在電子類專業(yè)引入GPS課程的探討

尹凡 王慧 蔡紅濤 蔡磊 田茂

全球定位系統(tǒng)（GPS）已在當(dāng)今社會(huì)獲得極大應(yīng)用。廣義的GPS系統(tǒng)指能夠在全球范圍內(nèi)提供導(dǎo)航定位服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)，包括美國的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、歐盟的伽利略系統(tǒng)（GALILEO）以及中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS）。GPS系統(tǒng)的建成是各種學(xué)科綜合運(yùn)用的成功范例。鑒于GPS系統(tǒng)在國民生活生產(chǎn)以及國防中越來越重要，有關(guān)GPS系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容也被引入大學(xué)課堂。在測繪領(lǐng)域，GPS技術(shù)有廣泛的普及，因此在測繪類專業(yè)的教學(xué)中有較全面的引入。相比之下，GPS課程在電子信息類專業(yè)教學(xué)中引入的還不夠，而且教學(xué)內(nèi)容和大綱主要是參考測繪類專業(yè)，較少體現(xiàn)電子信息類專業(yè)的特色。因此，如何在電子信息類專業(yè)的GPS教學(xué)中體現(xiàn)專業(yè)特色是相關(guān)專業(yè)教師必須面對的課題。如果說，測繪類專業(yè)中，GPS課程教學(xué)主要講授GPS系統(tǒng)“測”的功能和運(yùn)用，那么電子信息類專業(yè)中，相關(guān)教學(xué)就應(yīng)更著重其“系統(tǒng)”的特點(diǎn)，并把電子類專業(yè)的知識(shí)點(diǎn)和GPS系統(tǒng)中的具體應(yīng)用點(diǎn)相聯(lián)系起來。

GPS電子專業(yè)測繪專業(yè)專業(yè)特色一、引言

能夠在全球范圍內(nèi)全天候?qū)崟r(shí)提供高精度、高可靠性的空間及時(shí)間信息的全球定位系統(tǒng)（GPS）自誕生以來，就得到迅速發(fā)展，并在人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。誕生之初有深刻軍事背景的GPS，現(xiàn)在在交通物流、安防保衛(wèi)、地礦土建、電力水利、防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)保監(jiān)測、科研教育、航天航空、農(nóng)林水產(chǎn)等民用生產(chǎn)生活中都有其具體應(yīng)用。當(dāng)今，即使在一輛普通的私家車或者一部廉價(jià)的智能手機(jī)上，也會(huì)找到GPS系統(tǒng)的接收設(shè)備和應(yīng)用軟件。隨著GPS技術(shù)在全世界迅速普及，GPS已經(jīng)改變了人們的工作和生活方式，極大的提升了生產(chǎn)力和社會(huì)效率。GPS系統(tǒng)是綜合的、跨學(xué)科的高新技術(shù)系統(tǒng)，是當(dāng)今信息社會(huì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是大國科技實(shí)力的集中體現(xiàn)。

在測繪鄰域，GPS技術(shù)顯著并廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測繪、地理信息系統(tǒng)（GIS）、變形測量、航空攝影等方面。為滿足測繪類人才培養(yǎng)目標(biāo)和社會(huì)需求，各高校的測繪專業(yè)或相近專業(yè)都積極設(shè)置了GPS的相關(guān)課程。實(shí)際上，GPS系統(tǒng)是一種衛(wèi)星無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，如果從系統(tǒng)的角度看，它綜合了無線電技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、空間技術(shù)等信息科學(xué)技術(shù)。教育部高等學(xué)校電子信息類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員陳鶴鳴教授建議，電子信息工程專業(yè)知識(shí)包括：語音信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、多媒體技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理專用器件、數(shù)字通信、通信網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代交換技術(shù)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、天線技術(shù)、無線通信、雷達(dá)技術(shù)、電子測量技術(shù)、導(dǎo)航定位等。可以說導(dǎo)航定位知識(shí)已開始進(jìn)入電子信息類專業(yè)的知識(shí)體系。隨著GPS系統(tǒng)的深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為適應(yīng)人才培養(yǎng)目標(biāo)的發(fā)展趨勢，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院于2012年開始在電波傳播與天線（國防）以及電子信息科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)引入“GPS技術(shù)及應(yīng)用”課程，2013年擴(kuò)展至測控技術(shù)與儀器專業(yè)。為培養(yǎng)空間物理、無線電物理學(xué)科高層次創(chuàng)新型人才，2015年在實(shí)施“本碩博一體化”人才培養(yǎng)計(jì)劃中，“GPS技術(shù)及應(yīng)用”課程又進(jìn)入拔尖學(xué)術(shù)人才班本科階段教學(xué)計(jì)劃。

GPS技術(shù)涉及的知識(shí)面較廣，多學(xué)科內(nèi)容相互交叉滲透，需要選擇合適的教學(xué)內(nèi)容來體現(xiàn)專業(yè)特色。目前有關(guān)GPS課程的教材版本較多，但是多數(shù)依靠測繪專業(yè)的特點(diǎn)，因此如何合理安排電子信息類專業(yè)的GPS教學(xué)，是一個(gè)值得探討的問題。

