改革“GPS原理與應用”課程教學,培養(yǎng)導航人才*

紀元法,孫希延,施滸立

(1.桂林電子科技大學應用科技學院,廣西桂林541004;2.中國科學院國家天文臺,北京100012;)

0 引 言

美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)作為目前最成功的衛(wèi)星導航系統(tǒng),不僅從根本上解決了海上、空中和陸地交通工具的導航和定位問題,還成功地用于大地測量、陸地/海洋測繪、地理信息系統(tǒng)、精細農(nóng)業(yè)、搜索救援以及時間傳遞、電離層測量科學研究等領域,顯示出巨大的應用潛力[1-4]。正是衛(wèi)星導航的巨大優(yōu)越性和其在經(jīng)濟、軍事領域的重大作用,受到世界各國的充分重視,有條件的大國競相發(fā)展本國的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[1]。俄羅斯建立了GLONASS系統(tǒng),歐盟正在主導建設Galileo系統(tǒng),中國在北斗一代的基礎上開始發(fā)展更為先進的“北斗二代”導航系統(tǒng)。

GPS是個復雜系統(tǒng)工程,包含多門類專業(yè)知識,是一門典型的多學科相互滲透的交叉學科,不僅涉及天體力學、衛(wèi)星軌道學、大地測量學和空氣動力學,而且涉及到電磁學、氣象學和通信學科等諸多學科[5],自20世紀80年代末期以來,GPS技術在我國的測繪、地質、航天、海洋、交通、航道、石油、水利、農(nóng)業(yè)、信息等行業(yè)獲得了廣泛的應用,隨著GPS的現(xiàn)代化計劃的實施,GPS將更為先進,必將加速GPS技術在我國更多領域的應用和拓展。

GPS這些特點促進了相關學科在大學的學科建設發(fā)展,也反映在相應的課程體系建設上?！癎PS原理與應用”這門課程,在最近十幾年來陸續(xù)走進大學課堂,在普及傳播衛(wèi)星導航知識、定位技術、空間科技、數(shù)字信號處理與射頻電路與芯片技術應用等專業(yè)領域發(fā)揮了重要作用,受到學生的廣泛歡迎。成為不同專業(yè)學生的選修課、限選課或專業(yè)課,而且也成為一些文科學生的選修課程。

任何課堂教學受課時、實驗內(nèi)容等限制,不可能符合所有的學生特點。因此,針對不同的專業(yè)和授課對象層次,如何在有限的學時內(nèi)開展基本教學內(nèi)容,加強實驗和實踐教學,建立與教學改革相協(xié)調的課程體系,保證和提高“GPS定位原理與應用”課程的教學質量,達到人才培養(yǎng)的目的,是一個值得深入探討和研究的問題。

衛(wèi)星導航被視為三大信息產(chǎn)業(yè)之一,而且目前我國正在大力發(fā)展中國自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng),專業(yè)衛(wèi)星導航人才需求將進一步增大。有條件的高校應該根據(jù)社會需求、課程特點,有針對性的調整教學內(nèi)容,既注重衛(wèi)星導航知識的普及教育,又要適應專業(yè)人才培養(yǎng),突出以GPS為代表的衛(wèi)星導航系統(tǒng)知識及關鍵技術,適應當前衛(wèi)星導航技術發(fā)展的需求。

1 GPS原理與應用的特點

1.1 GPS的技術特點

GPS是利用三角定位原理,以人造衛(wèi)星為基準點,發(fā)射無線電導航信號,用戶利用接收設備接收信號,進行解碼,解析衛(wèi)星位置、測量至衛(wèi)星的距離或多普勒頻移等觀測量,來確定其位置和速度。

GPS主要由三大部分組成:空間的衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控部分、用戶設備。GPS衛(wèi)星星座由分布在6個軌道面的24顆衛(wèi)星組成,保證了在地球上和近地空間任一點、任何時刻至少同時觀測到4顆GPS衛(wèi)星,保證了信號覆蓋面。地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是:跟蹤觀測GPS衛(wèi)星;計算編制衛(wèi)星星歷;監(jiān)測和控制衛(wèi)星的健康狀況;保持精確的GPS時間系統(tǒng);向衛(wèi)星注入導航電文和控制指令。用戶設備的核心是GPS接收機,通過接收衛(wèi)星信號完成用戶位置、速度計算以及授時等功能,并提供人機界面交互。

