北斗GNSS導(dǎo)航信號(hào)處理課程教學(xué)改革初探

鄭昱　張竹嫻　馮璐　吳鵬

[摘? ? ? ? ? ?要]? 針對(duì)GNSS導(dǎo)航信號(hào)處理教學(xué)中遇到的學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確、公式繁瑣導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高等問題，提出了結(jié)合生活實(shí)際的理論教學(xué)方法以及基于GNSS模擬信號(hào)發(fā)生儀的問題探究式教學(xué)法和實(shí)踐教學(xué)法，從教學(xué)設(shè)備、教學(xué)方法以及課程評(píng)價(jià)機(jī)制等三個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了課程的教學(xué)效果。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? GNSS;模擬信號(hào)發(fā)生儀;學(xué)習(xí)興趣;教學(xué)效果

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）34-0070-02

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System），是面向全球發(fā)送導(dǎo)航與定位信號(hào)并提供相應(yīng)服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)。到2020年，美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO和我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等GNSS系統(tǒng)將建成或完成現(xiàn)代化改造。在我國，北斗產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性和基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，并且國內(nèi)具備了北斗系統(tǒng)核心技術(shù)研發(fā)能力、建設(shè)運(yùn)營能力和產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)。因此，開展北斗GNSS系統(tǒng)的相關(guān)教學(xué)研究，將有助于推動(dòng)北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，推動(dòng)北斗產(chǎn)業(yè)更好地?fù)?dān)負(fù)起支撐國防建設(shè)、推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步以及服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重任。

目前，北斗GNSS技術(shù)的研發(fā)正在如火如荼地開展，典型的有載波相位差分定位技術(shù)（RTK，Real-time kinematic）、精密單點(diǎn)定位（PPP，Precise Point Positioning）算法以及多徑抑制（multi-path mitigation）技術(shù)等。正因?yàn)楸倍稧NSS技術(shù)已滲透于我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，為了使學(xué)生跟上時(shí)代潮流，掌握該項(xiàng)技術(shù)，長沙學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院的通信工程專業(yè)近些年開設(shè)了北斗導(dǎo)航原理與信號(hào)處理這門選修課。但是，由于該門課專業(yè)性非常強(qiáng)，且教材中以及理論教學(xué)中包含了眾多的復(fù)雜數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，這導(dǎo)致了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，上課打瞌睡、玩手機(jī)現(xiàn)象較嚴(yán)重。通過一段時(shí)間的教學(xué)與反思，個(gè)人認(rèn)為總結(jié)與探討教學(xué)中存在的問題，讓學(xué)生真正意識(shí)到該課程的重要性，掌握北斗GNSS導(dǎo)航信號(hào)處理的基本原理與方法，提高課程的教學(xué)效果，為今后的各種應(yīng)用做準(zhǔn)備是非常有必要的。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀以及存在的問題

（一）教學(xué)現(xiàn)狀

目前，該課程的學(xué)習(xí)只是基于傳統(tǒng)的課堂講授式模式來進(jìn)行的，其中，適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合板書以及多媒體PPT。主要講解北斗GNSS系統(tǒng)組成、北斗衛(wèi)星信號(hào)的生成與調(diào)制方式、北斗信號(hào)的捕獲、跟蹤以及解碼過程、北斗定位的基本原理、影響北斗定位精度的因素等內(nèi)容。該課程的純理論闡述對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求比較高。課程考核方式采用的是傳統(tǒng)的閉卷考試方式，其中考試成績占80%，考勤占10%，平時(shí)書面作業(yè)占10%。

（二）存在的問題

在現(xiàn)階段該門課的教學(xué)過程中，還存在以下幾個(gè)主要的問題。

1.教學(xué)過程中未能充分體現(xiàn)學(xué)習(xí)北斗GNSS相關(guān)技術(shù)的意

義。本課程現(xiàn)階段直接從講授北斗系統(tǒng)的組成以及信號(hào)生成機(jī)制開始，未能很好地體現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用，學(xué)生無法結(jié)合生活實(shí)例來從系統(tǒng)的角度對(duì)該課程進(jìn)行認(rèn)識(shí)，對(duì)該門課的學(xué)習(xí)目的不明確。

