《衛星導航定位原理與應用》課程中的“四史”教育

楊 玲，李博峰，李浩軍，樓立志

《衛星導航定位原理與應用》課程中的“四史”教育

楊 玲，李博峰，李浩軍，樓立志

（同濟大學 測繪與地理信息學院，上海 200092）

將“四史”教育與同濟大學《衛星導航定位原理與應用課程》教學相結合，以“四史”關鍵詞第59篇“北斗衛星導航系統”作為抓手和著力點，通過對“北斗”緣起、艱苦挺進、大國重器和“北斗”精神四個部分進行闡述，激勵學生繼承和發揚“自主創新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時代“北斗”精神。讓學生以奮發有為的精神狀態、不負韶華的時代擔當、實干興邦的決心意志，為我國的社會主義建設添磚加瓦。

北斗衛星導航系統；“四史”教育；“北斗”精神

0 引言

《衛星導航定位原理與應用》（以下簡稱課程）是同濟大學測繪工程和地理信息本科專業的基礎核心課程[1-2]，屬于必修課，課程的任務是在學習《大地測量基礎》和《誤差理論與測量平差》等課程的基礎上，掌握衛星定位的基本原理、衛星定位數據處理的基本方法和流程、衛星定位應用技術的基本操作技能，為進一步從事衛星導航定位的研究和實踐打下堅實的基礎。課程的續論部分包含全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）概述、GNSS應用概述、GNSS時間系統與坐標系統、衛星軌道理論、軌道根數表達等知識內容。

GNSS是能在地球表面或近地空間的任何地點，為用戶提供全天候、全天時、全球覆蓋三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統。目前，全球共有四個全球系統提供上述服務，依次為美國的全球定位系統（global positioning system, GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system, GLONASS）、中國的北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）[3]以及歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo）。此外，印度和日本也都發展了面向本國應用的區域導航系統：印度區域衛星導航系統（Indian regional navigational satellite system, IRNSS）；日本準天頂衛星系統（quasi-zenith satellite system, QZSS）。BDS雖然起步晚，但建設速度快，測量精度高，已經成為GNSS不可或缺的重要組成部分[4]。我國的BDS從無到有，過程充滿了無數的艱辛和曲折，可以說，BDS的成長史是新中國成長史的重要組成部分，也是新中國在黨中央的堅強的領導下，走向繁榮富強的一個歷史縮影。

1 教學目標

通過《衛星導航定位原理與應用》課程學習，讓學生撐握GNSS的概念、應用場景及目前全球主要的衛星導航系統。將“黨史、新中國史、改革開放史、社會主義發展史”（以下簡稱“四史”）教育與課程講授相結合，以“四史”關鍵詞第59篇“北斗衛星導航系統”作為抓手和著力點，通過對“北斗”緣起、艱苦挺進、大國重器和“北斗”精神四個部分的闡述，讓學生了解“北斗”歷史，正確認識中國改革開放的艱難歷程，從實事求是的角度，深刻理解中國成就、中國道路與中國經驗，激勵學生繼承和發揚“自主創新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時代“北斗”精神。

2 教學實施途徑

2.1 “北斗”緣起

1994年12月，國家批準北斗衛星導航系統項目。之所以在當年國家財政困難的情況下，要堅持搞中國自己的導航衛星系統，主要是受1991年海灣戰爭的影響。20世紀90年代，美國領導的聯盟軍，以科威特主權、獨立和領土完整為由，對伊拉克進行軍事打擊，這是一場大規模的局部戰爭。它是現代高科技戰爭的范本，徹底改變了傳統的戰爭形態。通過大規模高科技武器的使用，聯盟軍以很小的代價，取得了戰爭的勝利。最讓人震驚的是，由于高科技裝備的加入，戰爭過程中發生了很多不可思議事情，這是傳統戰爭所不可想象的。比如戰爭爆發伊始，美國就將正在建設中的GPS投入使用。該系統為導彈及飛機提供了精確的位置服務，有效地提高了F-16戰斗機和B-52轟炸機的攻擊精度。最值得一提的是，伊拉克認為聯盟軍沒有能力在沒有地形特征輔助的前提下穿越沙漠，但沒想到的是，聯盟軍僅僅依靠GPS的位置服務，就橫穿了西部沙漠，并給伊拉克以致命打擊。在整個戰爭過程，GPS的定位服務極大地提升了美軍快速戰略機動能力（精確著陸和全球任何地點投放）、快速反應能力、精確的打擊能力和威懾能力。

