基于虛實結合的海警艦艇北斗導航系統實踐教學探索

楊玉峰　馮明奎

摘? 要 通過北斗導航實裝實驗室開展基本操作技能訓練，提高學員的基本操作能力;依托模擬器實驗室設計較為復雜的實訓項目，有效提升學員綜合實訓能力。分別采用案例法、實驗比較法等開展北斗導航原理教學、數據采集實驗分析，有效提升學員的創新能力和學術思維，向能打仗打勝仗能力聚焦。

關鍵詞 北斗導航系統;實踐教學;模擬器;海警;實驗室

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）16-0140-03

Exploration of Practical Teaching of Beidou Navigation System of Maritime Police Ship based on Virtual and Real Equipment//YANG Yufeng， FENG Mingkui

Abstract Carry out basic operation skills training through the Beidou

Navigation Lab to improve the basic operation ability of the students;

rely on the simulator laboratory to design more complicated training projects to effectively improve the students comprehensive training ability. The case method and experimental comparison method were used to carry out the teaching of Beidou Navigation principles and experimental analysis of data collection， which effectively improved the students innovative ability and academic thinking， and focused on the ability to fight and win.

Key words Beidou Navigation System; practical teaching; simulator;?maritime police; lab

1 前言

目前，海警艦艇指揮與技術專業及航海技術專業在開展北斗導航系統教學時主要依托實驗室實裝設備開展實踐教學，但受制于實裝設備短缺、實裝實踐項目單一等因素的制約，綜合性實驗、設計性實驗等項目難以開展。如果全面采用實裝設備開展實踐教學，需要購置大量的裝備器材，既占用大量的教學經費又無必要[1]。教學經費等問題限制了實裝實踐教學全面開展，需要采取實裝加虛擬的思路建設海警艦艇北斗導航系統實驗室來滿足學員實踐能力的培養。

2 北斗導航系統實踐教學分析

在北斗系統布局之前，無論是軍用還是民用導航系統，大多采用GPS系統。由于美國采用的SA技術，在軍事沖突中很有可能修改某一特定海域的導航定位參數，從而使沖突方的武器系統失靈，甚至火力指向友鄰部隊。為了打破這一空間壟斷，消除影響國防安全的重大隱患，國家從1994年開始建設北斗系統，2009年開始建設北斗三號，到2020年，35顆衛星全球覆蓋，提供全球定位能力。作為全球僅有的四套全球導航衛星系統之一，北斗系統為海警艦艇維權執法活動提供了強有力的導航定位和通信服務。因此，建立一個功能完善、技術含量高、硬件和軟件設備先進的適應北斗定位導航特點的北斗導航實裝實驗室，對于培養學員實踐技能、完善航海人才培養體系是必不可少的[2]。

北斗導航系統在教學中屬于航海儀器課程的重要內容之一，主要功能有航線設計、航路點設置、錨位報警設置、海圖目標查詢、短信息通信等，為其他通信導航設備提供位置信息，使艦船AIS、雷達設備能夠在維權執法中識別目標，為艦船通信設備提供位置信息，在艦船遇險時提供實時位置信息，為海警搜救遇險船舶或人員提供信息保障。

1）案例教學激發學員積極探索的潛能。為便于學員形象理解北斗導航系統的構成及定位原理，在艦艇導航實驗室準備掛圖，教員依托掛圖采用啟發式教學探討船舶確定位置的方法、空間衛星的布局情況、地面站與衛星之間的交互。以馬航失聯作為案例教學，引導學員探討馬航如果使用北斗定位能否被搜救成功。這種結合最新實戰案例開展實踐教學的方法，極大激發了學員積極探索、勇于創新的熱情。經過分組后，每組成員分工協作，有的查找案例的最新搜救過程;有的根據定位原理建立數學模型，嘗試在海洋環境中進行目標漂流軌跡預測;有的結合全球遇險與安全系統課程中應急無線電示位標定位原理，分析失聯飛機位置的可能性。經過小組研討形成分析報告，小組長輪流發言，比較各小組的分析報告，進行評估和點評，作為實踐教學成績的一部分。

