基于虛實(shí)結(jié)合的海警艦艇北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)探索

楊玉峰　馮明奎

摘? 要 通過(guò)北斗導(dǎo)航實(shí)裝實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展基本操作技能訓(xùn)練，提高學(xué)員的基本操作能力;依托模擬器實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，有效提升學(xué)員綜合實(shí)訓(xùn)能力。分別采用案例法、實(shí)驗(yàn)比較法等開(kāi)展北斗導(dǎo)航原理教學(xué)、數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)分析，有效提升學(xué)員的創(chuàng)新能力和學(xué)術(shù)思維，向能打仗打勝仗能力聚焦。

關(guān)鍵詞 北斗導(dǎo)航系統(tǒng);實(shí)踐教學(xué);模擬器;海警;實(shí)驗(yàn)室

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）16-0140-03

Exploration of Practical Teaching of Beidou Navigation System of Maritime Police Ship based on Virtual and Real Equipment//YANG Yufeng， FENG Mingkui

Abstract Carry out basic operation skills training through the Beidou

Navigation Lab to improve the basic operation ability of the students;

rely on the simulator laboratory to design more complicated training projects to effectively improve the students comprehensive training ability. The case method and experimental comparison method were used to carry out the teaching of Beidou Navigation principles and experimental analysis of data collection， which effectively improved the students innovative ability and academic thinking， and focused on the ability to fight and win.

Key words Beidou Navigation System; practical teaching; simulator;?maritime police; lab

1 前言

目前，海警艦艇指揮與技術(shù)專(zhuān)業(yè)及航海技術(shù)專(zhuān)業(yè)在開(kāi)展北斗導(dǎo)航系統(tǒng)教學(xué)時(shí)主要依托實(shí)驗(yàn)室實(shí)裝設(shè)備開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，但受制于實(shí)裝設(shè)備短缺、實(shí)裝實(shí)踐項(xiàng)目單一等因素的制約，綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目難以開(kāi)展。如果全面采用實(shí)裝設(shè)備開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，需要購(gòu)置大量的裝備器材，既占用大量的教學(xué)經(jīng)費(fèi)又無(wú)必要[1]。教學(xué)經(jīng)費(fèi)等問(wèn)題限制了實(shí)裝實(shí)踐教學(xué)全面開(kāi)展，需要采取實(shí)裝加虛擬的思路建設(shè)海警艦艇北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室來(lái)滿(mǎn)足學(xué)員實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

2 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)分析

在北斗系統(tǒng)布局之前，無(wú)論是軍用還是民用導(dǎo)航系統(tǒng)，大多采用GPS系統(tǒng)。由于美國(guó)采用的SA技術(shù)，在軍事沖突中很有可能修改某一特定海域的導(dǎo)航定位參數(shù)，從而使沖突方的武器系統(tǒng)失靈，甚至火力指向友鄰部隊(duì)。為了打破這一空間壟斷，消除影響國(guó)防安全的重大隱患，國(guó)家從1994年開(kāi)始建設(shè)北斗系統(tǒng)，2009年開(kāi)始建設(shè)北斗三號(hào)，到2020年，35顆衛(wèi)星全球覆蓋，提供全球定位能力。作為全球僅有的四套全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)之一，北斗系統(tǒng)為海警艦艇維權(quán)執(zhí)法活動(dòng)提供了強(qiáng)有力的導(dǎo)航定位和通信服務(wù)。因此，建立一個(gè)功能完善、技術(shù)含量高、硬件和軟件設(shè)備先進(jìn)的適應(yīng)北斗定位導(dǎo)航特點(diǎn)的北斗導(dǎo)航實(shí)裝實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)員實(shí)踐技能、完善航海人才培養(yǎng)體系是必不可少的[2]。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在教學(xué)中屬于航海儀器課程的重要內(nèi)容之一，主要功能有航線(xiàn)設(shè)計(jì)、航路點(diǎn)設(shè)置、錨位報(bào)警設(shè)置、海圖目標(biāo)查詢(xún)、短信息通信等，為其他通信導(dǎo)航設(shè)備提供位置信息，使艦船AIS、雷達(dá)設(shè)備能夠在維權(quán)執(zhí)法中識(shí)別目標(biāo)，為艦船通信設(shè)備提供位置信息，在艦船遇險(xiǎn)時(shí)提供實(shí)時(shí)位置信息，為海警搜救遇險(xiǎn)船舶或人員提供信息保障。