GPS在戰爭中發揮的巨大作用，震驚了全世界，也促進并加速了衛星導航定位技術在世界范圍內的蓬勃發展，衛星導航定位系統可以有效增強導彈、飛機的打擊精度，提升軍隊整體作戰效能。海灣戰爭以后，以GPS為代表的衛星導航定位系統正式登上了世界軍事舞臺，并在和平時間也發揮了巨大的經濟和社會效益，它深深地改變了人類的生活方式和現代戰爭形態。意識到衛星導航技術對國家主權和國土安全的重要性，中國在財政十分吃緊的情況下，決定勒緊腰帶，上馬自己的全球衛星導航定位系統即北斗衛星導航系統。

2.2 艱苦挺進

BDS在工程實施上采用了“三步走”戰略[5]。經過6年的艱苦攻關，北斗衛星導航試驗系統即北斗一號（BeiDou navigation demonstration system, BDS-1）于2000年10月31日成功發射第1顆導航衛星。BDS-1采用雙星同步軌道有源定位體制，可向地面用戶提供位置、時間和通信服務。2003年5月25日，我國發射了第3顆BDS-1衛星，形成三星在軌服務的部署方式，進一步增強了區域服務能力。

又經過8年時間，北斗衛星導航（區域）系統即北斗二號（BeiDou navigation satellite (regional) system, BDS-2）于2012年完成了14顆高、中、傾斜軌道衛星混合組網。BDS也從有源定位升級為有源/無源的雙體制定位。多種軌道衛星的加入，有效地提升了BDS對亞太區域的服務能力和服務水平。同時也為我國管控多星組網的導航衛星系統積累了寶貴的經驗。

經過11年發展，我國于2020年全面建成了北斗三號全球衛星導航系統（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）。 BDS-3由30顆高質量、高可靠的高、中、傾斜軌道衛星組成，進一步將服務范圍由亞太地區擴展到全球。BDS-3在定位、測速和授時三種基本導航服務的基礎上，增加了報文通信、星基增強和精密單點定位的服務。使中國的BDS正式成為可與美歐比肩的全球四大導航定位系統之一。看似平淡無奇的建設過程，哪知其中充滿了崎嶇和坎坷。BDS工程研制中的頻率之爭和原子鐘事件就是其中最典型的事例。

按國際電信聯盟（international telecommuni-cation union, ITU）規定，衛星系統獲取某個頻率的使用權的步驟包括：1）提出申請，并在7年內完成頻率在軌使用；2）多方共用頻率時，可以協調共用；3）申請者在規定時間內完成在軌頻率部署，國際電聯會明確合法使用權。

中國和歐洲在前后相差不到兩個月的時間里，分別于2000年4月17日和2000年6月5日向ITU申請頻率使用權，在軌使用截至日期分別是2007年4月17日和2007年6月5日，否則失效。中歐雙方的頻率申請在1164~1215 MHz范圍內有高度的重合。按照ITU先用先得原則，雙方需要競爭頻率。

甲狀腺囊性結節是臨床常見的良性疾病，病變較大且伴發出血時不僅影響美觀，疼痛明顯，而且壓迫鄰近器官，造成嚴重的病理生理學變化，必須給予及時治療。隨著介入技術的發展與完善，超聲引導下微創治療定位準確，對患者創傷小，且療效肯定，已逐漸替代了手術切除或藥物治療等傳統療法。

2005年12月28日，Galileo的首顆實驗衛星“GIOVE-A”先于BDS-2衛星進入軌道。由于歐盟財政困難，“GIOVE-A”衛星并沒有在軌開通頻率。這給了BDS-2趕超的機會。當時的歐盟，低估了中國在導航衛星核心器件的研制能力，企圖通過禁運原子鐘，將中國的BDS-2衛星扼殺在搖籃中。為此，BDS項目同時組建中科院、航天科技、航天科工三支攻關團隊，在基礎理論、材料、工程等領域同步推進。經艱苦攻關，2017年終于完成了國產原子鐘的研制任務，為BDS-2衛星工程研制奠定了扎實基礎。但偏偏好事多磨，BDS-2首發星上了發射架，卻出現星上應答機異常。通過“北斗”人爭分奪秒的搶修，2007年4月14日4時11分，BDS-2首星成功發射；2007年4月17日20時，BDS-2衛星發出第1組信號，比ITU的7年規定僅僅提前4 h。中國成功贏得了頻率競賽。

2.3 大國重器

經過二十余年的辛苦努力，終于在2020年，BDS結出了豐碩的果實。2020年7月31日，習近平總書記向世界宣布，中國建成了自己的全球衛星導航系統。從20世紀90年代中后期至今，我國共進行了44次BDS衛星的發射，59顆衛星成功入軌。BDS-3的成功建成，向世界提出了中國的全球衛星導航系統解決方案，向世界貢獻了中國智慧。