二、GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)與GPS教學(xué)的現(xiàn)狀

GPS系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星以高精度星載原子頻率標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)發(fā)射無線電導(dǎo)航信號(hào)，無線電信號(hào)采用碼分多址技術(shù)（CDMA）在特定頻率上廣播測距碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)。用戶設(shè)備接收信號(hào)，通過解調(diào)得到導(dǎo)航數(shù)據(jù)，用來計(jì)算衛(wèi)星在信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的位置。同時(shí)，接收設(shè)備通過測距碼能夠確定信號(hào)從衛(wèi)星到接收設(shè)備的單向傳播時(shí)間，利用測邊交會(huì)定位原理，解算接收設(shè)備的三維位置。

GPS系統(tǒng)主要由三大部分組成：由GPS衛(wèi)星星座構(gòu)成的空間部分（空間段）；由分布在全球的若干地面跟蹤站構(gòu)成的監(jiān)控部分（控制段）；由以GPS接收機(jī)為核心的用戶接收處理部分（用戶段）。空間段的基本配置是24顆GPS衛(wèi)星，它們平均分布在六個(gè)地心軌道平面內(nèi)。衛(wèi)星星座的布局是權(quán)衡各種因素后的最優(yōu)方案，它具有全球覆蓋性，較高的精度，可維護(hù)性，且成本較低。GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航載荷負(fù)責(zé)產(chǎn)生并向地面用戶發(fā)射調(diào)制了測距碼和導(dǎo)航電文的頻率信號(hào)?？刂贫沃饕?fù)責(zé)對空間段的衛(wèi)星進(jìn)行指揮調(diào)度和監(jiān)測控制，分主控站、監(jiān)測站、地面天線等部分。用戶段完成對衛(wèi)星信號(hào)的接收和處理，最終提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)。總體來看，GPS系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：全球覆蓋，全天候工作；具有定位、導(dǎo)航、測速、授時(shí)等多功能性，中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還具有短報(bào)文通信功能；精度高，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；普通用戶能用較低成本獲得服務(wù)。正是這些特點(diǎn)使得GPS產(chǎn)業(yè)在全球迅速發(fā)展。由于GPS系統(tǒng)的先進(jìn)性和廣泛性，尤其在測繪專業(yè)，GPS知識(shí)又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和適用性，針對GPS系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容也順勢引入大學(xué)課堂。測繪專業(yè)開設(shè)GPS課程較早，相應(yīng)的教材也較多由測繪領(lǐng)域的專家編寫，偏重測繪專業(yè)的應(yīng)用。因此，一方面，GPS教學(xué)在測繪專業(yè)有很大發(fā)展；另一方面，如果電子類專業(yè)要引入GPS課程卻不能簡單照搬照抄測繪專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容和大綱，必須結(jié)合電子類專業(yè)的特色。實(shí)際上，參與GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)、發(fā)展的專家大都有電子類專業(yè)的背景，關(guān)于GPS的英文教材和資料也大多由這些專家完成。如果從系統(tǒng)的角度出發(fā)，GPS課程也更適合引入到電子類專業(yè)。以國外教材“Understanding GPS Principles and Applications，Second Edition”（中文版譯作《GPS原理與應(yīng)用第二版》，由電子工業(yè)出版社出版）為例，依據(jù)前言后提供的作者簡介，全書共有27位作者，其中有15位作者具有電氣工程或計(jì)算機(jī)學(xué)科的學(xué)位，除兩位作者學(xué)位背景未注明，剩下10位作者的學(xué)位分散在物理學(xué)、數(shù)學(xué)、航天工程、大地測量等專業(yè)內(nèi)。顯然，電子類專業(yè)的知識(shí)在GPS知識(shí)體系中具有核心地位。同時(shí)，GPS知識(shí)又并非一門學(xué)科，對于電子類專業(yè)而言，專業(yè)課程的許多知識(shí)點(diǎn)分散于GPS知識(shí)體系的各個(gè)部分。因此，在GPS教學(xué)中如何體現(xiàn)專業(yè)特色，需要教師拿捏取舍。

三、根據(jù)專業(yè)特色引導(dǎo)GPS教學(xué)內(nèi)容

如上所述，如果從系統(tǒng)的角度出發(fā)，GPS知識(shí)體系中，電子類專業(yè)知識(shí)具有核心地位。但是，GPS知識(shí)綜合多學(xué)科內(nèi)容，覆蓋范圍很廣，從基本的物理、數(shù)學(xué)、天文及地理常識(shí)到復(fù)雜的信號(hào)傳播，信號(hào)處理等專業(yè)知識(shí)。因此，GPS課程的教學(xué)內(nèi)容，一方面，要全面完整，使學(xué)生學(xué)習(xí)之后能對GPS系統(tǒng)有清晰的認(rèn)知；另一方面，也要結(jié)合專業(yè)知識(shí)突出重點(diǎn)，使學(xué)生明白專業(yè)課的知識(shí)是如何在GPS系統(tǒng)中得到具體應(yīng)用和體現(xiàn)的。

