“制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)”空天深度融合教學(xué)改革與探索

［摘 要］ “制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)”是儀器科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與工程等相關(guān)專業(yè)本科生的重要課程之一。根據(jù)“雙一流”課程建設(shè)目標(biāo)和培養(yǎng)要求，針對(duì)本科生“制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)”課程，分析現(xiàn)狀及存在問題，探索與設(shè)計(jì)以突出空天深度融合、創(chuàng)新教學(xué)手段、培養(yǎng)寬口徑復(fù)合型航空航天創(chuàng)新人才為導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)手段創(chuàng)新等方面的課程改革方案，強(qiáng)化基礎(chǔ)理論內(nèi)容，增加前沿技術(shù)講授，開發(fā)教輔平臺(tái)動(dòng)畫，全面提高本科課程教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］ 制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)；教學(xué)改革；空天融合；寬口徑復(fù)合型人才

［基金項(xiàng)目］ 2019年度北京市自然科學(xué)基金委員會(huì)“高超再入無人飛行器慣性/衛(wèi)星超緊組合導(dǎo)航信息融合技術(shù)研究”（4204103）；2019年度中國(guó)航空科學(xué)基金委員會(huì)“航空人工智能專項(xiàng)——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的GNSS/INS自適應(yīng)超緊組合導(dǎo)航技術(shù)研究”（2019ZC051009）

［作者簡(jiǎn)介］ 王學(xué)運(yùn)（1989—），男，河北承德人，博士，北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院講師，主要從事導(dǎo)航制導(dǎo)與控制研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）36-0047-04［收稿日期］ 2022-07-15

引言

建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科，是中共中央、國(guó)務(wù)院做出的重大戰(zhàn)略決策。“雙一流”是中國(guó)高等教育領(lǐng)域繼“211工程”和“985工程”之后的又一國(guó)家戰(zhàn)略，有利于提升我國(guó)高等教育綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，為實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)提供有力支柱［1］。一流的人才培養(yǎng)是建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科的重要基礎(chǔ)和基本特征，只有培養(yǎng)出一流人才的高校，才能夠成為世界一流大學(xué)［2］。“雙一流”建設(shè)過程中，本科生課程教學(xué)是最基礎(chǔ)、最重要的環(huán)節(jié)之一，必須放在突出位置，努力推進(jìn)教育教學(xué)改革［3］。在“雙一流”建設(shè)和新工科建設(shè)的大背景下，要堅(jiān)持“強(qiáng)化基礎(chǔ)、突出實(shí)踐、重在素質(zhì)、面向創(chuàng)新”的本科人才培養(yǎng)方針，努力培養(yǎng)學(xué)生的核心能力，使之成為能夠在相關(guān)領(lǐng)域從事工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析、信息處理、科學(xué)試驗(yàn)、研制開發(fā)、經(jīng)濟(jì)或科技管理等工作的寬口徑、復(fù)合型高級(jí)工程技術(shù)人才［4］。

制導(dǎo)與控制技術(shù)是導(dǎo)彈與航天技術(shù)的核心，是導(dǎo)彈與航天器穩(wěn)定可靠飛行、有效完成預(yù)定任務(wù)的基礎(chǔ)。不僅如此，制導(dǎo)與控制技術(shù)也一直是國(guó)防基礎(chǔ)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是在以精確打擊武器為基礎(chǔ)的新軍事變革中，制導(dǎo)與控制技術(shù)的發(fā)展水平在一定程度上決定了一個(gè)國(guó)家武器裝備的水平，代表了一個(gè)國(guó)家的國(guó)防實(shí)力。同時(shí)，制導(dǎo)與控制技術(shù)的發(fā)展需求，將有力牽引和推動(dòng)電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等相關(guān)學(xué)科及技術(shù)的發(fā)展，并積極促進(jìn)該技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。

考慮到制導(dǎo)與控制技術(shù)的重要性以及對(duì)探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的支撐作用，在儀器科學(xué)與技術(shù)二級(jí)學(xué)科探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)的培養(yǎng)方案中，“制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)”課程被列為專業(yè)必修課。課程主要講授航空航天飛行器的制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)衛(wèi)星、導(dǎo)彈兩類典型的航空航天飛行器，介紹其運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性、衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制等內(nèi)容。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的基本組成和工作原理，掌握衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法，為從事該領(lǐng)域的研究和開發(fā)工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在教學(xué)過程中，通過衛(wèi)星和導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)特性的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論力學(xué)對(duì)飛行器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模與動(dòng)態(tài)特性分析的能力；通過衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用自動(dòng)控制原理對(duì)飛行器控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的能力，解決衛(wèi)星和導(dǎo)彈控制中的實(shí)際工程問題。