除了GPS外,前蘇聯(lián)建立了GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng),2001年歐盟也啟動了Galileo衛(wèi)星導航系統(tǒng),整個系統(tǒng)正在建設之中。為參與國際競爭,我國在“北斗一代”的基礎上也啟動了“北斗二代”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設,“北斗二代”的導航定位功能將覆蓋全球,其定位原理、定位精度等技術將逐漸接近國際上先進的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。

以上幾個衛(wèi)星導航系統(tǒng),雖然在信號頻率、信號格式等方面略有差異,但基本上都參照了GPS的“多星、高軌、偽碼測距”體制,因此,通過學習掌握GPS技術,就可以掌握當前衛(wèi)星導航系統(tǒng)的關鍵技術。

1.2 “GPS原理與應用”的課程特點[6]

1)多學科交叉

“GPS原理及應用”課程是一門典型的綜合性交叉學科。GPS技術與大地測量學、空間科學與技術、電子技術、通訊技術、天體力學、人造衛(wèi)星技術等聯(lián)系緊密,是跨學科、跨行業(yè)的綜合性高新技術,可以培養(yǎng)知識面較廣的高科技人才。因此,“GPS原理及應用”課程內(nèi)容較為豐富,在課程教學內(nèi)容的安排上,應盡量不能出現(xiàn)知識點空白,致使知識體系不完整;又不能面面俱到,課程重點不突出,學生抓不到課程主線和重點。必須針對不同的授課對象,合理安排授課內(nèi)容,做到詳略得當,重點突出,與聽課對象的學習目的相適應。

2)實踐性強

“GPS原理與應用”課程名稱就明確指出了該課程的兩個重點內(nèi)容,一個是GPS技術的原理,另一個是GPS技術的應用。它不但是一門理論性較強的學科,而且也是一門實踐性極強的學科。因此,教學中不但要注重理論教學環(huán)節(jié),更應重視實踐教學環(huán)節(jié)。由于本課程的實踐應用性目的較強,學生需要大量的實踐才能很好地掌握其主要內(nèi)容,故在課程建設過程中應注重教學內(nèi)容的合理安排和實踐性環(huán)節(jié)的建設。

例如,在很多測繪類專業(yè),在“GPS原理及應用”課程的教學中,實踐和野外實習占總課時的40%以上。這突出了GPS的測繪應用,對測繪專業(yè)的學生是合適的。但由于對接收機的工作核心技術不深入闡述,目前的教材難以適應培養(yǎng)專門的導航技術人才需求。

3)應用面廣

GPS的定位、導航測量技術已廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域,包括:大地測量、工程測量、航空攝影測量、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、海洋測繪、地震監(jiān)測、氣象信息測量、各種運載工具定位導航和管制、公安、交通系統(tǒng)管理、航空導航、航海導航、城市規(guī)劃等領域。GPS也為城市個人用戶提供方便、快捷、準確的定位和導航服務,具有廣大的用戶群,擁有廣闊的應用空間和市場潛力,應用于城市交通、位置服務、娛樂休閑等領域,與個人移動電話、相機、MP3等結合,一起組成個人電子服務終端(PEST)。

2 GPS原理與應用的教學現(xiàn)狀

授課對象越來越廣。在我國高校,較早地把“GPS定位原理與應用”納入課程體系是測繪專業(yè)、地理信息系統(tǒng)專業(yè)的學科等。但隨著GPS技術應用的深入,該課程逐漸引起人們的高度重視,各高校都相繼把“GPS原理與應用”作為專業(yè)課或選修課。

