案例式、研究性教學方式，其特點是課堂授課內容精煉、速度快、覆蓋面大，而課后作業任務量大，對知識的綜合運用能力要求高。案例式教學正是培養學生知識綜合應用能力的有效方式。國內導航專業研究生教學一般以慣性導航和衛星導航為主，雖然日益注重實踐式教學，但大多以針對不同知識點設計的試驗方式開展，綜合性試驗也以原理檢驗為主，對學生分析能力、設計能力和實踐能力的培養不夠深入。因此，針對不同應用環境、不同應用需求，基于不同精度和成本的傳感器，基于科研成果設計代表性強的教學案例，對于進一步提高教學效果，培養學生綜合科研能力具有重要意義。

2教學改革

在現有導航專業研究生課程教育的基礎上，結合本專業科研特色和典型科研成果，建立面向無人系統的不同導航模式、不同應用環境和不同使用需求的組合導航案例庫，設計基于導航案例庫的教學組織和實踐方法，把當前以知識點驗證為主的教學試驗設計模式升級為面向實際導航需求的綜合性案例教學和實踐模式，探索形成一套開放式的、面向無人系統需求的典型導航案例庫及對應的教學組織和實踐方法，從而進一步深化和創新導航專業研究生創新性和實踐性能力的培養模式。

教學改革中，主要從教學內容、教學模式、考核方式等方面開展案例式教學的探索與實踐。

2.1教學內容改革

教學內容上，核心是導航案例庫建設，按照強化理論基礎，貼近工程應用，拓展最新成果，優化綜合實踐的思路對具體案例進行設計。主要著眼于知識點的綜合應用，讓學員對如何綜合應用所學知識，對分析實際導航問題，解決工程問題有切身的體會。教學案例建設的主要內容如下：

設計基于計算機的導航模擬仿真系統，并由此設計不同條件下的虛擬導航案例。實際導航案例固然有其真實的優點，但往往只能體現某種特定條件下的導航特點，有特征不夠全面、干擾因素較多的局限性。基于matlab設計導航模擬仿真系統，主要包括軌跡發生器模塊、傳感器信號模擬模塊（慣性傳感器信號、衛星信號、里程計信號、多普勒測速儀信號等）、慣性導航計算模塊、組合導航計算模塊、導航精度評估模塊等。

基于設計的模擬仿真系統，從工作環境上，可模擬車載環境下的慣性/里程計/衛星初始對準及組合導航，模擬水下無人潛航器的慣性/多普勒測速儀/衛星組合導航，模擬飛行條件下的慣性/衛星組合導航等多種環境下的導航計算與精度評估。從傳感器性能上，可模擬高、中、低精度的激光陀螺、光纖陀螺，可模擬低精度的MEMS陀螺，不同精度的加速度計，以及不同精度水平的衛星、測速儀等信號。

導航模擬仿真系統的建立，克服了真實案例庫的局限，為虛擬導航案例庫的設計提供了很大靈活性，從而幾乎可以模擬生成各種復雜動態環境下、各種導航傳感器精度、各種導航輔助手段下的傳感器原始數據及不同的運動軌跡，特別是可模擬實際載體試驗難以實現的極端條件下的動態試驗，從而可根據教學目的設計虛擬導航案例。

基于科研項目的真實試驗數據，建立不同應用環境下的真實導航案例；建立基于不同慣性傳感器類型和精度的真實導航案例。依托課題組多年的科研項目資源，收集整理多個典型項目的試驗數據，包括基于高精度激光陀螺捷聯慣導系統的車載環境、水下潛航器環境、飛行環境等的慣性導航系統數據、車載里程計數據、水下多普勒測速儀數據、GPS/北斗衛星數據等試驗數據，以及基于MEMS微慣導系統的車載環境和彈載環境數據，根據教學需求對所有的試驗數據進行了分類和規范化，編寫了試驗說明，提出了試驗要求，形成了真實的導航案例庫，為無人系統的慣性/多傳感器組合導航教學提供了堅實的基礎。

如飛行環境慣性/GPS組合導航試驗案例。以某次飛行試驗為基礎設計教學案例，把激光陀螺捷聯慣導系統固聯于實驗載機的機艙中，按設定的飛行路線進行飛行。數據文件分為慣性數據和GPS數據。

算法要求：

通過matlab編程實現捷聯慣導系統初始對準、慣導解算、組合導航解算的全過程。

（1）初始自對準：利用前15分鐘飛機靜止的數據進行慣導系統的自對準。采用全部15分鐘數據進行解析粗對準，全部15分鐘數據用五狀態Kalman濾波器實現精對準；為了驗證精對準性能，可在粗對準結果上把航向角人為加一定幅度（如10度）的誤差，觀察精對準的收斂性能。

（2）純慣導解算：對準結束后轉入純慣性導航解算，要求進行雙子樣的圓錐和劃搖補償，輸出完整的導航結果包括三個姿態、兩個水平速度和兩個水平位置（天向通道發散不必輸出），并給出姿態、速度、位置隨時間的變化曲線以及位置誤差曲線。

（3）組合導航解算：對準結束后轉入慣性/GPS組合導航解算。輸出完整的導航結果包括三個姿態、三個方向的速度、兩個水平位置以及高度，并給出姿態、速度、位置隨時間變化曲線。