一、現(xiàn)狀分析與存在問題

（一）課程現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)各高校的探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)專業(yè)都開設(shè)了制導(dǎo)與控制類課程，但研究對(duì)象比較單一，或只介紹導(dǎo)彈，或只介紹火箭，或只介紹衛(wèi)星。目前，在國(guó)內(nèi)同類專業(yè)中，沒有一門課程可以兼顧航空器與航天器的制導(dǎo)與控制，難以實(shí)現(xiàn)航空航天融合的制導(dǎo)與控制的知識(shí)講授，不利于培養(yǎng)寬口徑、復(fù)合型工程技術(shù)人才和領(lǐng)軍領(lǐng)導(dǎo)人才。

北京航空航天大學(xué)“制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)自2006年起就對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了精心研究和編排，在教學(xué)工作中認(rèn)真總結(jié)、不斷改進(jìn)，形成了自己的特色與優(yōu)勢(shì)。

1.教學(xué)內(nèi)容涵蓋衛(wèi)星與導(dǎo)彈兩類典型航空航天飛行器。為滿足專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，將衛(wèi)星與導(dǎo)彈兩類典型對(duì)象納入教學(xué)內(nèi)容，并將兩類對(duì)象制導(dǎo)與控制的教學(xué)內(nèi)容有機(jī)地融合在一起，改變過去兩類對(duì)象單獨(dú)教學(xué)的模式。在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)兩類對(duì)象的聯(lián)系與區(qū)別，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力和高階思維。

2.教學(xué)設(shè)計(jì)突出知識(shí)系統(tǒng)性與挑戰(zhàn)性。課程的教學(xué)理念是“建立系統(tǒng)框架、立足工程前沿、激發(fā)創(chuàng)新靈感”。在具體的教學(xué)組織與設(shè)計(jì)中，具有以下特色和優(yōu)勢(shì)：（1）強(qiáng)調(diào)制導(dǎo)與控制系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)的知識(shí)體系和框架，教學(xué)圍繞典型制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)展開，把零散雜亂的知識(shí)點(diǎn)用制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的邏輯主線串聯(lián)起來，便于學(xué)生建立清晰的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)知識(shí)框架。（2）知識(shí)點(diǎn)教學(xué)聯(lián)系工程實(shí)際，結(jié)合教師的工程經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，重點(diǎn)講授工程中存在的問題以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和前沿技術(shù)，立足工程前沿，啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生思考與討論，進(jìn)一步提升學(xué)生學(xué)習(xí)課程的驅(qū)動(dòng)力。（3）針對(duì)衛(wèi)星和導(dǎo)彈兩類對(duì)象，安排了兩個(gè)綜合性的課題設(shè)計(jì)，分別為衛(wèi)星姿態(tài)控制律設(shè)計(jì)及仿真研究、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究。學(xué)生以小組為單位提交研究報(bào)告，并注明小組成員分工。這不僅可以鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，還可以促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新靈感。

（二）存在問題

盡管“制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)”課程在十多年的教學(xué)與授課過程中形成了自己的優(yōu)勢(shì)和特色，但對(duì)照《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)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(xué)還存在一定不足。

1.教學(xué)內(nèi)容需進(jìn)一步優(yōu)化。首先，制導(dǎo)與控制空天融合需進(jìn)一步加深。衛(wèi)星和導(dǎo)彈兩類典型飛行器制導(dǎo)控制方法的理論基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)模型和受力分析等內(nèi)容的區(qū)別與聯(lián)系不夠深入，航空和航天制導(dǎo)與控制方法融合程度不夠；在導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制部分對(duì)理論基礎(chǔ)和模型的呼應(yīng)不足。其次，制導(dǎo)與控制前沿技術(shù)需進(jìn)一步豐富。課程對(duì)不斷涌現(xiàn)的新型航空航天器及其制導(dǎo)與控制方法介紹不夠豐富，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新培養(yǎng)鍛煉不夠充分，不利于學(xué)生在研究生階段快速進(jìn)入科研狀態(tài)。