1）案例教學(xué)激發(fā)學(xué)員積極探索的潛能。為便于學(xué)員形象理解北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成及定位原理，在艦艇導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備掛圖，教員依托掛圖采用啟發(fā)式教學(xué)探討船舶確定位置的方法、空間衛(wèi)星的布局情況、地面站與衛(wèi)星之間的交互。以馬航失聯(lián)作為案例教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)員探討馬航如果使用北斗定位能否被搜救成功。這種結(jié)合最新實(shí)戰(zhàn)案例開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)的方法，極大激發(fā)了學(xué)員積極探索、勇于創(chuàng)新的熱情。經(jīng)過(guò)分組后，每組成員分工協(xié)作，有的查找案例的最新搜救過(guò)程;有的根據(jù)定位原理建立數(shù)學(xué)模型，嘗試在海洋環(huán)境中進(jìn)行目標(biāo)漂流軌跡預(yù)測(cè);有的結(jié)合全球遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)課程中應(yīng)急無(wú)線(xiàn)電示位標(biāo)定位原理，分析失聯(lián)飛機(jī)位置的可能性。經(jīng)過(guò)小組研討形成分析報(bào)告，小組長(zhǎng)輪流發(fā)言，比較各小組的分析報(bào)告，進(jìn)行評(píng)估和點(diǎn)評(píng)，作為實(shí)踐教學(xué)成績(jī)的一部分。

2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析比較北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的優(yōu)劣。為深入分析北斗系統(tǒng)接收機(jī)與衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)交互過(guò)程，采用實(shí)驗(yàn)法開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)。材料準(zhǔn)備：北斗開(kāi)發(fā)板、電腦、9孔串口線(xiàn)、電源。北斗實(shí)驗(yàn)電路板接口：接口要確保主設(shè)備與北斗開(kāi)發(fā)板北斗/GPS UM220模塊管腳信號(hào)、波特率對(duì)應(yīng)一致，在實(shí)驗(yàn)中所使用的波特率為19 600[3]。天線(xiàn)接口需要天線(xiàn)線(xiàn)路盡量短且順暢，避免走銳角。操作時(shí)注意：一是使用VCC電源供電，將220 V電源轉(zhuǎn)化為12 V供給北斗開(kāi)發(fā)板;二是將模塊GND引腳接地;三是連接GNSS_ANT信號(hào)至天線(xiàn)，注意線(xiàn)路50歐姆阻抗匹配;四是確保串口3輸出。

硬件安裝時(shí)確保做好充分的防靜電措施，如防靜電手環(huán)、工作臺(tái)表面接地等。打開(kāi)北斗開(kāi)發(fā)板北斗/GPS UM220評(píng)估套件，取出評(píng)估板;選擇增益適當(dāng)?shù)腉NSS天線(xiàn)，在非遮擋區(qū)域?qū)⑵涔潭ê茫褂眠m線(xiàn)和北斗/GPS UM220評(píng)估板連接;使用串口線(xiàn)連接計(jì)算機(jī)至北斗開(kāi)發(fā)板EVK端的串口;給板卡供電，對(duì)北斗/GPS UM220進(jìn)行初始化[4];打開(kāi)電腦上的接收信號(hào)軟件，通過(guò)接收信號(hào)軟件控制接收機(jī)，顯示星座視圖、消息及接收機(jī)狀態(tài)等。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析? 北斗/GPS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。數(shù)據(jù)每一行最多可顯示四個(gè)衛(wèi)星的情況。這里只分析GPGSV（GPS的情況）和BDGSV（北斗的情況）。每一行的第一個(gè)數(shù)字是接收到的消息數(shù)[5]，第二個(gè)數(shù)字是接收到的消息編號(hào)，第三個(gè)數(shù)字是定位所使用的衛(wèi)星個(gè)數(shù)，第四個(gè)數(shù)字是第一顆衛(wèi)星的編號(hào)，第五個(gè)數(shù)字是衛(wèi)星仰角，第六個(gè)數(shù)字是衛(wèi)星的方位角，第七個(gè)數(shù)字是衛(wèi)星的載噪比，以后每四個(gè)數(shù)字表示下一顆衛(wèi)星的情況，*后的數(shù)據(jù)為校驗(yàn)和。