2）實驗教學分析比較北斗導航系統與GPS系統的優劣。為深入分析北斗系統接收機與衛星之間的數據交互過程，采用實驗法開展實踐教學。材料準備：北斗開發板、電腦、9孔串口線、電源。北斗實驗電路板接口：接口要確保主設備與北斗開發板北斗/GPS UM220模塊管腳信號、波特率對應一致，在實驗中所使用的波特率為19 600[3]。天線接口需要天線線路盡量短且順暢，避免走銳角。操作時注意：一是使用VCC電源供電，將220 V電源轉化為12 V供給北斗開發板;二是將模塊GND引腳接地;三是連接GNSS_ANT信號至天線，注意線路50歐姆阻抗匹配;四是確保串口3輸出。

硬件安裝時確保做好充分的防靜電措施，如防靜電手環、工作臺表面接地等。打開北斗開發板北斗/GPS UM220評估套件，取出評估板;選擇增益適當的GNSS天線，在非遮擋區域將其固定好，使用適線和北斗/GPS UM220評估板連接;使用串口線連接計算機至北斗開發板EVK端的串口;給板卡供電，對北斗/GPS UM220進行初始化[4];打開電腦上的接收信號軟件，通過接收信號軟件控制接收機，顯示星座視圖、消息及接收機狀態等。

實驗數據分析? 北斗/GPS實驗數據如圖1所示。數據每一行最多可顯示四個衛星的情況。這里只分析GPGSV（GPS的情況）和BDGSV（北斗的情況）。每一行的第一個數字是接收到的消息數[5]，第二個數字是接收到的消息編號，第三個數字是定位所使用的衛星個數，第四個數字是第一顆衛星的編號，第五個數字是衛星仰角，第六個數字是衛星的方位角，第七個數字是衛星的載噪比，以后每四個數字表示下一顆衛星的情況，*后的數據為校驗和。

如第一行數據：

$BDGSV，3，1，12，161，49，146，47，162，33，240，40，163，51，200，51，164，35，122，37*63

由BDGSV可知顯示的是北斗的情況，3是接收到的消息數是3條，1表示第一條消息，12是共接收到12顆衛星，161是第一顆衛星的編號，49是衛星的仰角，146是衛星的方位角，47是衛星的載噪比，接下去的四個數據是第二顆衛星的情況，然后是第三顆、第四顆衛星的情況。實驗數據最后轉換成船位坐標顯示出來[6]。定位位置和衛星分布比較如圖2所示。

通過實驗教學比較分析，學員對北斗導航系統的認識更加深入和透徹。對定位位置的不確定性原因進行分析和探討，通過比較分析，北斗系統相比GPS系統具有以下優勢。

一是安全保密性強。北斗是我國自主研發的系統，使用不受任何限制，具有信源保密功能，抗干擾能力強，可防止非法侵入，安全、可靠、穩定。

二是具有短消息通信功能。它同時具備定位與短信功能，這在海警維權執法活動中具有較好的優勢。

三是覆蓋范圍較大，幾乎沒有通信盲區。北斗系統信號覆蓋了我國及周邊國家和地區，不僅能滿足國內需要，也可為周邊國家和地區服務;未來全球覆蓋，可以為全球用戶提供服務。

實驗法和比較法教學有效啟發了學員的學術思維，在畢業論文和設計環節，學員使用采集到的北斗和GPS真實數據進一步拓展應用到設計的其他軟件系統中。

3 虛實結合的北斗導航實踐教學探索

北斗導航儀實裝設備與模擬教學優勢互補? 實驗室中使用北斗導航儀開展實踐教學存在一些不足，比如臺套數不足，限制了實訓教學的效率，一個40人的教學區隊不得不分批實作。在開展綜合性實訓教學項目時，與其他實驗室的儀器設備還做不到互聯互通，實戰化教學項目難以開展。另外，實驗室中裝配的北斗導航儀是固定不動的，基于本船的導航訓練無法開展，與艦艇上的北斗導航儀訓練在效果上還有差距，急需移動式北斗模擬器開展接近實戰的導航訓練、航行監控訓練等。得益于虛擬現實技術和仿真技術的快速發展，研制北斗模擬器系統已經成為可能，在海警艦艇綜合仿真系統中作為艦橋導航儀器之一，為電子海圖、雷達、AIS、GMDSS模擬器等提供位置信息和導航信息。操縱艦艇模擬器開展航行訓練，在電子海圖上完成航行狀態監控，在北斗導航模擬器海圖上可以對執法對象進行搜索、識別、查證，以快速識別目標。

