面向林业的“卫星导航定位原理与应用”课程教学改革初探

闫 飞 冯仲科 王瑞瑞

(北京林业大学林学院，北京 100083)

面向林业的“卫星导航定位原理与应用”课程教学改革初探

闫 飞 冯仲科 王瑞瑞

(北京林业大学林学院，北京 100083)

结合我国林业卫星导航技术飞速发展和应用的需求，为了使“卫星导航定位原理与应用”课程讲授更加生动便于理解，使学生在掌握经典卫星技术理论体系的基础上提升学生实践动手能力和探索创新意识，对“卫星导航定位原理与应用”课程改革的必要性进行了探讨，并从改进教学内容，合理安排理论、实验课程，强化实习实践环节，加强人文思考4个方面提出了教学改革的措施。经过笔者的初步实践，学生在理论知识的理解、实践技能的提高等方面取得了较好的成效。

卫星导航定位原理与应用；北斗系统；林业院校；教学改革

自20世纪70年代以来，随着人类空间探测技术的飞速发展，目前已形成了由美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo和我国自行研制的北斗卫星导航系统(compass navigation satellite system，简称CNSS)所组成的全球卫星导航系统(global navigation satellite system，简称GNSS)，该系统在军事、测绘、通信、交通运输、资源调查、农林牧渔、时间比对、大气研究、气象预报、地质灾害监测等领域中得到了广泛的应用[1]。其中，就林业而言，全球卫星导航系统在林业精细化监测和管理方面发挥着巨大作用，能够为林业资源调查、森林防火和应急指挥、病虫害监测和防治等林业核心业务提供实时准确的位置定位信息、发生范围信息和导航服务[1-2]。

“卫星导航定位原理与应用”课程作为北京林业大学地理信息系统学科的核心专业课程之一，其内容主要包括卫星导航定位技术的系统组成、导航定位基本原理、数据的采集和处理以及其在各行业中的应用，并一直以美国的GPS系统为主。近年来，由于新技术、新系统的不断涌现，尤其是我国北斗卫星导航系统的使用，致使原来“卫星导航定位原理与应用”课程的教学内容更新不及时、相对陈旧。同时，由于该课程理论知识涉及的专业面较广、理论与实践衔接的不够紧密等原因，学生难以抓住学习的重点，从而影响了学生对卫星导航定位技术的学习和应用。为此，笔者对“卫星导航定位原理与应用”课程教学改革的必要性和教学改革的具体措施进行了探讨。

一、“卫星导航定位原理与应用”课程教学改革的必要性

(一)适应我国北斗卫星导航系统发展的需求

北斗卫星导航系统(CNSS)是我国自行研制的全球卫星导航系统。2014年11月23日，国际海事组织海上安全委员会正式将中国的北斗卫星导航系统纳入全球无线电导航系统。北斗卫星导航系统是继美国GPS、俄罗斯GLONASS之后第3个成熟的卫星导航系统[3]。建设北斗卫星导航系统，对于提高我国的国际地位，促进经济社会的发展，保障国家安全等许多方面具有重大特殊的意义。北斗卫星导航系统作为国家的基础设施，既是一项长期推进的计划，又是国家卫星导航应用产业的支撑和保障。由此可见，向当代大学生及时讲授和普及我国的北斗卫星导航系统是非常必要的。

(二)适应我国卫星导航林业应用的要求

自1995年美国宣布GPS具有完全工作能力以来，卫星导航在林业上的应用研究引起了国内外学者的极大兴趣。然而，我国林业卫星导航应用一直以来多依赖于美国的GPS系统，且受限于该系统卫星星座布网的特殊性和我国林地的复杂性，使得卫星导航在林区的实际应用存在卫星信号差或信号失锁、多路径效应强等问题，致使林区定位精度低或者无法进行卫星定位[4]。而我国北斗卫星导航系统由于其特有的GEO(地球同步轨道)和IGSO(倾斜地球同步轨道)高轨道卫星布网特点，能使我国全境域内接收到更多更稳定的卫星数量和信号，即使在受树木、高楼等阻挡的恶劣环境下也可以较美国的GPS卫星系统接收到更多的可视卫星[5]，从而提高林下定位的准确性和精密度。为此，2012年国家林业局在全国林业工作会议上提出，加快推进北斗卫星导航林业应用系统的建设，黑龙江、内蒙古等省份相继开展了“林业生态建设与保护北斗示范应用系统工程”“北斗卫星导航在林业中的示范应用工程”等重大示范项目的建设工作，并取得了良好的效果。

