《卫星导航定位原理与应用》课程中的“四史”教育

杨 玲，李博峰，李浩军，楼立志

《卫星导航定位原理与应用》课程中的“四史”教育

杨 玲，李博峰，李浩军，楼立志

（同济大学 测绘与地理信息学院，上海 200092）

将“四史”教育与同济大学《卫星导航定位原理与应用课程》教学相结合，以“四史”关键词第59篇“北斗卫星导航系统”作为抓手和着力点，通过对“北斗”缘起、艰苦挺进、大国重器和“北斗”精神四个部分进行阐述，激励学生继承和发扬“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”的新时代“北斗”精神。让学生以奋发有为的精神状态、不负韶华的时代担当、实干兴邦的决心意志，为我国的社会主义建设添砖加瓦。

北斗卫星导航系统；“四史”教育；“北斗”精神

0 引言

《卫星导航定位原理与应用》（以下简称课程）是同济大学测绘工程和地理信息本科专业的基础核心课程[1-2]，属于必修课，课程的任务是在学习《大地测量基础》和《误差理论与测量平差》等课程的基础上，掌握卫星定位的基本原理、卫星定位数据处理的基本方法和流程、卫星定位应用技术的基本操作技能，为进一步从事卫星导航定位的研究和实践打下坚实的基础。课程的续论部分包含全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）概述、GNSS应用概述、GNSS时间系统与坐标系统、卫星轨道理论、轨道根数表达等知识内容。

GNSS是能在地球表面或近地空间的任何地点，为用户提供全天候、全天时、全球覆盖三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。目前，全球共有四个全球系统提供上述服务，依次为美国的全球定位系统（global positioning system, GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）[3]以及欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）。此外，印度和日本也都发展了面向本国应用的区域导航系统：印度区域卫星导航系统（Indian regional navigational satellite system, IRNSS）；日本准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）。BDS虽然起步晚，但建设速度快，测量精度高，已经成为GNSS不可或缺的重要组成部分[4]。我国的BDS从无到有，过程充满了无数的艰辛和曲折，可以说，BDS的成长史是新中国成长史的重要组成部分，也是新中国在党中央的坚强的领导下，走向繁荣富强的一个历史缩影。

1 教学目标

通过《卫星导航定位原理与应用》课程学习，让学生撑握GNSS的概念、应用场景及目前全球主要的卫星导航系统。将“党史、新中国史、改革开放史、社会主义发展史”（以下简称“四史”）教育与课程讲授相结合，以“四史”关键词第59篇“北斗卫星导航系统”作为抓手和着力点，通过对“北斗”缘起、艰苦挺进、大国重器和“北斗”精神四个部分的阐述，让学生了解“北斗”历史，正确认识中国改革开放的艰难历程，从实事求是的角度，深刻理解中国成就、中国道路与中国经验，激励学生继承和发扬“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”的新时代“北斗”精神。

2 教学实施途径

2.1 “北斗”缘起

1994年12月，国家批准北斗卫星导航系统项目。之所以在当年国家财政困难的情况下，要坚持搞中国自己的导航卫星系统，主要是受1991年海湾战争的影响。20世纪90年代，美国领导的联盟军，以科威特主权、独立和领土完整为由，对伊拉克进行军事打击，这是一场大规模的局部战争。它是现代高科技战争的范本，彻底改变了传统的战争形态。通过大规模高科技武器的使用，联盟军以很小的代价，取得了战争的胜利。最让人震惊的是，由于高科技装备的加入，战争过程中发生了很多不可思议事情，这是传统战争所不可想象的。比如战争爆发伊始，美国就将正在建设中的GPS投入使用。该系统为导弹及飞机提供了精确的位置服务，有效地提高了F-16战斗机和B-52轰炸机的攻击精度。最值得一提的是，伊拉克认为联盟军没有能力在没有地形特征辅助的前提下穿越沙漠，但没想到的是，联盟军仅仅依靠GPS的位置服务，就横穿了西部沙漠，并给伊拉克以致命打击。在整个战争过程，GPS的定位服务极大地提升了美军快速战略机动能力（精确着陆和全球任何地点投放）、快速反应能力、精确的打击能力和威慑能力。

GPS在战争中发挥的巨大作用，震惊了全世界，也促进并加速了卫星导航定位技术在世界范围内的蓬勃发展，卫星导航定位系统可以有效增强导弹、飞机的打击精度，提升军队整体作战效能。海湾战争以后，以GPS为代表的卫星导航定位系统正式登上了世界军事舞台，并在和平时间也发挥了巨大的经济和社会效益，它深深地改变了人类的生活方式和现代战争形态。意识到卫星导航技术对国家主权和国土安全的重要性，中国在财政十分吃紧的情况下，决定勒紧腰带，上马自己的全球卫星导航定位系统即北斗卫星导航系统。

