“制導與控制基礎”空天深度融合教學改革與探索

［摘 要］ “制導與控制基礎”是儀器科學與技術、控制科學與工程等相關專業本科生的重要課程之一。根據“雙一流”課程建設目標和培養要求，針對本科生“制導與控制基礎”課程，分析現狀及存在問題，探索與設計以突出空天深度融合、創新教學手段、培養寬口徑復合型航空航天創新人才為導向的教學內容優化、教學手段創新等方面的課程改革方案，強化基礎理論內容，增加前沿技術講授，開發教輔平臺動畫，全面提高本科課程教學質量和人才培養質量。

［關鍵詞］ 制導與控制基礎；教學改革；空天融合；寬口徑復合型人才

［基金項目］ 2019年度北京市自然科學基金委員會“高超再入無人飛行器慣性/衛星超緊組合導航信息融合技術研究”（4204103）；2019年度中國航空科學基金委員會“航空人工智能專項——神經網絡優化的GNSS/INS自適應超緊組合導航技術研究”（2019ZC051009）

［作者簡介］ 王學運（1989—），男，河北承德人，博士，北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院講師，主要從事導航制導與控制研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）36-0047-04［收稿日期］ 2022-07-15

引言

建設世界一流大學和一流學科，是中共中央、國務院做出的重大戰略決策。“雙一流”是中國高等教育領域繼“211工程”和“985工程”之后的又一國家戰略，有利于提升我國高等教育綜合實力和國際競爭力，為實現“兩個一百年”奮斗目標和實現中華民族偉大復興的中國夢提供有力支柱［1］。一流的人才培養是建設世界一流大學和一流學科的重要基礎和基本特征，只有培養出一流人才的高校，才能夠成為世界一流大學［2］。“雙一流”建設過程中，本科生課程教學是最基礎、最重要的環節之一，必須放在突出位置，努力推進教育教學改革［3］。在“雙一流”建設和新工科建設的大背景下，要堅持“強化基礎、突出實踐、重在素質、面向創新”的本科人才培養方針，努力培養學生的核心能力，使之成為能夠在相關領域從事工程設計、系統分析、信息處理、科學試驗、研制開發、經濟或科技管理等工作的寬口徑、復合型高級工程技術人才［4］。

制導與控制技術是導彈與航天技術的核心，是導彈與航天器穩定可靠飛行、有效完成預定任務的基礎。不僅如此，制導與控制技術也一直是國防基礎技術的關鍵技術，尤其是在以精確打擊武器為基礎的新軍事變革中，制導與控制技術的發展水平在一定程度上決定了一個國家武器裝備的水平，代表了一個國家的國防實力。同時，制導與控制技術的發展需求，將有力牽引和推動電子技術、計算機技術、控制技術、材料技術等相關學科及技術的發展，并積極促進該技術在其他領域的應用。

考慮到制導與控制技術的重要性以及對探測制導與控制技術專業培養目標的支撐作用，在儀器科學與技術二級學科探測制導與控制技術的培養方案中，“制導與控制基礎”課程被列為專業必修課。課程主要講授航空航天飛行器的制導與控制基礎理論和系統設計，針對衛星、導彈兩類典型的航空航天飛行器，介紹其運動學與動力學特性、衛星軌道與姿態控制、導彈制導與控制等內容。通過本課程的學習，學生可以了解衛星軌道與姿態控制系統、導彈制導與控制系統的基本組成和工作原理，掌握衛星軌道與姿態控制系統、導彈制導與控制系統的工程設計方法，為從事該領域的研究和開發工作奠定堅實基礎。

在教學過程中，通過衛星和導彈動力學特性的學習，可以培養學生運用理論力學對飛行器進行動力學建模與動態特性分析的能力；通過衛星軌道與姿態控制系統、導彈制導與控制系統的學習，可以培養學生運用自動控制原理對飛行器控制系統進行分析和設計的能力，解決衛星和導彈控制中的實際工程問題。