由此可见，卫星导航技术在林业中的应用已经得到了我国的高度重视。但在林业类高校中，与卫星导航相关的教学工作未得到有效的开展，很多高校仅仅简单地介绍相关的内容，这严重地阻碍了卫星导航这一高新技术在林业中的推广和应用。

二、“卫星导航定位原理与应用”课程教学改革的探索

GNSS全球卫星导航技术涉及卫星轨道理论、伪噪声编码技术、微波与天线、锁相环路技术、微电子技术、数字通信技术、计算机技术、现代数据处理技术和大地测量技术等诸多内容，是一门综合性的高新技术[6]。笔者调研旁听了多个高校的“卫星导航定位原理与应用”课程，发现普遍存在教师讲解生硬、知识体系复杂、重点不够突出等问题，致使学生难以理解该门课程的教学内容。因此，如何激发学生的学习热情，并与当下需要精准位置信息的热门技术，如车联网、物联网、可穿戴设备、增强现实技术(augmented reality，简称AR)等，有效地结合，是笔者重点探讨的教改内容之一。

(一)结合林业专业特点，改革教学内容

卫星导航技术是一种涉及多学科的综合性高新技术，学生完全透彻地掌握其原理体系需要具备多学科的相关知识。此外，全球卫星导航定位技术的应用领域，上至航空、航天，下至工业、渔业、农业生产和日常生活，已经无所不在，可以说“仅受人类想象力的制约”。因此，如何在有限的课程学时内，在教学内容上做出相应的改进，使学生掌握经典的GPS理论知识的同时，结合林业应用的发展需求，有重点地突出我国北斗卫星导航技术在林业生产和工作中的应用，是“卫星导航定位原理与应用”课程教学改革的重要环节。

目前，“卫星导航定位原理与应用”课程教学内容主要包括：绪论、GNSS测量中所涉及的时间系统和坐标系统、全球定位系统的组成及信号结构、GPS中的误差源、距离测量与定位方法、GPS测量与数据处理等内容。笔者依据教学改革的需要，增加了新的教学内容，并对经典的GPS内容进行了适当的删减，具体改进措施如下。①第一章绪论。在现有全球卫星导航系统介绍中大篇幅地加入了我国北斗卫星导航系统的发展历史、现状以及与美国GPS相比所具有的优势等内容，增加了1学时的内容。②第二章GNSS测量。在GNSS测量所涉及的时间系统和坐标系统中，加入了北斗卫星导航系统所采用的时间系统和坐标系统，并讲解了北斗卫星导航系统与美国GPS的不同点及相互转化的关系。③第四章GPS中的误差源。将电离层、对流层对GPS信号时延模型的内容进行了适当删减，并将删减的部分作为课后拓展阅读的内容。④增加了新的章节内容。在讲授完第五章距离测量和定位方法后，增加了1课时的全球定位系统在各行业应用情况的介绍，尤其重点介绍和讲解其在林业中的应用。

(二)合理安排理论教学与课程实验，使两者相辅相成

“卫星导航定位原理与应用”课程教学改革，改变了原有的理论知识内容讲完后再进行实验教学的模式。现在边教学边实验的教学模式，使理论实验紧密联系、相辅相成，有利于及时加强和巩固学生对知识的理解和掌握。例如，第五章距离测量和定位方法，教师在讲授相应的理论知识后，应当紧跟实验教学内容，让学生体会伪距码测距和载波相位测距方法之间的异同点以及绝对单点定位和相对定位模式之间的差异；又例如，教师在讲授北斗卫星导航技术在林业调查中的应用后，为学生安排了林下北斗定位、模拟森林火灾发生位置定位等相关实验，让学生了解、认识北斗卫星导航技术在林业中的应用。

由于北京林业大学地理信息系统学科近年来引进了一批先进的卫星测量仪器，包括GPS手持接收机、三鼎T-23型GNSS多频多星接收机等，所以教师应鼓励学生充分利用这些先进的卫星测量仪器，不限实验时间、地点进行多练多想，培养他们勤于动手、勤于思考的良好学习习惯。