當今世界的衛星導航系統，可以說是由“4+2”組成，其中4個全球系統分屬美國、俄羅斯、歐盟和中國，兩個區域系統分屬印度和日本，這6個系統構成了當今世界的衛星導航定位格局。四大系統中，只有BDS采用了通導融合的設計思路，前瞻性地提出在導航衛星上實現短報文通信，并在此基礎上衍生出了很多的特色功能和特色服務。其多樣化的服務，引領著世界衛星導航系統的發展趨勢，有效地彌補了美歐衛星導航系統能力的不足。

衛星導航系統的核心能力就是高精度定位，BDS擁有世界一流的高精度定位能力。目前，在軌服務的BDS由18顆BDS-2衛星和28顆BDS-3衛星組成。BDS-3衛星是功能最強和精度最高的BDS衛星，它代表了我國衛星導航領域的最高技術水平，通過地面測試與橫向對比，BDS-3衛星空間精度為亞米級，當前星座可實現全球的米級水平及高程定位，在亞太地區，定位精度還可以進一步提高。將衛星導航系統的定位、授時和測速3個主要技術指標進行比較，BDS與GPS、GLONASS處于相同的精度水平。

兼容共用才是時代發展的主旋律。因此，BDS在重視自身發展的同時，也十分重視與其它系統的兼容協同[6]。目前，BDS已經與GPS實現了民用信號的兼容和互操作，可在共有頻點上實現兼容共用，提升精度。BDS與GLONASS也通過成立衛星導航重大戰略合作委員會，協調了兩個系統的射頻兼容與星座互補。2008年以來，中歐成立兼容與互操作工作組，正在ITU框架下持續深入開展頻率兼容協調。融合發展是現代發展的必需，只有通過融合發展才能實現資源共享，提升資源的使用效率，相應的，對于全球四大衛星導航系統，也只有通過融合發展，才能進一步改善提升系統的全球定位精度與服務的持續性和有效性，進而提升全球導航服務能力和水平。通過估評，BDS對全球衛星導航系統的服務性能提升水平有很大的幫助，特別對定位精度、星座定位幾何的穩健性、信號完好性等方面的貢獻可以達到20%以上[7]。

國之大器，利國惠民。2020年，一場突來的疫情在武漢蔓延開來，黨中央果斷決策修建火神山、雷神山醫院，BDS在復雜地形條件下，提供了高精度定位服務，有效助力抗擊疫情。珠峰作為世界第3極，是在大自然的寶貴財富，在“2020珠峰高度測量”任務中，自然資源部采用多種技術手段相結合，其中BDS提供了有效數據保障。BDS的創新應用，還體現在工業互聯網、物聯網、車聯網等新興領域[8-9]。

2.4 “北斗”精神

BDS是我國自主研發的復雜巨型航天系統工程，它的技術難度高、工程規模大[10]。BDS由全國400多家單位、30余萬科研人員參與了聯合研發，是新時代中國協同研發航天工程的典范。在BDS研發研制的過程中，逐漸孕育并形成了“自主創新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的“北斗”精神。它與“兩彈一星”精神和“載人航天精神”血脈相聯，具有鮮明的時代特征，又是中華民族最為寶貴的精神財富。它激勵著億萬中華兒女，同心協力共筑中國夢。

自主創新。在BDS的整個研發與研制工程中，始終堅持獨立自主的發展理念。先后攻克了鏈路協議、定軌定位、時間同步等多項關鍵技術。BDS衛星單機和關鍵元器件的國產化率達到了100%，從而有效地減少了BDS對外國的依賴，走出了一條有中國特色的獨立自主創新新模式。

開放融合。BDS在建設之初，就十分重視與其它衛星導航系統的融合發展。在當今時代，融合發展才是時代主旋律，只有與其它衛星導航系統兼容，才能兼收并蓄，做到有容乃大。BDS通過與GPS、GLONASS和Galileo兼容與互操作，從容地登上世界衛星導航系統舞臺，并在其中發揮了重要作用，成為全球衛星導航服務不可或缺的重要組成部分。

萬眾一心。中華民族用血淚的教訓，悟出了落后就要挨打的經驗，為了不落人后、不挨人打，只有力爭上游。中華民族通過社會主義制度的形式，有效地保障了集中力量辦大事的政治優勢。BDS是航天夢、中國夢的重要組成部分，為了祖國的繁榮富強，就一定要成功地建成中國自己的衛星導航系統。這個宏偉的夢想，只有通過千千萬萬工程技術人員夜以繼日的辛勤付出才能最終實現。