一、現狀分析與存在問題

（一）課程現狀

國內各高校的探測制導與控制技術專業都開設了制導與控制類課程，但研究對象比較單一，或只介紹導彈，或只介紹火箭，或只介紹衛星。目前，在國內同類專業中，沒有一門課程可以兼顧航空器與航天器的制導與控制，難以實現航空航天融合的制導與控制的知識講授，不利于培養寬口徑、復合型工程技術人才和領軍領導人才。

北京航空航天大學“制導與控制基礎”課程教學團隊自2006年起就對教學內容進行了精心研究和編排，在教學工作中認真總結、不斷改進，形成了自己的特色與優勢。

1.教學內容涵蓋衛星與導彈兩類典型航空航天飛行器。為滿足專業培養目標的要求，將衛星與導彈兩類典型對象納入教學內容，并將兩類對象制導與控制的教學內容有機地融合在一起，改變過去兩類對象單獨教學的模式。在有限的學時內，重點強調兩類對象的聯系與區別，培養學生解決復雜問題的能力和高階思維。

2.教學設計突出知識系統性與挑戰性。課程的教學理念是“建立系統框架、立足工程前沿、激發創新靈感”。在具體的教學組織與設計中，具有以下特色和優勢：（1）強調制導與控制系統及關鍵技術的知識體系和框架，教學圍繞典型制導與控制系統的結構展開，把零散雜亂的知識點用制導與控制系統的邏輯主線串聯起來，便于學生建立清晰的制導與控制系統知識框架。（2）知識點教學聯系工程實際，結合教師的工程經驗和體會，重點講授工程中存在的問題以及國內外研究現狀和前沿技術，立足工程前沿，啟發、引導學生思考與討論，進一步提升學生學習課程的驅動力。（3）針對衛星和導彈兩類對象，安排了兩個綜合性的課題設計，分別為衛星姿態控制律設計及仿真研究、導彈制導系統設計及仿真研究。學生以小組為單位提交研究報告，并注明小組成員分工。這不僅可以鍛煉學生的團隊協作能力，還可以促進學生的自主學習和探究式學習，激發學生的創新靈感。

（二）存在問題

盡管“制導與控制基礎”課程在十多年的教學與授課過程中形成了自己的優勢和特色，但對照《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》指示精神，與一流課程“兩性一度”要求相比，目前課程教學還存在一定不足。

1.教學內容需進一步優化。首先，制導與控制空天融合需進一步加深。衛星和導彈兩類典型飛行器制導控制方法的理論基礎、數學模型和受力分析等內容的區別與聯系不夠深入，航空和航天制導與控制方法融合程度不夠；在導彈制導與控制部分對理論基礎和模型的呼應不足。其次，制導與控制前沿技術需進一步豐富。課程對不斷涌現的新型航空航天器及其制導與控制方法介紹不夠豐富，對學生創新培養鍛煉不夠充分，不利于學生在研究生階段快速進入科研狀態。

2.教學手段需進一步創新。目前的課程教學主要采用教師課堂講授、課程實踐、課后作業等傳統教學手段，對學生吸引力不足。為激起學生更大的自主求知欲，課程教學手段需進一步創新。

二、課程教學改革探索及方案

為了適應我國航空航天技術領域快速發展的重大趨勢，必須牢牢把握“雙一流”建設的重大機遇，針對“制導與控制基礎”課程仍存在的問題，從教學內容優化和教學手段改進兩大方面進行課程方案改革，適應新時代創新型、應用型一流人才培養模式，進一步提升課程在培養新時代航空航天急需的寬口徑、復合型創新人才方面發揮的重要作用，同時更好地發揮基礎課程建設在本科生整個培養環節中的基石作用［5］。

