面向農業院校的GNSS導航與定位原理課程教學改革探討

郝瀧 崔玉環 高祥

摘 要：隨著北斗全球導航定位系統的正式開通運行以及計算機技術的快速發展，對GNSS導航與定位原理課程的理論和實踐教學都提出了更高的要求。因此，充分了解我國新時代國家建設需求的背景下對導航定位人才的要求，建立完善的課程教學內容和策略，對該課程的教學內容和方式的改革刻不容緩。該文從理論知識、實踐技能、數據處理和專題內容講演等方面改革進行了探討，建立了全面的教學設計方案，提升了學生對課程的全面掌握程度，為測繪工程相關專業課程改革提供參考。

關鍵詞：導航與定位;GNSS;北斗系統;農業院校;教學改革

中圖分類號 G642.0 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）21-0175-04

Abstract： The Beidou Navigation Satellite System has been fully officially opened and the computer science technology has also been rapidly developed， which brings forward a higher request to the reform of the theory and practice teaching for the development of the GNSS navigation and positioning principle. Therefore， a better understanding for the requirements of navigation and positioning talents can promoting China’s stable and rapid development. In this study， the theoretical knowledge teaching， practical skill， data processing and special topic presentation have been integrated discussed， thus a comprehensive teaching design scheme has been established. The teaching design can improve the teaching effective， but also provides experiences for other courses’ reform.

Key words： Navigation and Positioning; GNSS; Beidou System; Agricultural University; Teaching reform

2020年6月23日，中國北斗衛星導航系統最后一顆全球組網衛星在西昌衛星發射中心成功點火升空，這標志著北斗三號全球衛星導航系統提前半年完成星座部署計劃;7月31日，北斗三號全球衛星導航系統正式開通。目前已形成了美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo和中國BDS四大主要衛星導航系統（Global Navigation Satellite System， 簡稱GNSS）。此外，包括日本的QZSS和印度的IRNSS區域衛星導航系統在內的衛星導航系統也都在建設中。GNSS技術是目前導航與定位服務領域需求和應用最大的，對技術要求最高，同時也是目前發展最快的技術，已經在包括軍事、通信、交通運輸、資源調查和災害監測等多個領域得到了廣泛的應用[1]。

GNSS導航與定位原理是測繪工程專業的基礎和核心課程，具有較強的理論性和實踐性[2，8]，學生對本課程的掌握和認知程度對于測繪專業人才的培養及測繪領域的長遠發展具有重要的意義[3]。安徽農業大學作為農林領域的高校，測繪工程專業設立時間不久，開設GNSS導航與定位原理課程只有數年。測繪工程專業開設課程在測繪科學技術的基礎之上，應當充分融入農林領域和安徽農業大學的特色，將測繪科學技術的特點充分發揮出來。隨著我國的北斗全球導航定位系統全球組網及開通，使得以美國GPS系統為主要講演對象的導航與定位系統課程的傳統教學內容更新滯后，未及時將最新的導航系統的相關知識納入教學體系。由于該課程需要較多的理論基礎知識的學習，對于高等數學、誤差理論和測量平差以及大地測量學課程的掌握程度要求較高。除此之外，該課程理論知識涉及范圍較廣，但實際上課程設置又無法與實踐有機銜接，從而會影響學生對該課程的掌握和應用程度。基于GNSS導航與定位原理課程的教學情況，本文對該課程的教學現狀、改革必要性及改革措施進行了相應的探討。

1 GNSS導航與定位原理課程教學現狀

作為一門對理論和實踐都具有較高要求的課程，學好GNSS導航與定位原理這門課程除了要理解和掌握課程體系的理論知識之外，對于工程應用及數據處理也有較高的要求，但從教學效果方面來看的話，不論是理論學習還是實驗操作仍存在不少問題。特別是隨著衛星導航系統的快速發展和利用導航定位數據展開不同科學領域的理論研究，這些客觀條件使得對導航定位人才的較高需求。目前，在課程教學中廣泛存在的這些問題，嚴重阻礙了我國衛星導航定位技術的良好發展。