如第一行數(shù)據(jù)：

$BDGSV，3，1，12，161，49，146，47，162，33，240，40，163，51，200，51，164，35，122，37*63

由BDGSV可知顯示的是北斗的情況，3是接收到的消息數(shù)是3條，1表示第一條消息，12是共接收到12顆衛(wèi)星，161是第一顆衛(wèi)星的編號(hào)，49是衛(wèi)星的仰角，146是衛(wèi)星的方位角，47是衛(wèi)星的載噪比，接下去的四個(gè)數(shù)據(jù)是第二顆衛(wèi)星的情況，然后是第三顆、第四顆衛(wèi)星的情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最后轉(zhuǎn)換成船位坐標(biāo)顯示出來(lái)[6]。定位位置和衛(wèi)星分布比較如圖2所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)比較分析，學(xué)員對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)更加深入和透徹。對(duì)定位位置的不確定性原因進(jìn)行分析和探討，通過(guò)比較分析，北斗系統(tǒng)相比GPS系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)。

一是安全保密性強(qiáng)。北斗是我國(guó)自主研發(fā)的系統(tǒng)，使用不受任何限制，具有信源保密功能，抗干擾能力強(qiáng)，可防止非法侵入，安全、可靠、穩(wěn)定。

二是具有短消息通信功能。它同時(shí)具備定位與短信功能，這在海警維權(quán)執(zhí)法活動(dòng)中具有較好的優(yōu)勢(shì)。

三是覆蓋范圍較大，幾乎沒(méi)有通信盲區(qū)。北斗系統(tǒng)信號(hào)覆蓋了我國(guó)及周邊國(guó)家和地區(qū)，不僅能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需要，也可為周邊國(guó)家和地區(qū)服務(wù);未來(lái)全球覆蓋，可以為全球用戶(hù)提供服務(wù)。

實(shí)驗(yàn)法和比較法教學(xué)有效啟發(fā)了學(xué)員的學(xué)術(shù)思維，在畢業(yè)論文和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)員使用采集到的北斗和GPS真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)一步拓展應(yīng)用到設(shè)計(jì)的其他軟件系統(tǒng)中。

3 虛實(shí)結(jié)合的北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)探索

北斗導(dǎo)航儀實(shí)裝設(shè)備與模擬教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)? 實(shí)驗(yàn)室中使用北斗導(dǎo)航儀開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)存在一些不足，比如臺(tái)套數(shù)不足，限制了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率，一個(gè)40人的教學(xué)區(qū)隊(duì)不得不分批實(shí)作。在開(kāi)展綜合性實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目時(shí)，與其他實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備還做不到互聯(lián)互通，實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)項(xiàng)目難以開(kāi)展。另外，實(shí)驗(yàn)室中裝配的北斗導(dǎo)航儀是固定不動(dòng)的，基于本船的導(dǎo)航訓(xùn)練無(wú)法開(kāi)展，與艦艇上的北斗導(dǎo)航儀訓(xùn)練在效果上還有差距，急需移動(dòng)式北斗模擬器開(kāi)展接近實(shí)戰(zhàn)的導(dǎo)航訓(xùn)練、航行監(jiān)控訓(xùn)練等。得益于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真技術(shù)的快速發(fā)展，研制北斗模擬器系統(tǒng)已經(jīng)成為可能，在海警艦艇綜合仿真系統(tǒng)中作為艦橋?qū)Ш絻x器之一，為電子海圖、雷達(dá)、AIS、GMDSS模擬器等提供位置信息和導(dǎo)航信息。操縱艦艇模擬器開(kāi)展航行訓(xùn)練，在電子海圖上完成航行狀態(tài)監(jiān)控，在北斗導(dǎo)航模擬器海圖上可以對(duì)執(zhí)法對(duì)象進(jìn)行搜索、識(shí)別、查證，以快速識(shí)別目標(biāo)。

北斗導(dǎo)航儀實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)? 采用實(shí)裝設(shè)備和模擬器設(shè)備可以完成三個(gè)層次的實(shí)踐教學(xué)。

一是在實(shí)驗(yàn)室實(shí)裝設(shè)備上進(jìn)行北斗單一技能訓(xùn)練，比如開(kāi)機(jī)、界面參數(shù)講解、各個(gè)按鈕基本操作、菜單設(shè)置等，有效促進(jìn)學(xué)員基本操作能力的提升。