針對目前“制導與控制基礎”課程教學存在的問題，優化教學內容，創新教學手段。從以下三方面開展教學改革：強化基礎理論、增加前沿技術和開發教輔平臺。首先，以基礎理論為要點，以常用傳感器和執行機構為紐帶，加深制導與控制技術的空天融合。其次，增加具有空天融合特色的高超再入飛行器制導與控制的課堂教學內容，提升前沿性和挑戰性，提高學生的創新能力。最后，開發輔助教學演示動畫和輔助教學設計平臺，增進互動式教學，生動展示航空航天器制導與控制的區別和聯系，通過教學手段創新加深空天融合。通過上述教學改革，提升“制導與控制基礎”課程的融合性、創新性和挑戰性，進一步加強對學生基礎理論和實踐能力的培養，為寬口徑、復合型工程技術人才和領軍領導人才培養提供更加強有力的支撐。

（一）進一步優化教學內容

1.強化基礎知識，加深空天融合。針對衛星和導彈兩類飛行器，以剛體六自由度運動學和動力學理論為要點，進一步強化基礎知識與理論，加深空天融合；以常用傳感器及執行機構為紐帶，強調兩類典型航空航天飛行器制導和控制的聯系與區別，使學生融會貫通。

“制導與控制基礎”教學內容主要分為三部分：理論基礎部分、衛星軌道與姿態控制部分、導彈制導與控制部分。原授課時在理論基礎部分僅講授剛體六自由度運動學與動力學，衛星和導彈的受力分析、常用傳感器及執行機構等內容均在各自章節展開，并且基礎理論與飛行器結合不明顯。為加深空天融合，強化基礎知識，將衛星和導彈的常用傳感器和執行機構加入理論基礎部分，并且在衛星和導彈部分增加與基礎理論、數學模型相呼應的內容。如此一來，不僅突出剛體運動學和動力學理論在導彈和衛星兩類典型飛行器上的作用原理，而且強調了兩類飛行器制導和控制的聯系與區別，加深空天融合，進而可以讓學生在學習中對比，在對比中理解，在理解中升華，進一步培養學生解決復雜問題的能力和高階思維。

2.緊隨科技前沿，豐富課程內容。新型航空航天器不斷涌現，應增加對具有重要工程價值的新型飛行器制導與控制方法的講授，助力學生緊隨科技前沿，激發學生興趣和動力。高超聲速再入飛行器具有明顯的空天融合特色，飛行過程經歷大氣層內外，以其為例講解制導與控制技術和系統有利于進一步加深空天融合，并且突出創新性、前沿性和挑戰性，為未來科研工作奠定堅實基礎。

高超聲速再入飛行器相關理論與技術一直是飛行器設計領域的研究重點和熱點。高超聲速再入無人機具有速度快、航程遠、機動大、落點精確的優勢，具有廣闊的應用前景。軍事方面，可實現高速突防、精確打擊，對戰略目標進行致命性攻擊，是未來攻防對抗體系中的重要組成部分；民用方面，可重復使用，能作為太空開發、空間科研的運輸和試驗平臺。高超聲速再入無人機能滿足國家重大戰略需求，是飛行技術和空間科學重要發展方向，意義重大。美國、俄羅斯、中國等大國預測，在未來的幾十年里，高超聲速滑翔飛行器將會是重要的進攻性制導武器［6-7］。增加高超聲速再入飛行器制導與控制內容講授，有助于學生在高超聲速再入飛行器領域夯實基礎，把握現狀。由于高超聲速再入飛行器具有明顯的空天融合特點，高超聲速再入飛行器制導與控制課程內容能夠進一步促進學生對空天融合制導與控制的理解［8］。

