面向農(nóng)業(yè)院校的GNSS導(dǎo)航與定位原理課程教學(xué)改革探討

郝瀧 崔玉環(huán) 高祥

摘 要：隨著北斗全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的正式開通運行以及計算機技術(shù)的快速發(fā)展，對GNSS導(dǎo)航與定位原理課程的理論和實踐教學(xué)都提出了更高的要求。因此，充分了解我國新時代國家建設(shè)需求的背景下對導(dǎo)航定位人才的要求，建立完善的課程教學(xué)內(nèi)容和策略，對該課程的教學(xué)內(nèi)容和方式的改革刻不容緩。該文從理論知識、實踐技能、數(shù)據(jù)處理和專題內(nèi)容講演等方面改革進行了探討，建立了全面的教學(xué)設(shè)計方案，提升了學(xué)生對課程的全面掌握程度，為測繪工程相關(guān)專業(yè)課程改革提供參考。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航與定位;GNSS;北斗系統(tǒng);農(nóng)業(yè)院校;教學(xué)改革

中圖分類號 G642.0 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）21-0175-04

Abstract： The Beidou Navigation Satellite System has been fully officially opened and the computer science technology has also been rapidly developed， which brings forward a higher request to the reform of the theory and practice teaching for the development of the GNSS navigation and positioning principle. Therefore， a better understanding for the requirements of navigation and positioning talents can promoting China’s stable and rapid development. In this study， the theoretical knowledge teaching， practical skill， data processing and special topic presentation have been integrated discussed， thus a comprehensive teaching design scheme has been established. The teaching design can improve the teaching effective， but also provides experiences for other courses’ reform.

Key words： Navigation and Positioning; GNSS; Beidou System; Agricultural University; Teaching reform

2020年6月23日，中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功點火升空，這標(biāo)志著北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提前半年完成星座部署計劃;7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。目前已形成了美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo和中國BDS四大主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System， 簡稱GNSS）。此外，包括日本的QZSS和印度的IRNSS區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也都在建設(shè)中。GNSS技術(shù)是目前導(dǎo)航與定位服務(wù)領(lǐng)域需求和應(yīng)用最大的，對技術(shù)要求最高，同時也是目前發(fā)展最快的技術(shù)，已經(jīng)在包括軍事、通信、交通運輸、資源調(diào)查和災(zāi)害監(jiān)測等多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

GNSS導(dǎo)航與定位原理是測繪工程專業(yè)的基礎(chǔ)和核心課程，具有較強的理論性和實踐性[2，8]，學(xué)生對本課程的掌握和認知程度對于測繪專業(yè)人才的培養(yǎng)及測繪領(lǐng)域的長遠發(fā)展具有重要的意義[3]。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)作為農(nóng)林領(lǐng)域的高校，測繪工程專業(yè)設(shè)立時間不久，開設(shè)GNSS導(dǎo)航與定位原理課程只有數(shù)年。測繪工程專業(yè)開設(shè)課程在測繪科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，應(yīng)當(dāng)充分融入農(nóng)林領(lǐng)域和安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)的特色，將測繪科學(xué)技術(shù)的特點充分發(fā)揮出來。隨著我國的北斗全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)全球組網(wǎng)及開通，使得以美國GPS系統(tǒng)為主要講演對象的導(dǎo)航與定位系統(tǒng)課程的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容更新滯后，未及時將最新的導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)知識納入教學(xué)體系。由于該課程需要較多的理論基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，對于高等數(shù)學(xué)、誤差理論和測量平差以及大地測量學(xué)課程的掌握程度要求較高。除此之外，該課程理論知識涉及范圍較廣，但實際上課程設(shè)置又無法與實踐有機銜接，從而會影響學(xué)生對該課程的掌握和應(yīng)用程度。基于GNSS導(dǎo)航與定位原理課程的教學(xué)情況，本文對該課程的教學(xué)現(xiàn)狀、改革必要性及改革措施進行了相應(yīng)的探討。

1 GNSS導(dǎo)航與定位原理課程教學(xué)現(xiàn)狀

作為一門對理論和實踐都具有較高要求的課程，學(xué)好GNSS導(dǎo)航與定位原理這門課程除了要理解和掌握課程體系的理論知識之外，對于工程應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理也有較高的要求，但從教學(xué)效果方面來看的話，不論是理論學(xué)習(xí)還是實驗操作仍存在不少問題。特別是隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展和利用導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)展開不同科學(xué)領(lǐng)域的理論研究，這些客觀條件使得對導(dǎo)航定位人才的較高需求。目前，在課程教學(xué)中廣泛存在的這些問題，嚴重阻礙了我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的良好發(fā)展。