2.教學(xué)手段需進(jìn)一步創(chuàng)新。目前的課程教學(xué)主要采用教師課堂講授、課程實(shí)踐、課后作業(yè)等傳統(tǒng)教學(xué)手段，對(duì)學(xué)生吸引力不足。為激起學(xué)生更大的自主求知欲，課程教學(xué)手段需進(jìn)一步創(chuàng)新。

二、課程教學(xué)改革探索及方案

為了適應(yīng)我國(guó)航空航天技術(shù)領(lǐng)域快速發(fā)展的重大趨勢(shì)，必須牢牢把握“雙一流”建設(shè)的重大機(jī)遇，針對(duì)“制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)”課程仍存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化和教學(xué)手段改進(jìn)兩大方面進(jìn)行課程方案改革，適應(yīng)新時(shí)代創(chuàng)新型、應(yīng)用型一流人才培養(yǎng)模式，進(jìn)一步提升課程在培養(yǎng)新時(shí)代航空航天急需的寬口徑、復(fù)合型創(chuàng)新人才方面發(fā)揮的重要作用，同時(shí)更好地發(fā)揮基礎(chǔ)課程建設(shè)在本科生整個(gè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)中的基石作用［5］。

針對(duì)目前“制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)存在的問題，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)手段。從以下三方面開展教學(xué)改革：強(qiáng)化基礎(chǔ)理論、增加前沿技術(shù)和開發(fā)教輔平臺(tái)。首先，以基礎(chǔ)理論為要點(diǎn)，以常用傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)為紐帶，加深制導(dǎo)與控制技術(shù)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(dǎo)與控制的課堂教學(xué)內(nèi)容，提升前沿性和挑戰(zhàn)性，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。最后，開發(fā)輔助教學(xué)演示動(dòng)畫和輔助教學(xué)設(shè)計(jì)平臺(tái)，增進(jìn)互動(dòng)式教學(xué)，生動(dòng)展示航空航天器制導(dǎo)與控制的區(qū)別和聯(lián)系，通過教學(xué)手段創(chuàng)新加深空天融合。通過上述教學(xué)改革，提升“制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)”課程的融合性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)理論和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，為寬口徑、復(fù)合型工程技術(shù)人才和領(lǐng)軍領(lǐng)導(dǎo)人才培養(yǎng)提供更加強(qiáng)有力的支撐。

（一）進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

1.強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)，加深空天融合。針對(duì)衛(wèi)星和導(dǎo)彈兩類飛行器，以剛體六自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論為要點(diǎn)，進(jìn)一步強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)與理論，加深空天融合；以常用傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)為紐帶，強(qiáng)調(diào)兩類典型航空航天飛行器制導(dǎo)和控制的聯(lián)系與區(qū)別，使學(xué)生融會(huì)貫通。

“制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)”教學(xué)內(nèi)容主要分為三部分：理論基礎(chǔ)部分、衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制部分、導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制部分。原授課時(shí)在理論基礎(chǔ)部分僅講授剛體六自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)，衛(wèi)星和導(dǎo)彈的受力分析、常用傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等內(nèi)容均在各自章節(jié)展開，并且基礎(chǔ)理論與飛行器結(jié)合不明顯。為加深空天融合，強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)，將衛(wèi)星和導(dǎo)彈的常用傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)加入理論基礎(chǔ)部分，并且在衛(wèi)星和導(dǎo)彈部分增加與基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)模型相呼應(yīng)的內(nèi)容。如此一來，不僅突出剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論在導(dǎo)彈和衛(wèi)星兩類典型飛行器上的作用原理，而且強(qiáng)調(diào)了兩類飛行器制導(dǎo)和控制的聯(lián)系與區(qū)別，加深空天融合，進(jìn)而可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中對(duì)比，在對(duì)比中理解，在理解中升華，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力和高階思維。

2.緊隨科技前沿，豐富課程內(nèi)容。新型航空航天器不斷涌現(xiàn)，應(yīng)增加對(duì)具有重要工程價(jià)值的新型飛行器制導(dǎo)與控制方法的講授，助力學(xué)生緊隨科技前沿，激發(fā)學(xué)生興趣和動(dòng)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(jīng)歷大氣層內(nèi)外，以其為例講解制導(dǎo)與控制技術(shù)和系統(tǒng)有利于進(jìn)一步加深空天融合，并且突出創(chuàng)新性、前沿性和挑戰(zhàn)性，為未來科研工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