雖然經過對課程的不斷摸索和改進，測繪工程專業的學生對GNSS導航與定位原理的學習積極主動性及接受效果有所提升，但在目前的教學與實踐中仍存在若干問題。其中，最為顯著的問題體現在對理論知識掌握的欠缺及實踐技能的綜合提升2個方面。

1.1 理論知識的分解與融合 由于課程性質的影響，GNSS導航與定位原理課程的知識點繁多，但是學生對相應的知識點的理解不夠深入，往往局限在對字面含義的認知，且容易將課程不同的理論知識的混淆。譬如，無法區分差分定位方法與基本定位方法之間的區別;電離層延遲誤差及對流層延遲誤差改正等。在教學過程中從理論結構上，通常可以將該課程的知識框架分為初級、中級和高級3個層級，如圖1所示。但對于本科生來說，要真正能形成一個比較完整的導航與定位的知識框架實際并不容易。想要有一個系統的專業框架，學生應對該課程的理論知識掌握至少應該達到“中級”，但是目前的教學內容通常僅能使得學生的知識結構處于“初級”。因此，在教學改革的實踐中，應予以大膽革新，才能逐步使學生對知識的掌握在“中級”的基礎上，向“高級”過渡。而實現由“中級”到“高級”的過渡的關鍵則是如何將瑣碎的“初級”知識點有機融合，從而進階到“中級”和“高級”。

1.2 實踐技能的綜合運用 實踐教學對于培養測繪人才掌握導航定位實踐能力和擁有創新能力具有重要的意義。但在有限的理論教學時長內，想要對導航定位有深入理解并構建出一個完整的知識體系是非常困難的。特別是目前高校導航與定位原理課程中普遍存在理論教學與實踐教學脫鉤的情況，這使得學生利用有限的理論知識去解決GNSS實際工程問題變得更加困難。GNSS導航定位的實踐課程要求學生能夠獨立完成項目的設計，譬如GNSS RTK作業和靜態測量等設計項目都需要學生對理論知識掌握程度較高。但鑒于理論知識的教學，學生往往只能對基礎知識掌握，因此要想實現高規格的實踐是有困難的。在該課程的改革過程中，應予以實踐課程更多的比重和更高的要求，這樣才能將理論知識和實踐技能有機結合，進而提升學生導航與定位相關工程的綜合水平。

2 GNSS導航與定位原理課程教學改革的必要性

2.1 現代化導航定位技術發展的要求 傳統的導航與定位原理課程所教授的參考對象以美國的全球導航定位系統GPS為主，未能充分考慮世界上其他的衛星導航定位系統。我國自主研發設計的北斗全球導航與定位系統已經實現全球組網并已開通運行，除了為我國的國家安全和經濟社會的發展提供全面保障之外，也為全球用戶提供高精度的定位、導航和授時服務。另外，北斗導航系統也需要不斷對系統進行提升，才能適應衛星導航系統領域的嚴峻挑戰[6]。因此，將北斗全球導航定位系統的相關內容充分融入GNSS導航與定位原理課程具有重要的現實意義，也能夠提升當代大學生的愛國主義情懷及民族自豪感。

2.2 多學科交叉融合的要求 目前，我國的科技水平正飛速發展，多學科交叉及跨界融合已成為學術研究的趨勢。在全球一體化的背景下，要想保持社會經濟的穩定發展，就必須面對解決科學和應用的多種復雜問題，如何有效解決不同領域的科學、技術及工程問題，需要多學科和技術有機融合。不同學科之間的互相融合在一定程度上促使新興交叉學科的誕生。對于GNSS導航與定位原理課程而言，在目前的科學背景下，也不再局限于服務導航和定位，對包括氣象和海洋科學等領域有著不可替代的作用，例如GNSS可用于水汽探測、海洋波浪場等的參數獲取。另外，對于定量遙感而言，衛星信號所包含的不同物理特性及定位應用，能有效地輔助定量遙感研究領域。