雖然經(jīng)過對課程的不斷摸索和改進，測繪工程專業(yè)的學(xué)生對GNSS導(dǎo)航與定位原理的學(xué)習(xí)積極主動性及接受效果有所提升，但在目前的教學(xué)與實踐中仍存在若干問題。其中，最為顯著的問題體現(xiàn)在對理論知識掌握的欠缺及實踐技能的綜合提升2個方面。

1.1 理論知識的分解與融合 由于課程性質(zhì)的影響，GNSS導(dǎo)航與定位原理課程的知識點繁多，但是學(xué)生對相應(yīng)的知識點的理解不夠深入，往往局限在對字面含義的認知，且容易將課程不同的理論知識的混淆。譬如，無法區(qū)分差分定位方法與基本定位方法之間的區(qū)別;電離層延遲誤差及對流層延遲誤差改正等。在教學(xué)過程中從理論結(jié)構(gòu)上，通?？梢詫⒃撜n程的知識框架分為初級、中級和高級3個層級，如圖1所示。但對于本科生來說，要真正能形成一個比較完整的導(dǎo)航與定位的知識框架實際并不容易。想要有一個系統(tǒng)的專業(yè)框架，學(xué)生應(yīng)對該課程的理論知識掌握至少應(yīng)該達到“中級”，但是目前的教學(xué)內(nèi)容通常僅能使得學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)處于“初級”。因此，在教學(xué)改革的實踐中，應(yīng)予以大膽革新，才能逐步使學(xué)生對知識的掌握在“中級”的基礎(chǔ)上，向“高級”過渡。而實現(xiàn)由“中級”到“高級”的過渡的關(guān)鍵則是如何將瑣碎的“初級”知識點有機融合，從而進階到“中級”和“高級”。

1.2 實踐技能的綜合運用 實踐教學(xué)對于培養(yǎng)測繪人才掌握導(dǎo)航定位實踐能力和擁有創(chuàng)新能力具有重要的意義。但在有限的理論教學(xué)時長內(nèi)，想要對導(dǎo)航定位有深入理解并構(gòu)建出一個完整的知識體系是非常困難的。特別是目前高校導(dǎo)航與定位原理課程中普遍存在理論教學(xué)與實踐教學(xué)脫鉤的情況，這使得學(xué)生利用有限的理論知識去解決GNSS實際工程問題變得更加困難。GNSS導(dǎo)航定位的實踐課程要求學(xué)生能夠獨立完成項目的設(shè)計，譬如GNSS RTK作業(yè)和靜態(tài)測量等設(shè)計項目都需要學(xué)生對理論知識掌握程度較高。但鑒于理論知識的教學(xué)，學(xué)生往往只能對基礎(chǔ)知識掌握，因此要想實現(xiàn)高規(guī)格的實踐是有困難的。在該課程的改革過程中，應(yīng)予以實踐課程更多的比重和更高的要求，這樣才能將理論知識和實踐技能有機結(jié)合，進而提升學(xué)生導(dǎo)航與定位相關(guān)工程的綜合水平。

2 GNSS導(dǎo)航與定位原理課程教學(xué)改革的必要性

2.1 現(xiàn)代化導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展的要求 傳統(tǒng)的導(dǎo)航與定位原理課程所教授的參考對象以美國的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)GPS為主，未能充分考慮世界上其他的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。我國自主研發(fā)設(shè)計的北斗全球?qū)Ш脚c定位系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)全球組網(wǎng)并已開通運行，除了為我國的國家安全和經(jīng)濟社會的發(fā)展提供全面保障之外，也為全球用戶提供高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。另外，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)也需要不斷對系統(tǒng)進行提升，才能適應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域的嚴峻挑戰(zhàn)[6]。因此，將北斗全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容充分融入GNSS導(dǎo)航與定位原理課程具有重要的現(xiàn)實意義，也能夠提升當(dāng)代大學(xué)生的愛國主義情懷及民族自豪感。

2.2 多學(xué)科交叉融合的要求 目前，我國的科技水平正飛速發(fā)展，多學(xué)科交叉及跨界融合已成為學(xué)術(shù)研究的趨勢。在全球一體化的背景下，要想保持社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展，就必須面對解決科學(xué)和應(yīng)用的多種復(fù)雜問題，如何有效解決不同領(lǐng)域的科學(xué)、技術(shù)及工程問題，需要多學(xué)科和技術(shù)有機融合。不同學(xué)科之間的互相融合在一定程度上促使新興交叉學(xué)科的誕生。對于GNSS導(dǎo)航與定位原理課程而言，在目前的科學(xué)背景下，也不再局限于服務(wù)導(dǎo)航和定位，對包括氣象和海洋科學(xué)等領(lǐng)域有著不可替代的作用，例如GNSS可用于水汽探測、海洋波浪場等的參數(shù)獲取。另外，對于定量遙感而言，衛(wèi)星信號所包含的不同物理特性及定位應(yīng)用，能有效地輔助定量遙感研究領(lǐng)域。