1)教材較為單一。

最早的教材,大部分是翻譯國外的教材與資料,因為測繪專業(yè)開設GPS課程較早,因此,大部分教材是測繪專業(yè)教師編寫的。這為我國的GPS專業(yè)人才培養(yǎng),GPS技術在測繪等專業(yè)領域的應用作出了貢獻,奠定了基礎,提供了參考,但也存在教材體系較為單一的問題。

2)師資力量缺乏。

由于GPS測量定位技術的迅速發(fā)展,使得這一技術的應用領域不斷拓展,在測繪專業(yè)中從事GPS測繪應用教學的師資較為充實,但GPS是一門技術,而非一個學科,因此,現(xiàn)在并沒有列入全國普通高校招生專業(yè),更沒有培養(yǎng)GPS技術的專門學校。教師中開展GPS等衛(wèi)星導航定位技術研究的比較少,現(xiàn)在對GPS技術進行深入研究、科研能力較強的有北京航空航天大學、國防科技大學、中科院、航天部門等少數(shù)高校和科研院所,使得目前我國真正從事GPS核心技術教學的師資較為匱乏。

3 改進GPS教學,培養(yǎng)專業(yè)導航人才

任何課程的設置,首先要同人才培養(yǎng)目標相適應。當前衛(wèi)星導航技術發(fā)展迅速,GPS技術、衛(wèi)星導航人才相對短缺。因此,針對電子通信,導航專業(yè)的本科生或研究生,應合理增加GPS接收機的關鍵技術這方面內(nèi)容,深入探究GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的技術原理與關鍵技術,為我國衛(wèi)星導航事業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)專業(yè)人才。

3.1 教材建設

現(xiàn)在市面上的GPS教材以概論型以及測繪應用型為主。普通GPS原理課本對增加學生的綜合素質,拓展知識面,普及GPS常識,是基本合理的,適用于一般學生的選修課。由測繪專業(yè)的老師編寫的GPS測量原理,適合于測繪專業(yè)的學生,但也存在片面重視了測繪應用,而忽視了GPS定位技術本身的一些問題,未深入闡述和論證技術原理的特點,沒有突出關鍵技術和現(xiàn)有技術的發(fā)展水平。對于專門從事研究GPS專業(yè)的系統(tǒng)及從事GPS接收機研發(fā)的人員來說,不是很適用。

因此,可以根據(jù)本專業(yè)特點和需求,組織教師自行編制一套特色教材。對GPS原理、GPS技術、GPS應用等三個方面內(nèi)容進行分層次、模塊化編寫,供教師自主選擇授課內(nèi)容。根據(jù)本課程特點,使理論難度和通俗易懂有機結合,既注意發(fā)展前沿又重視實際應用。

針對導航類專業(yè)人才,應重點增加GPS信號體制,接收機基帶信號處理關鍵技術,如對偽隨機碼擴頻信號的捕獲、跟蹤、解碼等內(nèi)容,并設置相應的仿真實驗環(huán)節(jié)?？上驳氖请S著GPS發(fā)展,我國國內(nèi)相繼出現(xiàn)了“GPS原理與仿真”等教材[7],更加適合專門從事導航類相關專業(yè)的學生。

3.2 教師隊伍建設

要把教師隊伍建設放在學科建設的首位,加強教學交流,尤其是青年教師的培養(yǎng),提高教學團隊的教學水平及科研能力,成為站在學科發(fā)展前沿的、具有較高教學水平的、既教書又育人的優(yōu)秀教學團隊。

培養(yǎng)本校教師技術骨干力量,成為該領域的學科帶頭人?，F(xiàn)在中國二代導航已作為重大專項列入國家中長期發(fā)展規(guī)劃,通過鼓勵教師參與該領域國家重大前沿項目的研究工作,引領本校本專業(yè)成為高校重點學科。

最后,組織教師參加諸如“衛(wèi)星導航技術進步與創(chuàng)新”專家論壇和“新技術新產(chǎn)品應用成果展示會”,了解我國衛(wèi)星導航技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,不斷開闊視野,提升教學高度。

3.3 教學實施

由于GPS定位技術理論較深,涉及的知識面較廣,同時其內(nèi)容也在不斷豐富之中,因此,結合高校自身的專業(yè)特色和實際情況,開展該課程的教學研究,不斷提高課程的教學質量。

