《导航工程综合性课程设计》课程建设及应用研究

阙佳鸿 李保强

摘 要：该文分析总结了导航工程专业本科实验教学的传统教学模式存在的问题，针对当前课程设计流程面的问题走出分析研究，并提供了解决思路。重点剖析了综合性课程设计的建设方向与相关实践实验内容，将本科课程设计教学进行整合，提出了创新型综合型的综合性课程设计的教学方法。旨在加强导航工程本科学生动手能力、自主探究和技术资料检索能力，并为进一步培养学生综合实践应用能力奠定一定的技术能力基础。

关键词：综合性课程设计;导航工程;教学改革

Abstract：This article analyzes and summarizes the problems existing in the traditional teaching mode of the undergraduate experimental teaching of navigation engineering major，analyzes and studies the problems in the current course design process，and provides solutions.It focuses on analyzing the construction direction of comprehensive curriculum design and related practical experiment content，integrates undergraduate curriculum design teaching，and proposes an innovative and comprehensive comprehensive curriculum design teaching method.It is intended to strengthen the dynamic skills of navigation engineering undergraduates，independent exploration and technical data retrieval capabilities，and to lay a certain technical ability foundation for further training students′ comprehensive practical application capabilities.

Key words：comprehensive curriculum design;navigation engineering;teaching reform

1 绪论

导航工程系列实践课程的设计目的和主要任务是将理论教学和实践能力培养相结合[1]。动手能力欠缺一直是困扰工科类大学生培养的难题，对于导航工程专业学生，其维修维护技能和导航规划能力的培养显得尤为重要。导航工程专业在注重理论教学的同时，强调培养学生的动手能力和维护维修技能，因此开设了本实践课程。导航工程专业的综合性实践课程除了包含传统的计算机网络搭建、单片机应用技术和无线电通信基础等实验内容，还包含通信导航监视三个维度的综合性软硬件系统设计。实践课程将以分组的形式在学生中进行，其难度也将随着教学的进展而层层递进[2]，与专业结合的程度不断加深，最后通过一个完整的系统性项目考查学生将理论与实践相结合的应用能力。

安排与导航工程课程设计有关的实践活动，不仅仅可以帮助学生巩固专业技能，加深专业内容的思考，而且可以锻炼学生的软硬件操作的基本能力。课程设计的实践实验操作中，我们首先要求学生尝试进行标准化的软件开发，并在软件开发的主题上引入引导学生自主学习研究更全面的专业项目知识，对专业技术尤其是一线底层技术问题加以研究。全面地提升專业素养和操作实验能力，阅读科研技术文件和研究技术文件、分析排除设备故障能力，技术改造尤其是软件上的二次开发能力、项目自主探索自主研究能力、项目创新能力和自主组织团队实践合作协同领导能力。本文着重介绍了导航工程课程综合设计的设计思路、内容选择和实用性方面的一系列改革和探索。

2 传统教学模式存在的问题及解决思路

导航工程专业的课程实践可分为设备操作实践和综合性课程设计[3]。传统的课程教学实践中，我们往往选用常规化实验充当课程实践的主体框架，布置只针对单次教学内容的小规模训练，要求学生自主完成编程设计、通导实验设备操作全过程。此类实验实践存在两个大方面的问题：其一是练习题涉及知识点局限于课堂教学新加新讲授过的内容，学生只要直接拿来用就可以，不需要自己去考虑各种可能的解决方案并找到最合适的方法。这种验证性质的实践，是比较简单直接的，缺点是学生学习所得的锻炼相对较少。其次是要求学生独立完成小型程序，虽然可以在一定程度上锻炼学生编程能力，但需要注意的是实验涉及的编程层次和设计设计对接技能方面覆盖都比较狭窄。然而基于现代导航系统大规模的特点，绝大多部分情况下多人团队、自组织都是当前项目运行所必须的技术要求，理论上所有的面向一线数据结构，只有在处理大规模、超大规模输入的复杂问题、系统问题时才能体现出明显的优势，仅仅是小型项目的训练很难培养学生的综合实践能力，更无从谈起对导航系统存在的意义有更深刻的认识。