2.3 農林資源導航定位應用的要求 我國幅員遼闊，有著豐富的農林資源，林業資源往往分布在地形復雜的區域，雖然美國的GPS系統對我國的農林衛星導航有一定的作用，但是由于該系統自身的星座布網特點與我國農林資源分布的特殊性和復雜性，使得信號失鎖和多路徑效應在使用該系統進行相應的定位和導航應用中普遍存在[1]。北斗導航定位系統的雙模導航使得其在我國的農林行業中的應用具有極大的潛力，特別是北斗系統的短報文應用，更是實現了GPS系統不具備的地面移動互聯網通信的功能，使得救援等突發事件得以及時處置，可以將損失降到最低。2020年，國家林業和草原局發布的《國家林業和草原關于在林業草原行業推廣北斗衛星導航系統應用的意見》明確指出，推動北斗系統的應用是落實國家安全戰略和促進經濟社會發展的重要舉措，是新時期推進林業草原行業高質量發展和現代化建設的迫切需要。預計在2025年可以實現全國重點林草區域北斗衛星導航系統的全覆蓋，可以全面提升北斗衛星導航系統在林草行業領域中的應用規模及管理水平。盡管北斗衛星導航在農林領域的相關應用都得以實現，但實際上目前仍有不少問題需要解決。特別是目前農林領域的衛星導航應用規模較小且分散，缺少統一的管理維護及相應的行業標準規范[4]。另外，北斗衛星導航系統在農林領域應用中的接收和容錯能力有待進一步提升，通過技術的不斷改善及系統軟硬件的不斷進步，才能夠提高相應的導航和定位精度。

由此可見，衛星導航技術在農林行業中的應用已得到國家的重視，特別是我國的北斗衛星導航系統更是被寄予厚望。多學科交叉發展融合也對GNSS提出了新的要求。但是，在目前以農林為特色的高等院校中，衛星導航定位教學工作的開展相對較為滯后，大部分高校對相關知識的講解仍然局限在表面，而未能開展深入的探討，也不能從跨學科、多維度的層面深入拓展GNSS導航與定位的作用。實際上，這些客觀情況都阻礙了衛星導航技術在農林領域和交叉學科的有效推廣和應用。

3 GNSS導航與定位原理課程教學改革的實踐與探討

GNSS導航與定位原理課程的主要教學內容包括：坐標系統和時間系統、衛星運動基礎及衛星星歷、衛星定位于導航原理、GNSS測量的誤差來源及其影響和GNSS測量的設計與實踐等。要求學生通過對不同導航定位系統的學習和比較，掌握GNSS領域的發展進程，了解不同衛星導航系統的產生、發展、優缺點及用途;掌握GNSS系統的組成及信號結構、定位原理、測量方法和工作流程。實際上，學習該課程的最終目標是使學生在掌握GNSS相關實踐技術操作和數據處理能力的基礎上具備完整的GNSS測量工程設計與實施的能力。農業院校GNSS導航與定位原理課程改革框架如圖2所示。

3.1 結合院校特點，設計教學內容 隨著計算機技術的快速發展，導航定位技術在農林行業中得到了廣泛的使用。國家對農林領域高度重視并加大投入，使得智慧農業和智慧農業領域得以快速發展。安徽農業大學農林類專業具有明顯優勢，因此學校也加大了精準農業領域的研究投入，成立有安徽省北斗精準農業信息工程實驗室，這實際上為包括測繪工程專業的學生提供了透徹掌握導航定位原理及學科理論知識的實踐平臺。如何實現在有限的理論教學課時內，使學生對導航和定位知識有所掌握和理解，是實現成功教學改革的關鍵。而充分結合院校特色，將導航定位技術特別是北斗衛星導航定位的理論和技術有機融合在GNSS導航與定位原理課程是重中之重。