二是在艦艇綜合仿真系統(tǒng)中開(kāi)展較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。在模擬器中設(shè)計(jì)狹水道航行訓(xùn)練，根據(jù)艦艇航跡的偏離度設(shè)置航跡偏差報(bào)警、障礙物避險(xiǎn)報(bào)警等，正確引導(dǎo)艦艇按計(jì)劃航線(xiàn)航行。自動(dòng)舵根據(jù)北斗提供的位置信息及轉(zhuǎn)向點(diǎn)信息自動(dòng)引導(dǎo)艦艇保持航向和改變航向。在錨泊模擬訓(xùn)練時(shí)，同時(shí)開(kāi)展錨泊報(bào)警功能設(shè)置訓(xùn)練，通過(guò)設(shè)定錨位點(diǎn)及報(bào)警半徑，對(duì)錨位實(shí)施全時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)預(yù)防走錨事故發(fā)生。通過(guò)模擬器教學(xué)，有效提高學(xué)員較復(fù)雜實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)能力。

在實(shí)習(xí)艦艇上開(kāi)展實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練項(xiàng)目教學(xué)

1）利用北斗的短信息通信功能開(kāi)展艦船之間的協(xié)商避碰訓(xùn)練。艦艇和船舶之間在航行會(huì)遇時(shí)一般都要遵守避碰規(guī)則，但在多船會(huì)遇或船舶動(dòng)態(tài)不明時(shí)，一般采用甚高頻設(shè)備及時(shí)溝通進(jìn)行協(xié)商避碰，以保持艦船航行安全。在采用語(yǔ)音協(xié)商避碰時(shí)，存在語(yǔ)言不通或語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量差等影響協(xié)商效果，構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)，這時(shí)采用短信息協(xié)商避碰，提供了一種有效途徑。學(xué)員實(shí)習(xí)時(shí)，可以開(kāi)展艦艇編隊(duì)之間的協(xié)商避碰訓(xùn)練，也可以與其他會(huì)遇船舶進(jìn)行短信息協(xié)商避碰。

2）設(shè)計(jì)短信息遇險(xiǎn)報(bào)警訓(xùn)練教學(xué)[7]。想定實(shí)習(xí)船舶發(fā)生險(xiǎn)情，利用北斗短信息向?qū)嶒?yàn)室北斗接收機(jī)發(fā)送遇險(xiǎn)報(bào)警信息，實(shí)驗(yàn)室可以承擔(dān)北斗指揮中心功能，進(jìn)行遇險(xiǎn)組織指揮訓(xùn)練教學(xué)。通過(guò)實(shí)習(xí)艦艇與實(shí)驗(yàn)室北斗系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，有效提升學(xué)員的組織指揮實(shí)戰(zhàn)能力。

3）基于海警艦艇維權(quán)執(zhí)法中航線(xiàn)設(shè)計(jì)、航海監(jiān)控等實(shí)戰(zhàn)教學(xué)需求，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室北斗導(dǎo)航儀實(shí)裝設(shè)備單一技能實(shí)訓(xùn)。為提高實(shí)踐教學(xué)效率，解決較為復(fù)雜的綜合性訓(xùn)練項(xiàng)目設(shè)計(jì)，在艦艇綜合仿真系統(tǒng)中使用北斗導(dǎo)航模擬器設(shè)計(jì)狹水道航行監(jiān)控模擬、錨泊模擬訓(xùn)練等。為檢驗(yàn)仿真訓(xùn)練效果，在艦艇開(kāi)展實(shí)習(xí)時(shí)，實(shí)習(xí)艦艇與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行短信息通信教學(xué)。這種虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，促進(jìn)了學(xué)員由單一技能向綜合性、創(chuàng)新型指揮能力的轉(zhuǎn)變，更加適應(yīng)海警部隊(duì)的快速反應(yīng)能力及實(shí)戰(zhàn)能力需求。

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*項(xiàng)目來(lái)源：武警部隊(duì)教學(xué)成果培育項(xiàng)目“海警艦艇指揮仿真系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)用”;海警學(xué)院中心團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“海警艦艇機(jī)動(dòng)與戰(zhàn)術(shù)指揮仿真系統(tǒng)”（基金編號(hào)：2018ZXTDB21）;科研基金項(xiàng)目“海警艦艇編隊(duì)維權(quán)方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估”（基金編號(hào)：2019JSLY06）。

作者：楊玉峰，武警海警學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)榕炌е笓];馮明奎，武警海警學(xué)院，教授，研究方向?yàn)榕炌е笓]（315801）。