改革“GPS原理与应用”课程教学,培养导航人才*

2010-01-16纪元法孙希延施浒立

全球定位系统 2010年2期

纪元法,孙希延,施浒立

(1.桂林电子科技大学应用科技学院,广西桂林541004;2.中国科学院国家天文台,北京100012;)

0 引言

美国的全球定位系统(GPS)作为目前最成功的卫星导航系统,不仅从根本上解决了海上、空中和陆地交通工具的导航和定位问题,还成功地用于大地测量、陆地/海洋测绘、地理信息系统、精细农业、搜索救援以及时间传递、电离层测量科学研究等领域,显示出巨大的应用潜力[1-4]。正是卫星导航的巨大优越性和其在经济、军事领域的重大作用,受到世界各国的充分重视,有条件的大国竞相发展本国的卫星导航系统[1]。俄罗斯建立了GLONASS系统,欧盟正在主导建设Galileo系统,中国在北斗一代的基础上开始发展更为先进的“北斗二代”导航系统。

GPS是个复杂系统工程,包含多门类专业知识,是一门典型的多学科相互渗透的交叉学科,不仅涉及天体力学、卫星轨道学、大地测量学和空气动力学,而且涉及到电磁学、气象学和通信学科等诸多学科[5],自20世纪80年代末期以来,GPS技术在我国的测绘、地质、航天、海洋、交通、航道、石油、水利、农业、信息等行业获得了广泛的应用,随着GPS的现代化计划的实施,GPS将更为先进,必将加速GPS技术在我国更多领域的应用和拓展。

GPS这些特点促进了相关学科在大学的学科建设发展,也反映在相应的课程体系建设上。“GPS原理与应用”这门课程,在最近十几年来陆续走进大学课堂,在普及传播卫星导航知识、定位技术、空间科技、数字信号处理与射频电路与芯片技术应用等专业领域发挥了重要作用,受到学生的广泛欢迎。成为不同专业学生的选修课、限选课或专业课,而且也成为一些文科学生的选修课程。

任何课堂教学受课时、实验内容等限制,不可能符合所有的学生特点。因此,针对不同的专业和授课对象层次,如何在有限的学时内开展基本教学内容,加强实验和实践教学,建立与教学改革相协调的课程体系,保证和提高“GPS定位原理与应用”课程的教学质量,达到人才培养的目的,是一个值得深入探讨和研究的问题。

卫星导航被视为三大信息产业之一,而且目前我国正在大力发展中国自主的卫星导航系统,专业卫星导航人才需求将进一步增大。有条件的高校应该根据社会需求、课程特点,有针对性的调整教学内容,既注重卫星导航知识的普及教育,又要适应专业人才培养,突出以GPS为代表的卫星导航系统知识及关键技术,适应当前卫星导航技术发展的需求。

1 GPS原理与应用的特点

1.1 GPS的技术特点

GPS是利用三角定位原理,以人造卫星为基准点,发射无线电导航信号,用户利用接收设备接收信号,进行解码,解析卫星位置、测量至卫星的距离或多普勒频移等观测量,来确定其位置和速度。

GPS主要由三大部分组成:空间的卫星星座、地面监控部分、用户设备。GPS卫星星座由分布在6个轨道面的24颗卫星组成,保证了在地球上和近地空间任一点、任何时刻至少同时观测到4颗GPS卫星,保证了信号覆盖面。地面监控系统的主要作用是:跟踪观测GPS卫星;计算编制卫星星历;监测和控制卫星的健康状况;保持精确的GPS时间系统;向卫星注入导航电文和控制指令。用户设备的核心是GPS接收机,通过接收卫星信号完成用户位置、速度计算以及授时等功能,并提供人机界面交互。

除了GPS外,前苏联建立了GLONASS卫星导航系统,2001年欧盟也启动了Galileo卫星导航系统,整个系统正在建设之中。为参与国际竞争,我国在“北斗一代”的基础上也启动了“北斗二代”卫星导航系统的建设,“北斗二代”的导航定位功能将覆盖全球,其定位原理、定位精度等技术将逐渐接近国际上先进的卫星导航定位系统。