電子專業(yè)類知識(shí)體系可簡單包括兩個(gè)大類。一是數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)知識(shí)類包括高等數(shù)學(xué)（涵蓋微積分、線性代數(shù)、概率論、數(shù)學(xué)物理方法等）和大學(xué)物理（涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、量子力學(xué)，原子物理等）兩大部分；二是學(xué)科和專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，由四個(gè)核心內(nèi)容作為主線，分別是電路與電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與應(yīng)用、信號(hào)與系統(tǒng)、電磁場與波。電子類專業(yè)課大部分可以歸于這四類，鑒于篇幅不一一枚舉。GPS知識(shí)體系中有一部分作為知識(shí)背景和原理基礎(chǔ)的，如GPS發(fā)展史、各種時(shí)間和空間坐標(biāo)體系等內(nèi)容雖然不隸屬于電子類專業(yè)知識(shí)，但是對于理解GPS系統(tǒng)不可或缺，因此在教學(xué)中不可偏廢。不同于測繪專業(yè)教學(xué)中著重GPS“測”與“用”的內(nèi)容，電子類專業(yè)應(yīng)該注重GPS知識(shí)體系中與專業(yè)知識(shí)相結(jié)合的地方。在GPS系統(tǒng)中，信號(hào)體制、信號(hào)產(chǎn)生和調(diào)制、信號(hào)傳播以及信號(hào)接收和解碼占有重要地位，而且這一部分內(nèi)容在電子類專業(yè)知識(shí)中有高度體現(xiàn)。以下把這些知識(shí)點(diǎn)做一些基本的整理，供電子類專業(yè)GPS教學(xué)教師參考。

衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)知識(shí)，涵蓋微分方程、空間解析幾何，力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等內(nèi)容。

GPS衛(wèi)星信號(hào)體制保證了GPS系統(tǒng)的高精度和抗干擾性，這一部分重點(diǎn)涵蓋了電子類的專業(yè)知識(shí)。重要的知識(shí)點(diǎn)包括：

1.偽隨機(jī)碼的特點(diǎn)和產(chǎn)生，涉及概率論及信號(hào)與系統(tǒng)中的自（互）相關(guān)函數(shù)、數(shù)字邏輯電路中的線性移位寄存器等知識(shí)點(diǎn)。

2.衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制與復(fù)用技術(shù)，涉及通信原理中的二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制、碼分復(fù)用、頻分復(fù)用以及擴(kuò)頻通信等概念。

3.衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)域頻域特征，涉及信號(hào)與系統(tǒng)中的諸多內(nèi)容，比如線性系統(tǒng)、卷積、傅立葉變換、功率譜、帶寬，白噪聲等知識(shí)。

4.衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射、傳播與接收，涉及電磁場理論、電波傳播、微波原理、天線原理等課程。重要的知識(shí)點(diǎn)，如信噪比、天線定向性與增益、天線類型特點(diǎn)、群速度、相速度、多普勒效應(yīng)，色散效應(yīng)、多徑效應(yīng)等。這其中，無線電波在電離層中的傳播理論是GPS接收機(jī)利用雙頻信號(hào)修正電離層延遲誤差的理論依據(jù)，利用這個(gè)知識(shí)點(diǎn)展開，可以在教學(xué)中更加體現(xiàn)武漢大學(xué)電子信息學(xué)院空間物理、無線電物理學(xué)科背景與特色。

5.衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、捕捉、調(diào)整、采樣與解調(diào)，涉及變頻電路、頻率合成電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、鎖相環(huán)等模擬電路/數(shù)字電路以及信號(hào)與系統(tǒng)課程的知識(shí)點(diǎn)。

6.接收機(jī)信號(hào)讀取與計(jì)算，涉及計(jì)算機(jī)及程序設(shè)計(jì)、串口通信、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼、最小二乘法等知識(shí)內(nèi)容。

以上這些知識(shí)點(diǎn)，都是電子類專業(yè)知識(shí)在實(shí)現(xiàn)GPS系統(tǒng)中的重要體現(xiàn)。電子類專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)時(shí)，往往覺得理論艱澀，不知實(shí)際中有何運(yùn)用。而在GPS課程中，講清楚這些內(nèi)容，可讓學(xué)生明白所學(xué)的專業(yè)知識(shí)在現(xiàn)實(shí)世界中活生生的運(yùn)用。

四、結(jié)束語

GPS知識(shí)體系涵蓋的內(nèi)容很廣，不僅僅只局限于以上這些內(nèi)容，輕重取舍都需要結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮。在電子類專業(yè)引入GPS課程，任課教師需要仔細(xì)歸納與分析，讓GPS教學(xué)體現(xiàn)專業(yè)特色，讓學(xué)生把專業(yè)課知識(shí)與GPS知識(shí)結(jié)合起來，既有助于學(xué)生對專業(yè)知識(shí)的理解，也有助于擴(kuò)展學(xué)生的視野，啟發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，達(dá)到人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

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