通信專業開設“衛星導航原理與應用”課程的教學改革探索＊

溫 靖，張啟梁，劉 敏

（南昌航空大學信息工程學院，江西 南昌 330038）

全球衛星導航系統具備全球不間斷定位和授時能力，廣泛應用于民用和軍用領域中，如航空、航海和自動駕駛等?，F有的衛星導航系統包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo 和中國的北斗（BDS）衛星導航系統[1]。2020 年7 月，北斗三號全球衛星導航系統正式開通，北斗系統進入全球組網階段，為全球用戶提供服務，同時開啟了北斗系統全球化和產業化的新時代。北斗產業也被列入國家“十四五”規劃重點項目，各級政府紛紛出臺政策，鼓勵加強北斗與物聯網、人工智能和5G 通信等前沿技術進行融合創新，積極鼓勵“北斗+”“+北斗”的技術創新。預計北斗導航產業年均增長將達20%以上，2025 年產業總產值預估將達到1 萬億元。衛星導航的應用將逐步滲入到各領域和各行業中，市場對衛星導航技術專業人才需求也將大大增加。因此，研究衛星導航課程的教學方法對支持北斗融合應用具有重要的意義[2-3]。北斗航空導航具有定位精度高、可靠性好的優點，極有可能代替陸基導航系統成為航空器的主要的導航系統，為航空器提供導航、定位和著陸等服務。但該課程所涉及相關知識較多，內容較抽象，給教學提出了更高的要求[4-5]。

目前，國內已經有相當部分院校在本科階段開設了衛星導航相關課程[6-7]，按專業大體可以分為2 類，一類是測繪專業，教學重點為數據處理部分，側重講授高精度定位技術；另一類電子工程等專業，教學重點為導航接收機技術，側重講授信號處理技術[8-9]。南昌航空大學作為一所以航空為特色的高等院校，開設的“衛星導航原理與應用”課程作為航空通信方向的核心專業課程，將培養目標建立在培養適用于民航和通用航空的專業通信技術人才上。

1 “衛星導航原理與應用”課程教學的難點和問題

衛星導航涉及的技術廣泛，包括天文學、電子學、電磁學、大地測量學及氣象學等多個學科，存在如下教學難點和問題：①通過有限的學時，無法面面俱到地講解，往往使得教學內容重點不突出，學生無法抓住重點和主線；同時由于課程涉及的公式算法較多，原理又相對枯燥不容易理解，更增加了學生的學習難度，影響了教學效果。②衛星導航實驗設置復雜，而且衛星導航技術正處在完善的過程中，較難建立完整的實驗教學環境；這使得課堂傳授的基礎知識與工程應用聯系不夠，學生實踐環節缺失，造成對理論原理理解不深入，工程實踐應用能力也不過關。③課程開設在大三下學期，課程關聯前期課程較多，除了大量電子信息類科目，包括“微波技術與天線”“信息論與編碼”和“通信原理”等，還包括“高等數學”“線性代數”和“概率論”等數理知識；這些前期課程在不同學期開設，時間跨度大，學生對這些科目的掌握程度存在差異，專業或數理基礎較差的同學容易跟不上教學進度，進而喪失學習興趣。

另一方面，教學計劃和安排也需要進行調整。需要合理安排“衛星導航原理與應用”課程的學時數，由于課程內涉及較多的基礎理論知識，在短暫的40 個計劃學時安排中將所有內容都進行一一講解是不太現實的。如果采用蜻蜓點水般的授課方式，學生只能囫圇吞棗式地接收，很難理解課堂內容甚至產生畏難情緒。所以特別需要研究如何在教學中合理安排教學進度，將各個知識點按難易程度差異穿插在教學過程中，突出通信專業相關的應用知識教學。并且需要考慮如何適當減少其他與通信專業結合較少的知識講授，合理利用有限的課堂教學時間。由于“衛星導航原理與應用”還是一門工程與理論兼顧的專業課程，教學目標是為在航空領域應用衛星導航技術的學生打好理論基礎，同時培養學生的實踐和開發能力，僅僅依靠理論教學，學生無法直觀對衛星導航定位有更深入的理解，更希望能在應用中掌握衛星導航和定位的實現方法。這些需求僅依靠計算機仿真形式的虛擬實驗課程是無法滿足學生和實際實驗教學的要求的，迫切需要建立虛實結合的開發式實驗室，以支撐實驗教學的有效開展。