高超聲速再入飛行器相關(guān)理論與技術(shù)一直是飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。高超聲速再入無人機(jī)具有速度快、航程遠(yuǎn)、機(jī)動(dòng)大、落點(diǎn)精確的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。軍事方面，可實(shí)現(xiàn)高速突防、精確打擊，對(duì)戰(zhàn)略目標(biāo)進(jìn)行致命性攻擊，是未來攻防對(duì)抗體系中的重要組成部分；民用方面，可重復(fù)使用，能作為太空開發(fā)、空間科研的運(yùn)輸和試驗(yàn)平臺(tái)。高超聲速再入無人機(jī)能滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，是飛行技術(shù)和空間科學(xué)重要發(fā)展方向，意義重大。美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)等大國(guó)預(yù)測(cè)，在未來的幾十年里，高超聲速滑翔飛行器將會(huì)是重要的進(jìn)攻性制導(dǎo)武器［6-7］。增加高超聲速再入飛行器制導(dǎo)與控制內(nèi)容講授，有助于學(xué)生在高超聲速再入飛行器領(lǐng)域夯實(shí)基礎(chǔ)，把握現(xiàn)狀。由于高超聲速再入飛行器具有明顯的空天融合特點(diǎn)，高超聲速再入飛行器制導(dǎo)與控制課程內(nèi)容能夠進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)空天融合制導(dǎo)與控制的理解［8］。

（二）進(jìn)一步創(chuàng)新教學(xué)手段

構(gòu)建教輔平臺(tái)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。為提升課程教學(xué)對(duì)學(xué)生的吸引力，喚醒學(xué)生的自主求知欲，進(jìn)一步創(chuàng)新教學(xué)手段，具體方式包括開發(fā)輔助教學(xué)演示動(dòng)畫，生動(dòng)展示不同軌道參數(shù)下衛(wèi)星軌道的形態(tài)及變化、噴氣力矩器和飛輪在控制衛(wèi)星姿態(tài)上的區(qū)別、不同制導(dǎo)模式導(dǎo)引的區(qū)別與聯(lián)系、不同控制參數(shù)下導(dǎo)彈軌跡與姿態(tài)控制效果等內(nèi)容，幫助學(xué)生理解抽象概念，提升教學(xué)效果。此外，開發(fā)輔助教學(xué)設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括四個(gè)模塊，即衛(wèi)星軌道控制模塊、衛(wèi)星姿態(tài)控制模塊、導(dǎo)彈制導(dǎo)模塊、導(dǎo)彈姿控模塊，對(duì)課程內(nèi)講授的關(guān)鍵制導(dǎo)與控制系統(tǒng)、技術(shù)及方法進(jìn)行數(shù)字模擬和軟件實(shí)現(xiàn)，提供制導(dǎo)與控制參數(shù)調(diào)整和設(shè)置更改接口功能，允許學(xué)生進(jìn)行二次設(shè)計(jì)與開發(fā)，幫助學(xué)生對(duì)制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容加深理解，掌握空天融合制導(dǎo)與控制的聯(lián)系與區(qū)別，促進(jìn)學(xué)生融會(huì)貫通。

結(jié)語(yǔ)

隨著軍事和民用技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)制導(dǎo)控制技術(shù)的廣泛運(yùn)用，各種精確制導(dǎo)飛行器更新?lián)Q代，培養(yǎng)新時(shí)代航空航天所急需的復(fù)合型、寬口徑人才迫在眉睫。必須緊隨“雙一流”的建設(shè)大潮，把握“雙一流”建設(shè)的機(jī)遇，對(duì)當(dāng)前開授的“制導(dǎo)與控制基礎(chǔ)”這一核心專業(yè)課的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段等多個(gè)方面進(jìn)行改革。在詳細(xì)分析課程現(xiàn)狀、存在問題與教學(xué)改革意義的基礎(chǔ)上，授課團(tuán)隊(duì)從優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新課程教學(xué)手段兩大方面對(duì)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法進(jìn)行改革與探索，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)手段，強(qiáng)化基礎(chǔ)理論，增加前沿技術(shù)，開發(fā)教輔平臺(tái)，以增強(qiáng)學(xué)生的工程應(yīng)用實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力，提高課程教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量，為寬口徑、復(fù)合型工程技術(shù)人才和領(lǐng)軍領(lǐng)導(dǎo)人才培養(yǎng)提供更加強(qiáng)有力的支撐。

參考文獻(xiàn)

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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