2.由于北斗GNSS的相關(guān)理論比較枯燥，現(xiàn)階段的授課中包含許多的數(shù)學(xué)模型以及公式演算、推導(dǎo)。因此，單純地通過理論授課進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣往往都不是很高，經(jīng)常注意力不集中，很多學(xué)生上課打瞌睡、玩手機(jī)或者做其他與課堂無關(guān)的事。

3.目前，該課程未設(shè)置實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，很多學(xué)生不知道如何運(yùn)用所學(xué)到的理論知識(shí)去解決工程應(yīng)用中的相關(guān)問題。

4.考核機(jī)制過于強(qiáng)調(diào)卷面成績，很多學(xué)生只是為了考試能得高分而努力學(xué)習(xí)本課程。

二、課程教學(xué)改革方法

經(jīng)過一段時(shí)間的北斗導(dǎo)航原理與信號(hào)處理課程教學(xué)、與學(xué)生之前的交流以及與國內(nèi)外同行專家之間的交流，初步提出以下教學(xué)改革方法。

（一）為了更加明確學(xué)生對(duì)這門課學(xué)習(xí)的意義，除了原理與基本知識(shí)的講解之外，還將結(jié)合生活實(shí)際，分析北斗技術(shù)給日常生活帶來的便利

比如，在講到北斗GNSS載波相位跟蹤算法的時(shí)候，可以結(jié)合導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行橋梁或建筑形變檢測(cè)的機(jī)制進(jìn)行闡述。具體的，改革后的課程將闡述如下知識(shí)：在橋梁或建筑上的主要觀測(cè)點(diǎn)架

設(shè)天線以長時(shí)間接收北斗GNSS信號(hào)，通過對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行載波跟蹤算法處理，提取觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的載波值，根據(jù)載波值的變化，以判定該觀測(cè)時(shí)間內(nèi)橋梁形變程度是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。此外，還將適時(shí)介紹北斗應(yīng)用方面的最新技術(shù)，例如北斗信號(hào)在土壤濕度、植被覆蓋率檢測(cè)方面的應(yīng)用。這樣，學(xué)生就更能明確掌握北斗GNSS技術(shù)的重要意義，從而更新對(duì)該課程的認(rèn)識(shí)，更易激發(fā)學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的熱情。

（二）在講授復(fù)雜的算法與公式的時(shí)候，除了板書推導(dǎo)，還擬引入虛擬教學(xué)仿真儀器進(jìn)行演示，幫助學(xué)生更好更快地理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，使枯燥的理論知識(shí)變得生動(dòng)

比如，引進(jìn)北斗信號(hào)模擬儀。在講解北斗衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生的內(nèi)容的時(shí)候，通過模擬發(fā)生儀，形象而生動(dòng)地展示信號(hào)的偽隨機(jī)碼、導(dǎo)航數(shù)據(jù)以及載波是如何產(chǎn)生的，產(chǎn)生后它們之間通過何種關(guān)系，形成衛(wèi)星發(fā)送端的調(diào)制信號(hào);在無線信道的傳播過程中，通過北斗模擬儀設(shè)置相應(yīng)的場(chǎng)景，展示信號(hào)在各種場(chǎng)景下如何衰減，會(huì)產(chǎn)生何種誤差。在接收端，展示北斗信號(hào)如何進(jìn)行降頻處理，如何通過捕獲、跟蹤、解碼以達(dá)到目標(biāo)定位的目的。通過模擬信號(hào)發(fā)生儀，不僅學(xué)生的興趣能夠得到較大的提升，而且，學(xué)生能夠更好地理解課本中數(shù)學(xué)模型所對(duì)應(yīng)的過程，提升學(xué)習(xí)的效率。