面对上述的主要问题，我们必须在设计较大规模的综合性课程设计时把重点倾注到具体存在的两个主要因素：第一，专业课程设计题目知识点覆盖面应尽可能扩张开，采用启发式的设计思路[4]，全程引导学生围绕实践进行设计，鼓励并诱导学生通过自主检索与研究有关技术文档文献等参考资料，咨询从业人员和一线教师，团队合作协同进行探究开放式学习，激发学生的创新意识和创造能力。具体设计题目和实施实践中，我们绝对不只是“手把手”式传统的教学模式。一定要给学生留出发挥想象和创造创新的空间。第二，题目的项目规模规模、代码量应控制在一定范围的足够大。努力增加代码量和工作量，使学生对规范性的软件开发工程整体有初步的自己的认知，一定程度上培养学生的工程化能力和团队合作能力。

所以针对上述两方面，课程设计必须有一套高校准确的激励反馈机制才能有较好的实际效果。机制设计必须既可以公平地判定每个学生作为个体的研究学习能力，又能鼓励团队精神，培养出学生的合作力和领导力，增强自主研究学习能力。

3 课程设计的实验内容

综合性课程设计的内容需要结合导航工程专业通信导航监视方面及与民用航空相关的主要专业课程内容。所以设计既要巩固教学内容、运用所学理论知识以及理解导航系统的基本设计规范，又要与学生的就业以及今后的工作实践联系结合起来[5]。故此课程设计的主要内容一定要围绕通信导航监视三个方面必须掌握的软硬件技能技术展开，其中包括对ADSB监视系统的理解和认识、对GPS模块的数据采集[6]，对linux平台的操控能力、对无线电通信技术的掌握[7]、对网络服务器的管理、对软件无线电技术的应用，等多个方面的学习和训练。主要分为以下五个实践项目：

3.1 陆空通话语音信号FM回路传输实验（接收机）

该实验的主要目的是学习和掌握FM调制解调基本原理，掌握陆空通话话音信号FM回路传输的原理和流程，从天线接收到信号以后采用非相干解调的方式对信号进行处理，建立并调试GRC框图，通过HACKRF得到正确的话音信号。利用USRP和GNU radio实现FM信号接收过程仿真，从而理解FM解调基本原理。

3.2 基于Raspberry pi的远程塔台模拟系统

该实验基于Raspberry pi 3B+硬件平台，通过比对多种视频传输方案，择优实现较稳定的实时视频传输。利用Raspberry pi 3B+搭建的平台，可以实现异步视视频传送和较稳定的实时视频传输[8]，在Windows环境下实现与树莓派的Linux操作系统的互联、远程访问。软件采用DiskGenius、Win32DiskImager、Advanced IP Scanner、Putty和VNC Viewer。硬件采用Raspberry Pi 3B+、Pi Camera和罗技C310 USB摄像头。

3.3 ADSB模拟系统

该实验使用DUMP 1090在连接天线并開始正常运行后，可以用于接收和分析飞行情报。这些飞行情报来自于飞机机载广播设备ADSB[9]，其中ADSB out的主要功能是将自己的飞行情报进行广播，提高飞机对于情报传输的效率，并且可以有效地使多个目标同时获得于飞机相关的飞行情报，提高效率的同时兼顾经济性。地面接收机在收到飞行情报之后，利用DUMP 1090将接收到的数据链进行解析，进一步分析航班号、飞行高度、飞行速度等关于航班的飞行信息。通过这个软件的运行，可以达到快速、便捷、高效、经济的共享飞行信息之目的。

3.4 基于HACKRF ONE的GPS信号劫持

该实验根据GPS的工作原理，搭建基于raspberry pi 3B plus的Linux操作系统平台[10]，然后进行软件无线电仿真实验，操作HACKRF sdr开发板，使其发送伪造的GPS信号;而后利用手机接收GPS定位信号，在基于HACKRF的软件无线电平台的硬件系统中实现GPS信号的发射和接收全过程;最后分析实验结果。

3.5 陆空通话语音信号FM回路传输实验（发射机）

该实验在SDR平台设计FM话音通信系统发射机，软件环境：使用一个能定向开发SDR的软件平台，相对简单易上手。而且软件应能在没有硬件设备的前提下完成纯软件操作，便于分析理解过程原理。硬件环境：一台功能较强大的计算机;一个完成软硬件互联的物理设备，通过软硬件实现通信系统的实际运行;一个已经验证设计正确的FM接收机，接收解调发射出的信号，检测发射机的功能。