2.3 農(nóng)林資源導(dǎo)航定位應(yīng)用的要求 我國幅員遼闊，有著豐富的農(nóng)林資源，林業(yè)資源往往分布在地形復(fù)雜的區(qū)域，雖然美國的GPS系統(tǒng)對我國的農(nóng)林衛(wèi)星導(dǎo)航有一定的作用，但是由于該系統(tǒng)自身的星座布網(wǎng)特點與我國農(nóng)林資源分布的特殊性和復(fù)雜性，使得信號失鎖和多路徑效應(yīng)在使用該系統(tǒng)進行相應(yīng)的定位和導(dǎo)航應(yīng)用中普遍存在[1]。北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的雙模導(dǎo)航使得其在我國的農(nóng)林行業(yè)中的應(yīng)用具有極大的潛力，特別是北斗系統(tǒng)的短報文應(yīng)用，更是實現(xiàn)了GPS系統(tǒng)不具備的地面移動互聯(lián)網(wǎng)通信的功能，使得救援等突發(fā)事件得以及時處置，可以將損失降到最低。2020年，國家林業(yè)和草原局發(fā)布的《國家林業(yè)和草原關(guān)于在林業(yè)草原行業(yè)推廣北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的意見》明確指出，推動北斗系統(tǒng)的應(yīng)用是落實國家安全戰(zhàn)略和促進經(jīng)濟社會發(fā)展的重要舉措，是新時期推進林業(yè)草原行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)的迫切需要。預(yù)計在2025年可以實現(xiàn)全國重點林草區(qū)域北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全覆蓋，可以全面提升北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在林草行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用規(guī)模及管理水平。盡管北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在農(nóng)林領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用都得以實現(xiàn)，但實際上目前仍有不少問題需要解決。特別是目前農(nóng)林領(lǐng)域的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用規(guī)模較小且分散，缺少統(tǒng)一的管理維護及相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[4]。另外，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)林領(lǐng)域應(yīng)用中的接收和容錯能力有待進一步提升，通過技術(shù)的不斷改善及系統(tǒng)軟硬件的不斷進步，才能夠提高相應(yīng)的導(dǎo)航和定位精度。

由此可見，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)林行業(yè)中的應(yīng)用已得到國家的重視，特別是我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更是被寄予厚望。多學(xué)科交叉發(fā)展融合也對GNSS提出了新的要求。但是，在目前以農(nóng)林為特色的高等院校中，衛(wèi)星導(dǎo)航定位教學(xué)工作的開展相對較為滯后，大部分高校對相關(guān)知識的講解仍然局限在表面，而未能開展深入的探討，也不能從跨學(xué)科、多維度的層面深入拓展GNSS導(dǎo)航與定位的作用。實際上，這些客觀情況都阻礙了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)林領(lǐng)域和交叉學(xué)科的有效推廣和應(yīng)用。

3 GNSS導(dǎo)航與定位原理課程教學(xué)改革的實踐與探討

GNSS導(dǎo)航與定位原理課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括：坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)、衛(wèi)星運動基礎(chǔ)及衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星定位于導(dǎo)航原理、GNSS測量的誤差來源及其影響和GNSS測量的設(shè)計與實踐等。要求學(xué)生通過對不同導(dǎo)航定位系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和比較，掌握GNSS領(lǐng)域的發(fā)展進程，了解不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展、優(yōu)缺點及用途;掌握GNSS系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)、定位原理、測量方法和工作流程。實際上，學(xué)習(xí)該課程的最終目標(biāo)是使學(xué)生在掌握GNSS相關(guān)實踐技術(shù)操作和數(shù)據(jù)處理能力的基礎(chǔ)上具備完整的GNSS測量工程設(shè)計與實施的能力。農(nóng)業(yè)院校GNSS導(dǎo)航與定位原理課程改革框架如圖2所示。

3.1 結(jié)合院校特點，設(shè)計教學(xué)內(nèi)容 隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)航定位技術(shù)在農(nóng)林行業(yè)中得到了廣泛的使用。國家對農(nóng)林領(lǐng)域高度重視并加大投入，使得智慧農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得以快速發(fā)展。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)林類專業(yè)具有明顯優(yōu)勢，因此學(xué)校也加大了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究投入，成立有安徽省北斗精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息工程實驗室，這實際上為包括測繪工程專業(yè)的學(xué)生提供了透徹掌握導(dǎo)航定位原理及學(xué)科理論知識的實踐平臺。如何實現(xiàn)在有限的理論教學(xué)課時內(nèi)，使學(xué)生對導(dǎo)航和定位知識有所掌握和理解，是實現(xiàn)成功教學(xué)改革的關(guān)鍵。而充分結(jié)合院校特色，將導(dǎo)航定位技術(shù)特別是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位的理論和技術(shù)有機融合在GNSS導(dǎo)航與定位原理課程是重中之重。