以上几个卫星导航系统,虽然在信号频率、信号格式等方面略有差异,但基本上都参照了GPS的“多星、高轨、伪码测距”体制,因此,通过学习掌握GPS技术,就可以掌握当前卫星导航系统的关键技术。

1.2 “GPS原理与应用”的课程特点[6]

1)多学科交叉

“GPS原理及应用”课程是一门典型的综合性交叉学科。GPS技术与大地测量学、空间科学与技术、电子技术、通讯技术、天体力学、人造卫星技术等联系紧密,是跨学科、跨行业的综合性高新技术,可以培养知识面较广的高科技人才。因此,“GPS原理及应用”课程内容较为丰富,在课程教学内容的安排上,应尽量不能出现知识点空白,致使知识体系不完整;又不能面面俱到,课程重点不突出,学生抓不到课程主线和重点。必须针对不同的授课对象,合理安排授课内容,做到详略得当,重点突出,与听课对象的学习目的相适应。

2)实践性强

“GPS原理与应用”课程名称就明确指出了该课程的两个重点内容,一个是GPS技术的原理,另一个是GPS技术的应用。它不但是一门理论性较强的学科,而且也是一门实践性极强的学科。因此,教学中不但要注重理论教学环节,更应重视实践教学环节。由于本课程的实践应用性目的较强,学生需要大量的实践才能很好地掌握其主要内容,故在课程建设过程中应注重教学内容的合理安排和实践性环节的建设。

例如,在很多测绘类专业,在“GPS原理及应用”课程的教学中,实践和野外实习占总课时的40%以上。这突出了GPS的测绘应用,对测绘专业的学生是合适的。但由于对接收机的工作核心技术不深入阐述,目前的教材难以适应培养专门的导航技术人才需求。

3)应用面广

GPS的定位、导航测量技术已广泛应用于国民经济的各个领域,包括:大地测量、工程测量、航空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、海洋测绘、地震监测、气象信息测量、各种运载工具定位导航和管制、公安、交通系统管理、航空导航、航海导航、城市规划等领域。GPS也为城市个人用户提供方便、快捷、准确的定位和导航服务,具有广大的用户群,拥有广阔的应用空间和市场潜力,应用于城市交通、位置服务、娱乐休闲等领域,与个人移动电话、相机、MP3等结合,一起组成个人电子服务终端(PEST)。

2 GPS原理与应用的教学现状

授课对象越来越广。在我国高校,较早地把“GPS定位原理与应用”纳入课程体系是测绘专业、地理信息系统专业的学科等。但随着GPS技术应用的深入,该课程逐渐引起人们的高度重视,各高校都相继把“GPS原理与应用”作为专业课或选修课。

1)教材较为单一。

最早的教材,大部分是翻译国外的教材与资料,因为测绘专业开设GPS课程较早,因此,大部分教材是测绘专业教师编写的。这为我国的GPS专业人才培养,GPS技术在测绘等专业领域的应用作出了贡献,奠定了基础,提供了参考,但也存在教材体系较为单一的问题。

2)师资力量缺乏。

由于GPS测量定位技术的迅速发展,使得这一技术的应用领域不断拓展,在测绘专业中从事GPS测绘应用教学的师资较为充实,但GPS是一门技术,而非一个学科,因此,现在并没有列入全国普通高校招生专业,更没有培养GPS技术的专门学校。教师中开展GPS等卫星导航定位技术研究的比较少,现在对GPS技术进行深入研究、科研能力较强的有北京航空航天大学、国防科技大学、中科院、航天部门等少数高校和科研院所,使得目前我国真正从事GPS核心技术教学的师资较为匮乏。

3 改进GPS教学,培养专业导航人才

任何课程的设置,首先要同人才培养目标相适应。当前卫星导航技术发展迅速,GPS技术、卫星导航人才相对短缺。因此,针对电子通信,导航专业的本科生或研究生,应合理增加GPS接收机的关键技术这方面内容,深入探究GPS卫星定位系统的技术原理与关键技术,为我国卫星导航事业的发展培养专业人才。