（三）理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生在北斗GNSS方面的工程能力及問題探究能力

在教學(xué)過程中，設(shè)置北斗定位應(yīng)用時(shí)常見的工程問題，例如在弱信號(hào)場(chǎng)景下的捕獲和跟蹤，如何減小多徑干擾的負(fù)面影響等。首先，在理論教學(xué)方面介紹解決這些問題的基本思路，然后組織相關(guān)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，基于北斗信號(hào)模擬儀設(shè)置相應(yīng)的弱信號(hào)以及多徑干擾等場(chǎng)景，依據(jù)基本思路編寫相應(yīng)的程序，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證這些方法的可行性以及有效性。此外，在教學(xué)過程中，還將定期組織學(xué)生參觀湖南省的北斗產(chǎn)業(yè)園，同產(chǎn)業(yè)園的工程師進(jìn)行交流，以了解北斗技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)以及相關(guān)的最新產(chǎn)品。

（四）改進(jìn)課程考核機(jī)制

除了卷面成績、考勤與平時(shí)作業(yè)之外，還擬將學(xué)生的課程參與度以及實(shí)踐教學(xué)中問題解決情況納入總成績考慮因素。本課改擬提出如下機(jī)制，平時(shí)作業(yè)+考勤占10%，課堂虛擬演示時(shí)互動(dòng)與參與度占10%，實(shí)踐教學(xué)中對(duì)工程問題的解決情況占20%，與企業(yè)工程師交流之后的心得報(bào)告占10%，期末考試卷面成績占50%。與此同時(shí)，本課改還提出了競(jìng)賽推動(dòng)教學(xué)的模式，鼓勵(lì)專業(yè)基礎(chǔ)較好的學(xué)生參加北斗相關(guān)的競(jìng)賽，從競(jìng)賽中鍛煉能力，并且制定競(jìng)賽的名次置換課程考核項(xiàng)目的機(jī)制。這樣，有助于改變學(xué)生只是為考試而學(xué)習(xí)的心態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，真正達(dá)到高質(zhì)量人才培養(yǎng)的目的。

三、教學(xué)反饋與效果評(píng)價(jià)

教學(xué)效果主要從學(xué)生對(duì)該門課的認(rèn)識(shí)、積極性、相關(guān)工程能力的培養(yǎng)以及同專業(yè)教師的評(píng)價(jià)幾方面進(jìn)行評(píng)估。課改之后，筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)該門課的學(xué)習(xí)目的有了更加清晰的認(rèn)識(shí)，學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到了充分的調(diào)動(dòng)。與此同時(shí)，通過北斗信號(hào)模擬儀，學(xué)生的課堂積極性得到了大幅度提升，改變了之前上課時(shí)候打瞌睡、玩手機(jī)的狀態(tài)。并且，學(xué)生對(duì)其中復(fù)雜數(shù)學(xué)模型所代表的物理意義也有了更高層次的理解。此外，通過實(shí)踐教學(xué)以及與企業(yè)工程師的交流，大部分學(xué)生能夠較好地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決北斗導(dǎo)航工程應(yīng)用方面的實(shí)際問題，例如多徑信號(hào)干擾、電離層散射等。并且，通過參加學(xué)科競(jìng)賽，基礎(chǔ)較好的學(xué)生的創(chuàng)新能力也得到了進(jìn)一步的提升。本課改的方案得到了本校以及外校通信工程專業(yè)教師的認(rèn)可，通過理論以及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的聽課，對(duì)課改取得的效果進(jìn)行了較高的評(píng)價(jià)。

四、結(jié)束語

本文基于在北斗導(dǎo)航原理與信號(hào)處理課程教學(xué)中遇到的問題，從激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性、理論聯(lián)系實(shí)際、北斗信號(hào)模擬器演示導(dǎo)航與定位的系統(tǒng)流程、培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力以及課程的更新考核標(biāo)準(zhǔn)等幾個(gè)方面進(jìn)行了課程教學(xué)的改革。教學(xué)方式更加多樣化、生動(dòng)化，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性也得到了較好的提升。

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◎編輯 馬燕萍