（二）進一步創新教學手段

構建教輔平臺，激發學習興趣。為提升課程教學對學生的吸引力，喚醒學生的自主求知欲，進一步創新教學手段，具體方式包括開發輔助教學演示動畫，生動展示不同軌道參數下衛星軌道的形態及變化、噴氣力矩器和飛輪在控制衛星姿態上的區別、不同制導模式導引的區別與聯系、不同控制參數下導彈軌跡與姿態控制效果等內容，幫助學生理解抽象概念，提升教學效果。此外，開發輔助教學設計平臺，包括四個模塊，即衛星軌道控制模塊、衛星姿態控制模塊、導彈制導模塊、導彈姿控模塊，對課程內講授的關鍵制導與控制系統、技術及方法進行數字模擬和軟件實現，提供制導與控制參數調整和設置更改接口功能，允許學生進行二次設計與開發，幫助學生對制導與控制基礎教學內容加深理解，掌握空天融合制導與控制的聯系與區別，促進學生融會貫通。

結語

隨著軍事和民用技術的飛速發展，先進制導控制技術的廣泛運用，各種精確制導飛行器更新換代，培養新時代航空航天所急需的復合型、寬口徑人才迫在眉睫。必須緊隨“雙一流”的建設大潮，把握“雙一流”建設的機遇，對當前開授的“制導與控制基礎”這一核心專業課的教學內容、教學手段等多個方面進行改革。在詳細分析課程現狀、存在問題與教學改革意義的基礎上，授課團隊從優化課程教學內容、創新課程教學手段兩大方面對教學內容與教學方法進行改革與探索，優化教學內容，創新教學手段，強化基礎理論，增加前沿技術，開發教輔平臺，以增強學生的工程應用實踐能力和科研創新能力，提高課程教學質量和人才培養質量，為寬口徑、復合型工程技術人才和領軍領導人才培養提供更加強有力的支撐。

參考文獻

［1］國務院.關于印發統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案的通知［A/OL］.（2015-11-25）［2022-06-15］. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-11/05/content_10269.htm？object_type=webpage&pos=1&url_type=39.

［2］呂建.堅持立德樹人、深耕內涵發展，建設一流人才培養體系［EB/OL］.（2018-08-27）［2022-06-15］. http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_2082/zl_2018n/2018_zl56/201808/t20180824_346064.html.

［3］劉楊.“魯棒控制理論”課程教學改革與探索［J］.教育教學論壇，2021（50）：57-60.

［4］教育部高等教育司.關于開展“新工科”研究與實踐的通知：高司函〔2017〕6號［A/OL］.（2017-2-23）［2022-06-15］. http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

［5］邵璇，張禮慧，高俊山.雙一流建設下《現代控制理論基礎》課程思政教學策略研究［J］.高教學刊，2019（21）：107-109.

［6］柴琨琦，王健，楊令飛.高超聲速快速精確打擊技術發展分析［J］.戰術導彈技術，2015（5）：13-17.

［7］柳青，朱坤，趙欣.高超聲速精確打擊武器制導控制關鍵技術［J］.戰術導彈技術，2018（6）：63-69.

［8］董希旺，郭棟，李清東，等.“雙一流”背景下制導原理理論與實驗課深參與度研究性教學改革與實踐［J］.高教學刊，2021（28）：42-45.

Teaching Reform and Exploration of “Guidance and Control Foundation” Deep Integration of Aeronautics and Astronautics

WANG Xue-yun

（School of Instrument Science and Optoelectronic Engineering， Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191， China）

Abstract： “Basic guidance and control”is one of the important courses for undergraduates majoring in Instrument Science and technology， control science and engineering. According to the “double first-class”construction objectives and training requirements， aiming at the undergraduate “guidance and control foundation” course， this paper analyzes the current situation and existing problems， explores and designs curriculum reform plans in the aspects of optimization of teaching content and innovation of teaching methods， which are oriented by highlighting the deep integration of aeronautics and astronautics， teaching method innovation and cultivating wide caliber compound innovative talents， strengthening basic theories， increasing cutting-edge technologies， and developing teaching assistance platforms to fully improve the quality of course teaching and personnel training.

Key words： guidance and control foundation; teaching reform; aeronautics and astronautics integration; wide caliber compound talents