2 課程教學措施改革

2.1 突出重點，注意關聯其他基礎學科

“衛星導航原理與應用”課程涉及的內容較多，特別需要處理好教學重點，結合通信工程專業本科學生的知識結構和應用方向，教學的重點內容應放在衛星定位基本原理、衛導航定位信號、衛星信號的捕獲、衛星信號的跟蹤、導航接收機及其電路幾個方面。這些知識點在之前的專業基礎課程中都有所涉及，需要前后貫通來進行講授課程，綜合結合應用其他基礎課程的理論知識，重點講解導航中所涉及的射頻微波、基帶處理、擴頻通信和調制解調等電子信息類技術，啟發學生進行研究性和創造性思維探索。

圖1 為“衛星導航原理與應用”課程重點內容與前置基礎課程直接的聯系，通過梳理知識結構，前后貫通串講的方式，既可以復習之前講授的基礎和應用課程知識，還可以讓學生認識到基礎知識是如何在工程中應用的，從而擺脫枯燥的理論講解。例如在講解導航天線方面的知識時，將導航天線的幾個主要參數，如增益、駐波和軸比等，結合“微波技術與天線”課程內容，講解回顧天線結構、全向和定向天線等知識，引導出不同應用場合工程中使用的導航天線，使得學生可以結合已學習的知識了解通信技術在導航工程中的應用。在講解導航信號的跟蹤方面的知識時，通過復習“高頻電子線路”課程中鎖相環基本原理，通過分析一階鎖相環和二階鎖相環的傳遞函數及誤差特性，講解如何利用鎖相環對衛星導航信號進行跟蹤。

圖1 教學重點與其他基礎課程關聯

2.2 詳略得當，注意取舍

“衛星導航原理與應用”課程知識多且學科相互滲透，在有限的學時中，不可能逐一展開講解，需要在諸多知識點中進行取舍。教學中可以采用強調思想簡化數學模型的方式展開教學，對數學理論的嚴密推導不做過多要求，將教學重點放在核心算法的思想上。調整教學內容的深淺，重點突出理解導航系統的工作原理，將學習精力放到衛星導航領域中采用何種通信技術上來。將授課內容立足于通信專業學生，對教學內容進行精心組織和梳理，盡量減少其他學科相關基礎理論內容，對其他學科涉及到的知識點只要求理解，突出導航信號的接收處理、觀測、解算等與通信專業相關聯的接收機技術，同時增加實踐環節，加強問題和工程案例分析。例如，在講解定位基本原理時，需要介紹天體力學知識，包括開普勒三大定律、軌道根數等概念，電子信息類學生對這部分知識接觸較少，但在衛星導航原理講解中不可或缺。可以采用仿真工具輔助教學方法，通過仿真展示衛星軌道、軌道根數和星例之間的關系，減少復雜的公式推導，將更多學時放在通信技術應用的講解上。

2.3 建設開放式導航實驗室，加強實踐教育

“衛星導航原理與應用”課程同時也是一門實踐性很強的工程應用專業學科，加強實踐教學環節可以增強學生對課堂理論內容的理解和掌握。但是在衛星導航實驗教學方面，設計的實驗大多數是演示性和驗證性的，沒有給學生獨立思考和自主訓練的機會和空間?？梢詷嫿ㄩ_放式的衛星導航實驗室，如圖2 所示，使得學生在實驗室內即可完成課程實訓和綜合實驗設計。實驗構建包括外置接收天線、室內轉發器主機、室內轉發天線、導航原理實驗平臺和OEM 套件。一方面，通過外置接收天線接收GPS/BDS 衛星信號，可以接收BDS B1 頻段和GPS L1 頻段，接收衛星信號再通過BD/GPS 衛星信號轉發器，通過發射天線轉發GPS/BDS 信號，將衛星信號在室內覆蓋，確保整個實驗室都可以有效接收衛星信號。實驗內的衛星導航實驗平臺和OEM 板卡可以用于對導航信號進行捕獲跟蹤，獲得廣播星歷和原始觀測量，并將星歷和原始測量數據傳輸至實驗PC。學生在真實衛星信號環境下，通過實驗和編程，理解衛星測距原理，測量誤差和信號傳輸誤差，實時計算BDS/GPS 衛星軌道等。另一方面，采用Matlab 通信仿真工具箱設計虛擬仿真實驗，例如導航信號C/A 的產生和導航信號捕獲等信號調制和接收實驗，增強學生對無線電導航原理的理解。通過構建完整的教學實驗環境展開教學，將虛擬仿真實驗配合實物操作，把仿真教學融入實踐教學中，結合真實衛星導航硬件平臺開展實驗教學，實現“虛實結合”的課程教學方法，并且適當地在實踐環節中著重添加航空應用內容，增加工程問題和案例分析，提高學生解決問題和動手的能力，提高學生的創新精神。