(三)强化实习环节，提升专业应用能力

在“卫星导航定位原理与应用”理论与实验课程结束后，北京林业大学林学院专门为学生安排了1周的“卫星导航定位原理与应用”课程综合实习。在实习过程中，教师要求学生自行整合所学的知识内容，在划定的实验条件下(如实验仪器、实验场地安排)，以小组为单位进行实习内容的设计，并开展实习活动。从卫星定位前期规划和准备、外业数据的采集和工作调度、内业数据的精度检验和坐标解算到最终的成果输出、报告上交，均由学生亲自设计和完成。教师在该过程中仅辅以相应的把关和指导，允许学生犯错误，但一定要督促学生找出犯错的原因，并对犯错的原因进行详细地分析和反思。笔者相信，经过1周紧张严格的实习训练，学生的专业应用能力得到了提升，为其今后从事本专业学习和工作奠定了扎实的理论基础和技术技能。

(四)注重人文思考，发掘学生的兴趣点和激发创新意识

高等教育不仅重在“教书”更要“树人”，只有充分激发当代大学生的求知欲望和探索精神，才能为我国科技创新事业不断输送新鲜血液。卫星导航技术是人类对自身空间信息获取的又一项革命性技术，它使人类更清晰、精确、便捷地了解自己所处的位置，包括在地球中的位置以及在宇宙中的位置，了解自己与周围人、事物的关系，从而进一步完善对自我的认知。

因此，教师对这门融合了多专业知识的“卫星导航定位原理与应用”课程的讲授，也绝不应当仅仅停留在书本知识、满足于学生考试卷面成绩的优秀上，而应发掘每一位学生的专业结合点、兴趣点，使他们在该门课程中找到属于自己的“乐园”，勇于探索和突破，具体做法如下。①教师在讲授第二章GNSS测量内容时，可向学生推荐涉及时间系统和坐标系统概念的《时间简史》读物，并要求学生撰写关于时间和空间的论文；②在讲授第四章GPS定位中的误差源内容时，由于涉及相对论效应对卫星钟差的影响问题，为了使学生更容易理解其内容，教师可在课堂上为学生播放影片《和霍金一起探索宇宙》的片段，并向学生推荐《超越时空：通过平行宇宙、时间卷曲和第十维度的科学之旅》等物理科普读物，让学生以小组为单位进行讨论与分享；③在讲授第六章全球卫星定位系统的应用内容时，教师可让学生结合当今热门的大数据云计算、车联网、物联网、可穿戴设备、增强现实技术(augmented reality，简称AR)等高新技术，探讨卫星导航技术在其中的作用，进一步拓展学生的思维和眼界。

三、“卫星导航定位原理与应用”课程教学改革的效果

2014年9月，笔者开始从事“卫星导航定位原理与应用”课程的教学工作。为了使学生更好地掌握该门课程的教学内容，笔者不定期地与学生进行沟通和交流，及时地解决学生遇到的难点和疑点问题，经过2年的教学探索，收到了较好的教学效果，具体表现如下。①学生主动学习的积极性得到了很大的提高。从学生上交的课后作业和教学反馈情况可以看出，学生均进行了主动认真的思考，有些学生偏重理论技术上的思考，有些学生则偏重自身人文素养的提高。②学生上课的精神面貌有所改善，对教师授课的满意度评价提高。在“卫星导航定位原理与应用”课程教学过程中，教师不再费劲讲、学生不再使劲听，师生之间的沟通、互动增多，知识变得生动有趣，学生对教师授课的满意度评价提高。

[1] 陈改英.GPS技术及其在林业中的应用[J].北京农学院学报，2004，19(3)：46-48.

[2] 贾会迅，邢怀玉，贾会申.浅谈GPS技术在林业中的应用[J].内蒙古林业调查设计，2009，32(3)：78-80.

[3] 李征航.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2015：1-3.

[4] YAN F，GONG Y X，FENG Z K. Study on the position drift of GPS single point and improving the accuracy of positioning[C].Vico Information and Industry Research Center.2013 2nd International Conference on Measurement，Instrumentation and Automation.Kreuzstr，Switzerland：Trans Tech Publications Inc，2013：492-498.

[5] 刘基余.北斗卫星导航系统的现状与发展[J].遥感测控，2013，34(3)：1-8.

[6] 刘基余.关于北斗卫星导航系统技术标准化的几点建议[J].导航定位学报，2013(1)：101-107.

(责任编辑 孙艳玲)

北京林业大学2016年教学改革研究项目“基于大数据理念的测量学教学改革研究”，项目编号BJFU2016JG002；北京林业大学2015年教学改革研究项目——面向市场的开放式教学模式在“遥感图像处理”课程中的实践研究，项目编号BJFU2015JG004。