3.2 理論與實踐并重，實踐中深化理論 近年來，導航與定位技術在計算科學快速發展的基礎上已經取得了顯著進步，本課程也不再局限于對導航定位理論知識的講解。傳統的理論課程教學通過多媒體教學模式雖然能夠直觀地將課程的重點內容展示給學生，但受課程設置等因素的影響，多媒體教學模式下的內容與信息量都較大，而部分授課老師采用幻燈片照本宣科的教學模式也使得學生對課程知識接收的匱乏。即便學生能通過課件對課程的基礎知識有一定的掌握，但鑒于GNSS導航與定位原理課程是一門對實踐和數據處理要求較高的課程，僅在理論教學支持下浮在“表面”的課程學習無法提升學生對導航定位的技能。隨著現代導航定位技術的不斷發展，該技術無論在基礎建設還是科學研究的層面都愈發的重要，如果仍采用單一的課程理論教學，是無法支撐學生完成相應的科研或工程項目[5]。因此，在實際的課程進程中，需要在理論教學鋪墊的前提下，將數據處理和工程設計等實踐內容充分與理論知識相結合，不斷提高學生解決實際問題的能力。

3.3 完善課程考核方式，綜合提升專業技能 GNSS導航與定位原理是一門理論和實踐并重的課程，除了要求學生有相當充分的科研儲備知識之外，也對學生的動手解決實際問題能力有較高的要求。因此，應綜合多個方面和目標對教學效果進行檢驗。但是實際上目前大部分高校對該課程的考核模式仍然局限于單一的理論考核，而對課程實踐部分的考核相對缺失[7]。為了客觀反映課程的教學情況，應在傳統的課程考核模式之上增加實踐操作、數據處理及課程專題內容小組講演等內容。對于理論知識的考核采用閉卷考試，可以考查學生對課程知識的掌握情況;實踐操作在實習實驗課程的基礎上，將學生隨機分組自行設計并完成模擬項目，可以考察學生的團隊協作與解決問題的能力;數據處理的考察在理論和實踐的考察基礎上，檢驗學生對數據和問題的分析與處理能力;課程專題內容小組講演對學生隨機分組并隨機抽取課程理論知識點，把講臺提供給學生，可以考察學生的知識體系構建、臨場發揮及應變能力。通過上述多方面融合，可以有效地考查學生對課程的掌握，也能更合理客觀地評價學生的綜合素質和成績。

4 結語

在全球可持續發展和我國新時代國家建設需求的背景下，導航和定位技術在包括農林行業等多領域的應用需求都在迅速上升。GNSS導航與定位原理作為測繪工程專業的核心課程，對于提升學生專業課程的學習及后續的科研和工作等多方面的培養具有重要的意義。本文在對現有的導航與定位原理課程的教學現狀分析的基礎上，探討了我國北斗導航定位的特點，并充分結合安徽農業大學的辦學特色，提出了新的教學改革和設計方案。新的教學內容和方法初步實現對現有課程體系的改革，在提高學生對課程內容深入理解，項目設計和數據分析及問題解決等方面有促進作用，可以為測繪工程專業其他課程的改革提供參考。當然，該課程改革設計中仍存在一定的短板，有待在實際的教學實踐中不斷地提升。

參考文獻

[1]閆飛，馮仲科，王瑞瑞.面向林業的“衛星導航定位原理與應用”課程教學改革初探[J].中國林業教育，2017，35（4）：44-46.

[2]鄧岳川，王延霞，李德亮，等.基于MOOC翻轉課堂的“GPS原理與應用”課程教學改革實踐[J].測繪工程，2017，26（2）：76-80.

[3]湯俊.面向OBE模式的“GNSS原理與應用”課程教學改革與實踐[J].測繪工程，2018，27（10）：71-75.

[4]劉鵬舉.北斗系統在林業和草原行業應用及思考[J].衛星應用，2020（9）：53-57.

[5]王潛心，鄒艷，吳飛，等.《GPS原理與應用》課程教學與改革[J].高教學刊，2016，18：74-75.

[6]楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰[J].測繪學報，2010，39（1）：1-6.

[7]孫佳龍，郭淑艷，焦明連，等.衛星定位與導航教學的改革與實踐[J].測繪科學，2013，38（5）：190-192.

[8]連達軍，陳國棟，袁銘，等.“衛星導航定位原理”課程研究性教學法探討[J].測繪通報，2018（1）：161-164.

（責編：張宏民）