3.1 教材建设

现在市面上的GPS教材以概论型以及测绘应用型为主。普通GPS原理课本对增加学生的综合素质,拓展知识面,普及GPS常识,是基本合理的,适用于一般学生的选修课。由测绘专业的老师编写的GPS测量原理,适合于测绘专业的学生,但也存在片面重视了测绘应用,而忽视了GPS定位技术本身的一些问题,未深入阐述和论证技术原理的特点,没有突出关键技术和现有技术的发展水平。对于专门从事研究GPS专业的系统及从事GPS接收机研发的人员来说,不是很适用。

因此,可以根据本专业特点和需求,组织教师自行编制一套特色教材。对GPS原理、GPS技术、GPS应用等三个方面内容进行分层次、模块化编写,供教师自主选择授课内容。根据本课程特点,使理论难度和通俗易懂有机结合,既注意发展前沿又重视实际应用。

针对导航类专业人才,应重点增加GPS信号体制,接收机基带信号处理关键技术,如对伪随机码扩频信号的捕获、跟踪、解码等内容,并设置相应的仿真实验环节。可喜的是随着GPS发展,我国国内相继出现了“GPS原理与仿真”等教材[7],更加适合专门从事导航类相关专业的学生。

3.2 教师队伍建设

要把教师队伍建设放在学科建设的首位,加强教学交流,尤其是青年教师的培养,提高教学团队的教学水平及科研能力,成为站在学科发展前沿的、具有较高教学水平的、既教书又育人的优秀教学团队。

培养本校教师技术骨干力量,成为该领域的学科带头人。现在中国二代导航已作为重大专项列入国家中长期发展规划,通过鼓励教师参与该领域国家重大前沿项目的研究工作,引领本校本专业成为高校重点学科。

最后,组织教师参加诸如“卫星导航技术进步与创新”专家论坛和“新技术新产品应用成果展示会”,了解我国卫星导航技术和产业发展,不断开阔视野,提升教学高度。

3.3 教学实施

由于GPS定位技术理论较深,涉及的知识面较广,同时其内容也在不断丰富之中,因此,结合高校自身的专业特色和实际情况,开展该课程的教学研究,不断提高课程的教学质量。

设计教学时,课程内容应实现理论与实际应用紧密结合、前瞻性和通俗性相结合,充分注意教学中的层次设计,使教学内容可根据授课对象需要进行选择且自成一体,可满足不同专业对GPS技术的教学需求,具有较广泛的适应性。

注重“教学、科研、生产三位一体”的实践性教学环节,在课程建设中注重教学内容的合理安排和实践性教学环节的设计,以及相关科研和生产成果的融入,让学生在大量的实践中掌握和灵活运用所学知识,以培养和提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

针对导航专业人才的培养,首先,应由浅入深讲解GPS的定位原理,并涵盖GPS卫星导航的关键技术。GPS定位的基本几何原理是三球交会原理。通过测量GPS接收机到卫星(位置已知)的距离,而测定接收机的位置。GPS卫星通过发射直接序列扩频通信信号作为测量信号,因此,对导航信号的接收处理是接收机的关键技术。对导航专业,应把GPS信号的处理以及伪距测量等相关内容作为重点讲解[8]。

其次,理论与实践紧密结合。课堂上讲授了GPS信号的结构、定位原理,接收机处理方法后,应加强学生对概念的消化理解。比如,可以加强对GPS信号的仿真实验环节,可以利用 MATLAB工具实现GPS信号仿真以及基带信号处理等环节的编程实验,这对学生理解伪码测距是十分有帮助的。并将科研成果介绍给学生,丰富课堂内容,指导学生的实验和实训环节。

再者,针对课程特点适当运用多媒体教学手段。“GPS原理与应用”课程设计到很多抽象概念、空间概念和动态过程,这与“信号与系统”等含大量公式推导的课程特点是不同的,传统的板书教学优势很难将这些概念及过程清晰地展现在学生面前,而使用多媒体教学可以给学生更多直观感受,收到事半功倍的效果。