北斗GNSS導航信號處理課程教學改革初探

鄭昱　張竹嫻　馮璐　吳鵬

[摘? ? ? ? ? ?要]? 針對GNSS導航信號處理教學中遇到的學生學習目標不明確、公式繁瑣導致學生學習積極性不高等問題，提出了結合生活實際的理論教學方法以及基于GNSS模擬信號發生儀的問題探究式教學法和實踐教學法，從教學設備、教學方法以及課程評價機制等三個方面進行教學改革，激發了學生的學習興趣，提升了課程的教學效果。

[關? ? 鍵? ?詞]? GNSS;模擬信號發生儀;學習興趣;教學效果

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）34-0070-02

全球導航衛星系統（GNSS，Global Navigation Satellite System），是面向全球發送導航與定位信號并提供相應服務的衛星系統。到2020年，美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO和我國北斗衛星導航系統等GNSS系統將建成或完成現代化改造。在我國，北斗產業是戰略性、先導性和基礎性產業，并且國內具備了北斗系統核心技術研發能力、建設運營能力和產業發展基礎。因此，開展北斗GNSS系統的相關教學研究，將有助于推動北斗導航產業的健康發展，推動北斗產業更好地擔負起支撐國防建設、推動科學技術進步以及服務經濟社會發展的重任。

目前，北斗GNSS技術的研發正在如火如荼地開展，典型的有載波相位差分定位技術（RTK，Real-time kinematic）、精密單點定位（PPP，Precise Point Positioning）算法以及多徑抑制（multi-path mitigation）技術等。正因為北斗GNSS技術已滲透于我們日常生活的方方面面，為了使學生跟上時代潮流，掌握該項技術，長沙學院電子信息與電氣工程學院的通信工程專業近些年開設了北斗導航原理與信號處理這門選修課。但是，由于該門課專業性非常強，且教材中以及理論教學中包含了眾多的復雜數學公式推導，這導致了學生的學習積極性不高，上課打瞌睡、玩手機現象較嚴重。通過一段時間的教學與反思，個人認為總結與探討教學中存在的問題，讓學生真正意識到該課程的重要性，掌握北斗GNSS導航信號處理的基本原理與方法，提高課程的教學效果，為今后的各種應用做準備是非常有必要的。

一、課程教學現狀以及存在的問題

（一）教學現狀

目前，該課程的學習只是基于傳統的課堂講授式模式來進行的，其中，適當地結合板書以及多媒體PPT。主要講解北斗GNSS系統組成、北斗衛星信號的生成與調制方式、北斗信號的捕獲、跟蹤以及解碼過程、北斗定位的基本原理、影響北斗定位精度的因素等內容。該課程的純理論闡述對學生的數學基礎要求比較高。課程考核方式采用的是傳統的閉卷考試方式，其中考試成績占80%，考勤占10%，平時書面作業占10%。

（二）存在的問題

在現階段該門課的教學過程中，還存在以下幾個主要的問題。

1.教學過程中未能充分體現學習北斗GNSS相關技術的意

義。本課程現階段直接從講授北斗系統的組成以及信號生成機制開始，未能很好地體現該項技術在日常生活中的應用，學生無法結合生活實例來從系統的角度對該課程進行認識，對該門課的學習目的不明確。

2.由于北斗GNSS的相關理論比較枯燥，現階段的授課中包含許多的數學模型以及公式演算、推導。因此，單純地通過理論授課進行教學，學生的學習興趣往往都不是很高，經常注意力不集中，很多學生上課打瞌睡、玩手機或者做其他與課堂無關的事。

3.目前，該課程未設置實踐教學環節，很多學生不知道如何運用所學到的理論知識去解決工程應用中的相關問題。

4.考核機制過于強調卷面成績，很多學生只是為了考試能得高分而努力學習本課程。

二、課程教學改革方法

經過一段時間的北斗導航原理與信號處理課程教學、與學生之前的交流以及與國內外同行專家之間的交流，初步提出以下教學改革方法。

（一）為了更加明確學生對這門課學習的意義，除了原理與基本知識的講解之外，還將結合生活實際，分析北斗技術給日常生活帶來的便利

比如，在講到北斗GNSS載波相位跟蹤算法的時候，可以結合導航信號進行橋梁或建筑形變檢測的機制進行闡述。具體的，改革后的課程將闡述如下知識：在橋梁或建筑上的主要觀測點架