圖2 開放式的衛星導航實驗室示意圖

3 授課模式改革

3.1 貼近應用需求，培養學生學習興趣

努力在教學過程中增加以學生興趣點為主的創新應用環節，在衛星導航的應用中有序地融入課程章節與知識點。教學時可以采用結合問題和技術牽引的教學模式，以衛星導航需要解決的問題為主線牽引具體解決方案并展開相關知識，引導學生獨立思考采用何種技術解決問題。對部分章節，可以采用翻轉教學方式，將部分之前已經學過的基礎專業知識點的內容，交由學生進行講解和討論，盡可能調動起學生內在的驅動力。同時，對于“衛星導航定位原理與應用”課程的實踐教學而言，強調課程的實踐和前瞻性，組織學生小組進行“北斗+”和“+北斗”創新應用方案設計和研討，通過組間案例分享，對未來衛星導航，特別是結合中國的北斗系統的發展趨勢和現實需要進行展開討論，在加強對原理專業知識理解的同時，培養學生基于衛星導航的學習興趣，進而提高基于北斗應用的創新創業熱情。

3.2 以課程設計和主題報告的方式提高學生實踐能力

“衛星導航原理與應用”是一門理論聯系實踐的課程，將課程設計融合實踐課程內容。通過建立預先應用背景，讓學生完成設計，通過實驗驗證后再進行報告，報告結束后通過問答環節，授課教師解決在設計當中遇到的一些難題。讓學生在實驗設計、實驗驗證和實驗總結匯報的全過程中，都可以對自身學習的專業知識有更深的認知，更能促進學生全面素質的發展。例如，可將中國大力發展通用航空產業的政策結合現有監管技術的缺陷，布置航空通信監控技術主題報告。學生可以結合其他通信專業課程，通過比較公共移動通信網絡與北斗衛星通信系統的差異，加深了學生對北斗導航衛星短報文技術的理解，同時鍛煉了學生的實踐能力，也培養了學生查找文獻綜述的基本科研能力。

3.3 采用多重靈活的考核方式

由以上教學模式可知，學生在學習過程中有很多考核機會。例如翻轉課堂教學和課程設計報告等環節，可以依據這些教學中間環節建立多元化考核機制，取代單一的期末考試方式?？己藘热菘梢园鄠€方面，包括仿真作業、課堂翻轉教學、實驗報告、課程設計和答辯等。在教學過程中加強監控，采用量化考核標準，優化考核。例如，重視實驗教學前的預習報告，要求報告中將實驗內容、流程和基本原理進行整理，在具體實驗過程中要求學生按預習流程進行操作，對每一項要求的實驗任務都要分析實驗現象，注意實驗結束后學生與學生、學生與教師之間的交流討論，強調學習效果在教學過程中的體現，并依此設立衡量綜合素質為依據的評分標準，力求更真實地反映學生的學習情況。

4 結束語

經過以上教學措施和授課模式的改革，從多角度進行衛星導航課程教學。使得學生更扎實地掌握衛星導航的基礎理論知識，對衛星導航中涉及的天線、擴頻通信、調制解調和數字接收等通信技術的應用方式有清晰的認識，深刻理解衛星導航信號捕獲、跟蹤、定位解算關鍵技術。同時，在培養過程中注重導航行業與通信專業結合，實踐能力與理論水平并重。使得學生具備衛星導航領域全面的基礎知識結構，以及豐富的工程實踐經驗和活躍的創新思維，為中國北斗導航專業技術人才的培養奠定基礎。