依托衛星、慣性等導航模擬器建立衛星導航案例庫。基于衛星模擬器、慣性模擬器等硬件模擬器資源，通過參數設計，模擬器可模擬產生不同的慣性和衛星信號，據此設計真實試驗難以做到的高動態環境的衛星導航仿真試驗和組合導航仿真案例，這些案例對深入學習和研究慣性/衛星深組合算法、高動態環境的衛星捕獲跟蹤算法等建立了基礎。同時，把研究生教學和科研實踐相結合，使得研究生利用試驗室資源開展科研實踐研究，有效提高研究生的實踐能力和科研水平。

如基于衛星模擬器的案例設計。通過多星座衛星信號模擬器發送高大過載環境衛星模擬信號，控制信號輸出強度，使其符合真實衛星信號強度，并且輸出和衛星信號相對應的慣導信息，使接收機能進行定位測速解算。

通過matlab編程實現大過載環境下的慣性/衛星深組合導航定位算法，比較不同算法下導航定位的精度。

設計導航案例庫的標準化、規范化管理模式，形成具有開放性的可擴展的典型導航案例庫。根據導航專業研究生教學要求，選取一些典型的試驗數據，通過規范化和標準化后作為導航案例，對于以后無人系統的導航研究和教學是不夠的。因此，除了試驗數據外，研究案例庫的建設規范，研究案例說明的要求和格式。從而使得隨著教學和科研的發展，案例庫可根據不同教學目的不斷豐富，形成導航專業研究生實踐教學的豐富資源庫。

2.2教學模式改革

首先，在課堂授課中，除了基本理論講授外，把一些基本教學案例融入各階段教學內容中，以教學案例為基礎開展研討式教學，引導學員針對具體案例中碰到的問題進行思考和討論，深化教學內容的學習。

其次，在實驗課時中，重點以綜合型案例為基礎，通過學員自選，深入培養學員針對某一領域導航問題進行導航綜合設計的能力，如通過飛行試驗案例，學員必須解決從慣性測量單元標定、地面/空中初始對準、純慣性導航解算、慣性/衛星組合導航解算等關鍵問題，才能完成試驗任務，從而大大提高學員解決項目中真實導航問題的能力。

案例式教學大大豐富了教學試驗資源，提高了試驗教學靈活性。試驗教學中，每個案例安排一個教學單元。提前提供背景材料，要求學員在課前對案例有一個大概的了解。課堂上，首先對案例的背景和主要技術難點進行介紹，然后組織學員對技術難點的解決展開自由討論，最后進行歸納總結。具體流程如下：

提出問題：主講老師針對無人系統中的某一具體場景，提出導航定位問題，給出初始條件；

專題研討：以3～5人為研究小組，通過分組方式選擇導航案例中的某一關鍵問題進行提前的理論推導、文獻搜集、整理與專題綜述，用1學時時間進行關鍵問題研討和交流，整理得出該案例的導航理論方法；

案例分析：基于研討的理論成果，結合該案例的載體環境、傳感器條件等實際因素，對該應用案例進行剖析，討論，改進、優化，提升學員的綜合應用與系統分析能力，設計出具體可行的導航模式和導航算法，并與科研項目中實際應用的導航算法進行對比分析；

實驗實踐：對于典型應用案例，可與實踐性教學相結合，基于案例給出的試驗數據和初始條件，各研究小組設計并實現導航算法，并與實際案例導航結果相比較，檢驗實現效果。

同時，課題組各老師把設計的教學案例不同程度的應用于其他導航專業課程教學中，通過多人案例式教學的教學實踐，把建設的案例庫應用到實際教學中，積累案例式教學和研討式教學的豐富經驗，總結不同課程的教學方法。

2.3考核方式研究

對于試驗研討后需要編寫的程序和撰寫的報告，提出以下要求：

Matlab源程序。要求程序模塊化，算法模塊最好寫成函數形式；變量定義規范化，盡可能用有意義的單詞表示；導航輸出的姿態結果轉換為歐拉角輸出；導航結果（姿態、速度、位置）實時存儲為數據文件。

實驗報告。主要包括實驗目的、實驗要求、算法分析及程序編排、Matlab程序簡單說明：主要變量定義，函數模塊說明，流程圖等；實驗結果處理分析、實驗結論、心得體會等內容。

案例式教學的效果評估要綜合考慮學員在分組研討匯報、案例討論、現場抽簽回答問題等環節的表現，當然更重要的是提交的程序和試驗報告。激發學員對各環節的參與熱情，保證學員的課外時間投入。分組研討匯報和案例式教學的評分在現場給出。其中分組研討匯報的分數由現場匯報效果以及書面報告的質量決定，每組給出一個分數。案例式研討分數由學員的發言積極性和發言質量綜合評定。

3結論

案例式教學改革在導航專業研究生教學中取得了很好的應用效果。建成了一套基于Matlab的組合導航仿真系統，建立了豐富的虛擬導航案例庫；建成了一套開放式的、面向無人系統需求的典型導航模式下的真實試驗案例庫，且可隨新的教學需求和新的科研成果不斷補充和豐富；同時在教學實踐中形成了一套導航專業案例式教學的教學組織和實踐方法。案例式教學能激發學生的學習興趣，通過案例剖析、問題研討和方案設計，培養學生系統性解決某一方面導航問題的綜合能力，鍛煉科研思維，為學生下一步進入專業領域研究奠定堅實基礎。

基金項目：2019湖南省研究生優質課程立項項目《自主導航》課程（湘教通（2019）370號-13）

參考文獻

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