3.2 理論與實踐并重，實踐中深化理論 近年來，導(dǎo)航與定位技術(shù)在計算科學(xué)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上已經(jīng)取得了顯著進步，本課程也不再局限于對導(dǎo)航定位理論知識的講解。傳統(tǒng)的理論課程教學(xué)通過多媒體教學(xué)模式雖然能夠直觀地將課程的重點內(nèi)容展示給學(xué)生，但受課程設(shè)置等因素的影響，多媒體教學(xué)模式下的內(nèi)容與信息量都較大，而部分授課老師采用幻燈片照本宣科的教學(xué)模式也使得學(xué)生對課程知識接收的匱乏。即便學(xué)生能通過課件對課程的基礎(chǔ)知識有一定的掌握，但鑒于GNSS導(dǎo)航與定位原理課程是一門對實踐和數(shù)據(jù)處理要求較高的課程，僅在理論教學(xué)支持下浮在“表面”的課程學(xué)習(xí)無法提升學(xué)生對導(dǎo)航定位的技能。隨著現(xiàn)代導(dǎo)航定位技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)無論在基礎(chǔ)建設(shè)還是科學(xué)研究的層面都愈發(fā)的重要，如果仍采用單一的課程理論教學(xué)，是無法支撐學(xué)生完成相應(yīng)的科研或工程項目[5]。因此，在實際的課程進程中，需要在理論教學(xué)鋪墊的前提下，將數(shù)據(jù)處理和工程設(shè)計等實踐內(nèi)容充分與理論知識相結(jié)合，不斷提高學(xué)生解決實際問題的能力。

3.3 完善課程考核方式，綜合提升專業(yè)技能 GNSS導(dǎo)航與定位原理是一門理論和實踐并重的課程，除了要求學(xué)生有相當(dāng)充分的科研儲備知識之外，也對學(xué)生的動手解決實際問題能力有較高的要求。因此，應(yīng)綜合多個方面和目標(biāo)對教學(xué)效果進行檢驗。但是實際上目前大部分高校對該課程的考核模式仍然局限于單一的理論考核，而對課程實踐部分的考核相對缺失[7]。為了客觀反映課程的教學(xué)情況，應(yīng)在傳統(tǒng)的課程考核模式之上增加實踐操作、數(shù)據(jù)處理及課程專題內(nèi)容小組講演等內(nèi)容。對于理論知識的考核采用閉卷考試，可以考查學(xué)生對課程知識的掌握情況;實踐操作在實習(xí)實驗課程的基礎(chǔ)上，將學(xué)生隨機分組自行設(shè)計并完成模擬項目，可以考察學(xué)生的團隊協(xié)作與解決問題的能力;數(shù)據(jù)處理的考察在理論和實踐的考察基礎(chǔ)上，檢驗學(xué)生對數(shù)據(jù)和問題的分析與處理能力;課程專題內(nèi)容小組講演對學(xué)生隨機分組并隨機抽取課程理論知識點，把講臺提供給學(xué)生，可以考察學(xué)生的知識體系構(gòu)建、臨場發(fā)揮及應(yīng)變能力。通過上述多方面融合，可以有效地考查學(xué)生對課程的掌握，也能更合理客觀地評價學(xué)生的綜合素質(zhì)和成績。

4 結(jié)語

在全球可持續(xù)發(fā)展和我國新時代國家建設(shè)需求的背景下，導(dǎo)航和定位技術(shù)在包括農(nóng)林行業(yè)等多領(lǐng)域的應(yīng)用需求都在迅速上升。GNSS導(dǎo)航與定位原理作為測繪工程專業(yè)的核心課程，對于提升學(xué)生專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及后續(xù)的科研和工作等多方面的培養(yǎng)具有重要的意義。本文在對現(xiàn)有的導(dǎo)航與定位原理課程的教學(xué)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，探討了我國北斗導(dǎo)航定位的特點，并充分結(jié)合安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)的辦學(xué)特色，提出了新的教學(xué)改革和設(shè)計方案。新的教學(xué)內(nèi)容和方法初步實現(xiàn)對現(xiàn)有課程體系的改革，在提高學(xué)生對課程內(nèi)容深入理解，項目設(shè)計和數(shù)據(jù)分析及問題解決等方面有促進作用，可以為測繪工程專業(yè)其他課程的改革提供參考。當(dāng)然，該課程改革設(shè)計中仍存在一定的短板，有待在實際的教學(xué)實踐中不斷地提升。

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（責(zé)編：張宏民）