設天線以長時間接收北斗GNSS信號，通過對接收到的信號進行載波跟蹤算法處理，提取觀測時間內的載波值，根據載波值的變化，以判定該觀測時間內橋梁形變程度是否符合安全標準，從而達到防災減災的目的。此外，還將適時介紹北斗應用方面的最新技術，例如北斗信號在土壤濕度、植被覆蓋率檢測方面的應用。這樣，學生就更能明確掌握北斗GNSS技術的重要意義，從而更新對該課程的認識，更易激發學生對該課程學習的熱情。

（二）在講授復雜的算法與公式的時候，除了板書推導，還擬引入虛擬教學仿真儀器進行演示，幫助學生更好更快地理解相關知識點，使枯燥的理論知識變得生動

比如，引進北斗信號模擬儀。在講解北斗衛星信號產生的內容的時候，通過模擬發生儀，形象而生動地展示信號的偽隨機碼、導航數據以及載波是如何產生的，產生后它們之間通過何種關系，形成衛星發送端的調制信號;在無線信道的傳播過程中，通過北斗模擬儀設置相應的場景，展示信號在各種場景下如何衰減，會產生何種誤差。在接收端，展示北斗信號如何進行降頻處理，如何通過捕獲、跟蹤、解碼以達到目標定位的目的。通過模擬信號發生儀，不僅學生的興趣能夠得到較大的提升，而且，學生能夠更好地理解課本中數學模型所對應的過程，提升學習的效率。

（三）理論教學與實踐教學相結合，培養學生在北斗GNSS方面的工程能力及問題探究能力

在教學過程中，設置北斗定位應用時常見的工程問題，例如在弱信號場景下的捕獲和跟蹤，如何減小多徑干擾的負面影響等。首先，在理論教學方面介紹解決這些問題的基本思路，然后組織相關的實踐環節，基于北斗信號模擬儀設置相應的弱信號以及多徑干擾等場景，依據基本思路編寫相應的程序，通過對比實驗，驗證這些方法的可行性以及有效性。此外，在教學過程中，還將定期組織學生參觀湖南省的北斗產業園，同產業園的工程師進行交流，以了解北斗技術發展的最新動態以及相關的最新產品。

（四）改進課程考核機制

除了卷面成績、考勤與平時作業之外，還擬將學生的課程參與度以及實踐教學中問題解決情況納入總成績考慮因素。本課改擬提出如下機制，平時作業+考勤占10%，課堂虛擬演示時互動與參與度占10%，實踐教學中對工程問題的解決情況占20%，與企業工程師交流之后的心得報告占10%，期末考試卷面成績占50%。與此同時，本課改還提出了競賽推動教學的模式，鼓勵專業基礎較好的學生參加北斗相關的競賽，從競賽中鍛煉能力，并且制定競賽的名次置換課程考核項目的機制。這樣，有助于改變學生只是為考試而學習的心態，培養學生的創新思維，真正達到高質量人才培養的目的。

三、教學反饋與效果評價

教學效果主要從學生對該門課的認識、積極性、相關工程能力的培養以及同專業教師的評價幾方面進行評估。課改之后，筆者發現，學生對該門課的學習目的有了更加清晰的認識，學生的主觀能動性得到了充分的調動。與此同時，通過北斗信號模擬儀，學生的課堂積極性得到了大幅度提升，改變了之前上課時候打瞌睡、玩手機的狀態。并且，學生對其中復雜數學模型所代表的物理意義也有了更高層次的理解。此外，通過實踐教學以及與企業工程師的交流，大部分學生能夠較好地運用所學知識解決北斗導航工程應用方面的實際問題，例如多徑信號干擾、電離層散射等。并且，通過參加學科競賽，基礎較好的學生的創新能力也得到了進一步的提升。本課改的方案得到了本校以及外校通信工程專業教師的認可，通過理論以及實踐教學環節的聽課，對課改取得的效果進行了較高的評價。

四、結束語

本文基于在北斗導航原理與信號處理課程教學中遇到的問題，從激發學生的主觀能動性、理論聯系實際、北斗信號模擬器演示導航與定位的系統流程、培養學生工程能力和創新能力以及課程的更新考核標準等幾個方面進行了課程教學的改革。教學方式更加多樣化、生動化，學生學習的積極性也得到了較好的提升。

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◎編輯 馬燕萍