設計教學時,課程內(nèi)容應實現(xiàn)理論與實際應用緊密結合、前瞻性和通俗性相結合,充分注意教學中的層次設計,使教學內(nèi)容可根據(jù)授課對象需要進行選擇且自成一體,可滿足不同專業(yè)對GPS技術的教學需求,具有較廣泛的適應性。

注重“教學、科研、生產(chǎn)三位一體”的實踐性教學環(huán)節(jié),在課程建設中注重教學內(nèi)容的合理安排和實踐性教學環(huán)節(jié)的設計,以及相關科研和生產(chǎn)成果的融入,讓學生在大量的實踐中掌握和靈活運用所學知識,以培養(yǎng)和提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

針對導航專業(yè)人才的培養(yǎng),首先,應由淺入深講解GPS的定位原理,并涵蓋GPS衛(wèi)星導航的關鍵技術。GPS定位的基本幾何原理是三球交會原理。通過測量GPS接收機到衛(wèi)星(位置已知)的距離,而測定接收機的位置。GPS衛(wèi)星通過發(fā)射直接序列擴頻通信信號作為測量信號,因此,對導航信號的接收處理是接收機的關鍵技術。對導航專業(yè),應把GPS信號的處理以及偽距測量等相關內(nèi)容作為重點講解[8]。

其次,理論與實踐緊密結合。課堂上講授了GPS信號的結構、定位原理,接收機處理方法后,應加強學生對概念的消化理解。比如,可以加強對GPS信號的仿真實驗環(huán)節(jié),可以利用 MATLAB工具實現(xiàn)GPS信號仿真以及基帶信號處理等環(huán)節(jié)的編程實驗,這對學生理解偽碼測距是十分有幫助的。并將科研成果介紹給學生,豐富課堂內(nèi)容,指導學生的實驗和實訓環(huán)節(jié)。

再者,針對課程特點適當運用多媒體教學手段。“GPS原理與應用”課程設計到很多抽象概念、空間概念和動態(tài)過程,這與“信號與系統(tǒng)”等含大量公式推導的課程特點是不同的,傳統(tǒng)的板書教學優(yōu)勢很難將這些概念及過程清晰地展現(xiàn)在學生面前,而使用多媒體教學可以給學生更多直觀感受,收到事半功倍的效果。

4 結 論

當今,GPS技術在軍民各個領域的應用不斷拓展,隨著Galileo系統(tǒng)、中國北斗二代系統(tǒng)的建設,導航人才的需求也將越來越大。針對目前的“GPS原理與應用”課程的教學現(xiàn)狀,為適應導航人才培養(yǎng)的需要,應適當進行教學改革,具體可以從以下幾個方面著手:

1)重視教材建設;

2)加強教學隊伍建設;

3)重視教學內(nèi)容和課程體系改革

4)注重使用先進的教學方法和手段。合理運用現(xiàn)代信息技術等手段,改革傳統(tǒng)的教學思想觀念、教學方法。

[1]KAPLAN E D.Understanding GPS:Principles and Applications[M].Boston:Artech House,1996.

[2]張 欣.擴頻通信數(shù)字基帶信號處理算法及其VLSI實現(xiàn)[M].北京:科學出版社,2004.

[3]劉基余.GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法[M].北京:北京科學出版社,2003.

[4]TSUI J B.Fundamentals of Global Positioning System Receivers:a Software Approach[M].New York:Wiley,2000.

[5]付宗堂.《GPS測量原理與應用》課程教學探討[J].北京測繪,2000,(4):41-42.

[6]李天文,吳 琳,龍永清.地理信息系統(tǒng)專科開設“GPS原理及應用”課程的思考[J].高等理科教育,2005,(4):70-83

[7]楊 俊,武奇生.GPS基本原理及其 Matlab仿真[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006.

[8]施滸立,孫希延,李志剛.轉發(fā)式衛(wèi)星導航原理[M].北京:中國科學出版社,2009.