4 综合性课程设计的考核模式

课程设计过程中由学生自行选择分组，每组4—5人，在实践课程规定的时间内，完成所选项目的研究和实现工作。各组通过各个项目的实践工作，要求学会卫星定位基本原理，掌握GPS模块采集数据的解析方法以及无线模块的使用;掌握Linux操作系统的常用操作，理解民航计算机网络的构成，能够对网络数据进行分析;理解调制解调的基本原理，掌握软件无线电的工作机制，数量掌握Python语言的基本语法;认识ADSB监视系统，认识远程塔台和导航数据服务器，能够自己动手利用开发工具进行搭建对应的模拟系统;最后按规范撰写课程设计说明书。所有项目均按照以下流程进行：

（1）指导老师下达课程设计任务书;

（2）完成实践项目的系统设计;

（3）完成系统制作和调试;

（4）绘制系统框图;

（5）撰写课程设计说明书。

课程设计的考评综合计算学生考勤参与度，系统设计方案正确性和思维广度深度，系统设计和开发效果以及最终项目小组课程设计报告书的质量。具体参照设置五个评分点：

（1）设计方案正确，具有可行性、创新性;

（2）方案设计合理，达到使用效果;

（3）课程设计报告规范、质量高、参考文献充分;

（4）课程设计答辩概念清晰，内容正确;

（5）课程设计期间的课堂考勤、答疑与统筹考虑。

按上述五项分别记分后求和，总分按五级记分法记载最后成绩。优秀（100～90分），良好（80～89分），中等（70～79分），及格（60～69分），不及格（0～59分）。

5 结语

教学实践表明，以真实导航设备项目环境构建的综合性课程设计作为专业课课程设计教学模式，使学生摆脱了教条式的学习过程，激发了学生进行实际设计和创造性设计的欲望，发挥了主观能动性，也得到了综合能力和创新思维方式的培养与训练。将课程设计转化为生产力产生强烈的成就感和责任感，真正实现了满足了创新创业要求，也实实在在提高了学生的基本知识水平。

参考文献：

[1]赵兴旺，余学祥，刘超.新工科背景下导航工程专业人才培养探索[J].长春工程学院学报（社会科学版），2020，21（02）：129132.

[2]王玲玲，富立，胡晓光，段海滨.工程项目及问题驱动的导航方向实践课程教学探讨[J].实验室研究与探索，2018，37（06）：153157+211.

[3]于瑞航，张礼廉，吴美平.“导航工程概论”课程的教学方法和手段探索[J].科教导刊（上旬刊），2020（02）：130131.

[4]皮亦鸣，李晋，曹宗杰，闵锐.《卫星导航定位》专业课程教学改革[J].实验科学与技术，2013，11（04）：198200.

[5]孙伟，耿诗涵，王宇航.多学科交叉对促进“惯导和组合导航原理与应用”课程改革的影响[J].测绘与空间地理信息，2019，42（02）：3435+38+43.

[6]刘万科，张小红，李征航，黄劲松，魏二虎，王甫红.卫星导航定位系列课程建设[J].测绘地理信息，2016，41（05）：8992+96.

[7]郭斐，刘万科，楼益栋，张小红.导航工程专业卫星导航数据处理方法课程建设与思考[J].全球定位系统，2016，41（04）：120122.

[8]王慧.嵌入式信号系统设计[J].科学技术创新，2020（33）：7274.

[9]董立超，李树平.基于SDR与RTL2832的民航飞机航向信息采集[J].牡丹江师范学院学报（自然科学版），2016（01）：2729.

[10]潘兴华.测绘工程技术中GPS技术分析[J].产业科技创新，2019，1（04）：7374.

挂名项目：E2020029“以《导航工程综合性课程设计》为牵引的创新创业课程建设”

作者简介：阙佳鸿（1987— ），男，汉族，四川广汉人，硕士研究生，讲师，研究方向：交通运输、通信导航;李保强（1996— ），男，汉族，山西朔州人，硕士研究生，研究方向：飞行程序设计、通信导航。