追求卓越。航天領域是世界各國高科技較量的主戰場。為了贏得衛星導航系統這一重要領域的戰爭。就一定要研制出定位精度、測速精度和授時精度都到達世界一流的衛星系統，就一定要達到國際導航衛星的先進水平。只有追求卓越，才能搶占科技高地，才能看清未來發展，也才能最終引領世界技術發展。

精神無形，卻能激發出無窮的力量。我們要在學生身上大力培養新時代的“北斗”精神，讓他們以奮發有為的精神狀態，投入到有中國特色社會主義事業的建設中去，去譜寫出一曲曲新的輝煌詩篇[12]。

3 結束語

同濟大學是我國最早開設《衛星導航定位原理與應用》課程的高校之一，作為三年級本科學生的一門專業選修課，已積累了近20年的教學經驗，將“四史”教育中關鍵詞第59篇-北斗衛星導航系統深度融合到課程教學中，讓學生了解BDS的發展歷史，激勵學生繼承和發揚“自主創新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時代“北斗”精神。BDS的建成和為全世界提供導航定位服務，是我國綜合國力的集中體現，可極大提升民族自信心，它激勵著廣大中華兒女為實現“兩個一百年”的目標努力奮斗。學生只有深刻明白這一點，才能增加他們的民族自豪感，以飽滿的熱情，投入到學習中去。

[1] 劉大杰, 施一民, 過靜珺. 全球定位系統(GPS)的原理與數據處理[M]. 上海: 同濟大學出版社, 1996.

[2] 徐紹銓. GPS測量原理及應用[M]. 武漢: 武漢大學出版社, 2008.

[3] 中國衛星導航系統管理辦公室. 北斗衛星導航系統[EB/OL]. [2020-11-26]. http: //www.beidou.gov.cn/.

[4] 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.

[5] 史志鵬, 姜忠奇. 北斗“三步走”開啟服務全球時代[J]. 科學大觀園, 2020(14): 18-19.

[6] 楊元喜, 陸明泉, 韓春好. GNSS互操作若干問題[J]. 測繪學報, 2016, 45(3): 253-259.

[7] 宋華松, 萬磊, 谷玉寶. 北斗三號衛星導航定位性能提升的定量分析[J]. 測繪科學, 2019, 44(11): 15-21.

[8] 丁一鈞, 聶電開, 武存山. 基于北斗系統和物聯網的野外圖像采集設備防盜定位系統設計[J]. 物聯網技術, 2020, 10(9): 31-32, 36.

[9] 田瑜基. 基于北斗定位技術的智慧交通信息共享系統研究[J]. 科技資訊, 2019, 17(14): 28, 30.

[10] 潘晨, 高曉雷, 郭睿. 管理創新賦能中國“北斗”高效組網[J]. 中國航天, 2020(7): 9-12.

[11] 丁夢揚, 陸樹程. 發揚新時代北斗精神[EB/OL]. (2020-12-15)[2020-12-26]. http://sky.cssn.cn/gd/gd_rwhd/ gd_ktsb_1651/zgjsyhxjzgyje/202012/t20201215_5232797. shtml.

[12] 人民網. 習近平: 抓住培養社會主義建設者和接班人根本任務努力建設中國特色世界一流大學[EB/OL] (2018-05-03)[2020-12-26]. http://cpc.people.com.cn/n1/2018/0503/c64094-29961630. html.

‘Four history education’ in the course of principles and applications of satellite navigation and positioning

YANG Ling, LI Bofeng, LI Haojun, LOU Lizhi

(College of Surveying and Geoinformatics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In this study, we combine the ‘four-history education’ with the teaching ofin Tongji University. The origin, hard work, great power and spirit of ‘BeiDou’ are presented, referring to the key words of ‘four histories’, Chapter 59-BeiDou satellite navigation system. The purpose is to motivate students to inherit and carry forward the‘BeiDou’spirit, which are ‘independent innovation, openness and integration, unity of mind, pursuit of excellence’. Let the students make contributions to the socialist construction of our country with the spirit of making progress, fulfilling the responsibility of the times and the determination to prosper the country through hard work.

s：BeiDou satellite navigation system; four-history education; ‘BeiDou’ spirit

P228

A

2095-4999(2021)02-0122-05

楊玲，李博峰，李浩軍，等. 《衛星導航定位原理與應用》課程中的“四史”教育[J]. 導航定位學報, 2021, 9(2): 122-126.（YANG Ling, LI Bofeng, LI Haojun, et al. ‘Four history education’ in the course of principles and applications of satellite navigation and positioning[J].Journal of Navigation and Positioning,2021,9(2): 122-126.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210220.

2021-01-04

同濟大學課程思政教育教學改革項目（19）。

楊玲（1986—），女，湖北十堰人，博士，副教授，研究方向為大地測量與衛星導航定位數據處理。