北斗導航儀實訓項目設計? 采用實裝設備和模擬器設備可以完成三個層次的實踐教學。

一是在實驗室實裝設備上進行北斗單一技能訓練，比如開機、界面參數講解、各個按鈕基本操作、菜單設置等，有效促進學員基本操作能力的提升。

二是在艦艇綜合仿真系統中開展較為復雜的設計性實訓項目。在模擬器中設計狹水道航行訓練，根據艦艇航跡的偏離度設置航跡偏差報警、障礙物避險報警等，正確引導艦艇按計劃航線航行。自動舵根據北斗提供的位置信息及轉向點信息自動引導艦艇保持航向和改變航向。在錨泊模擬訓練時，同時開展錨泊報警功能設置訓練，通過設定錨位點及報警半徑，對錨位實施全時監測，能夠及時預防走錨事故發生。通過模擬器教學，有效提高學員較復雜實訓項目的設計能力。

在實習艦艇上開展實戰化訓練項目教學

1）利用北斗的短信息通信功能開展艦船之間的協商避碰訓練。艦艇和船舶之間在航行會遇時一般都要遵守避碰規則，但在多船會遇或船舶動態不明時，一般采用甚高頻設備及時溝通進行協商避碰，以保持艦船航行安全。在采用語音協商避碰時，存在語言不通或語音信號質量差等影響協商效果，構成碰撞危險，這時采用短信息協商避碰，提供了一種有效途徑。學員實習時，可以開展艦艇編隊之間的協商避碰訓練，也可以與其他會遇船舶進行短信息協商避碰。

2）設計短信息遇險報警訓練教學[7]。想定實習船舶發生險情，利用北斗短信息向實驗室北斗接收機發送遇險報警信息，實驗室可以承擔北斗指揮中心功能，進行遇險組織指揮訓練教學。通過實習艦艇與實驗室北斗系統的聯動，有效提升學員的組織指揮實戰能力。

3）基于海警艦艇維權執法中航線設計、航海監控等實戰教學需求，開展實驗室北斗導航儀實裝設備單一技能實訓。為提高實踐教學效率，解決較為復雜的綜合性訓練項目設計，在艦艇綜合仿真系統中使用北斗導航模擬器設計狹水道航行監控模擬、錨泊模擬訓練等。為檢驗仿真訓練效果，在艦艇開展實習時，實習艦艇與實驗室設備聯動，進行短信息通信教學。這種虛實結合的實踐教學模式，促進了學員由單一技能向綜合性、創新型指揮能力的轉變，更加適應海警部隊的快速反應能力及實戰能力需求。

參考文獻

[1]陳智慧，張芳，張曉青.虛實結合的消防裝備教學改革探索與實踐[J].武警學院學報，2018（4）：38-40，44.

[2]李贊.北斗導航實訓室建設探討[J].科技視界，2018（5）：206-207.

[3]王博，焦海松，谷慶，黃靜華.北斗接收機動態定位精度測試與分析[J].導航定位學報，2014（2）：109-112.

[4]周曉，鄭定超，方玖琳.基于UM220的北斗接收機及WEB終端設計[J].計算機測量與控制，2016（3）：238-240.

[5]懷洋，邵瓊玲，路振民.北斗/GPS混合定位模塊UM220應用研究[J].國外電子測量技術，2014（3）：76-79.

[6]高天杭，崔先強，王勛.數據缺失情況下BDS定位性能分析[J].測繪科學，2019（12）：102-108.

[7]鄭定超.基于北斗定位短信的搜救APP設計與實現[J].新鄉學院學報，2019（12）：30-32.

*項目來源：武警部隊教學成果培育項目“海警艦艇指揮仿真系統建設及運用”;海警學院中心團隊項目“海警艦艇機動與戰術指揮仿真系統”（基金編號：2018ZXTDB21）;科研基金項目“海警艦艇編隊維權方案風險評估”（基金編號：2019JSLY06）。

作者：楊玉峰，武警海警學院，副教授，研究方向為艦艇指揮;馮明奎，武警海警學院，教授，研究方向為艦艇指揮（315801）。