2.2 艰苦挺进

BDS在工程实施上采用了“三步走”战略[5]。经过6年的艰苦攻关，北斗卫星导航试验系统即北斗一号（BeiDou navigation demonstration system, BDS-1）于2000年10月31日成功发射第1颗导航卫星。BDS-1采用双星同步轨道有源定位体制，可向地面用户提供位置、时间和通信服务。2003年5月25日，我国发射了第3颗BDS-1卫星，形成三星在轨服务的部署方式，进一步增强了区域服务能力。

又经过8年时间，北斗卫星导航（区域）系统即北斗二号（BeiDou navigation satellite (regional) system, BDS-2）于2012年完成了14颗高、中、倾斜轨道卫星混合组网。BDS也从有源定位升级为有源/无源的双体制定位。多种轨道卫星的加入，有效地提升了BDS对亚太区域的服务能力和服务水平。同时也为我国管控多星组网的导航卫星系统积累了宝贵的经验。

经过11年发展，我国于2020年全面建成了北斗三号全球卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）。 BDS-3由30颗高质量、高可靠的高、中、倾斜轨道卫星组成，进一步将服务范围由亚太地区扩展到全球。BDS-3在定位、测速和授时三种基本导航服务的基础上，增加了报文通信、星基增强和精密单点定位的服务。使中国的BDS正式成为可与美欧比肩的全球四大导航定位系统之一。看似平淡无奇的建设过程，哪知其中充满了崎岖和坎坷。BDS工程研制中的频率之争和原子钟事件就是其中最典型的事例。

按国际电信联盟（international telecommuni-cation union, ITU）规定，卫星系统获取某个频率的使用权的步骤包括：1）提出申请，并在7年内完成频率在轨使用；2）多方共用频率时，可以协调共用；3）申请者在规定时间内完成在轨频率部署，国际电联会明确合法使用权。

中国和欧洲在前后相差不到两个月的时间里，分别于2000年4月17日和2000年6月5日向ITU申请频率使用权，在轨使用截至日期分别是2007年4月17日和2007年6月5日，否则失效。中欧双方的频率申请在1164~1215 MHz范围内有高度的重合。按照ITU先用先得原则，双方需要竞争频率。

甲状腺囊性结节是临床常见的良性疾病，病变较大且伴发出血时不仅影响美观，疼痛明显，而且压迫邻近器官，造成严重的病理生理学变化，必须给予及时治疗。随着介入技术的发展与完善，超声引导下微创治疗定位准确，对患者创伤小，且疗效肯定，已逐渐替代了手术切除或药物治疗等传统疗法。

2005年12月28日，Galileo的首颗实验卫星“GIOVE-A”先于BDS-2卫星进入轨道。由于欧盟财政困难，“GIOVE-A”卫星并没有在轨开通频率。这给了BDS-2赶超的机会。当时的欧盟，低估了中国在导航卫星核心器件的研制能力，企图通过禁运原子钟，将中国的BDS-2卫星扼杀在摇篮中。为此，BDS项目同时组建中科院、航天科技、航天科工三支攻关团队，在基础理论、材料、工程等领域同步推进。经艰苦攻关，2017年终于完成了国产原子钟的研制任务，为BDS-2卫星工程研制奠定了扎实基础。但偏偏好事多磨，BDS-2首发星上了发射架，却出现星上应答机异常。通过“北斗”人争分夺秒的抢修，2007年4月14日4时11分，BDS-2首星成功发射；2007年4月17日20时，BDS-2卫星发出第1组信号，比ITU的7年规定仅仅提前4 h。中国成功赢得了频率竞赛。

2.3 大国重器

经过二十余年的辛苦努力，终于在2020年，BDS结出了丰硕的果实。2020年7月31日，习近平总书记向世界宣布，中国建成了自己的全球卫星导航系统。从20世纪90年代中后期至今，我国共进行了44次BDS卫星的发射，59颗卫星成功入轨。BDS-3的成功建成，向世界提出了中国的全球卫星导航系统解决方案，向世界贡献了中国智慧。

当今世界的卫星导航系统，可以说是由“4+2”组成，其中4个全球系统分属美国、俄罗斯、欧盟和中国，两个区域系统分属印度和日本，这6个系统构成了当今世界的卫星导航定位格局。四大系统中，只有BDS采用了通导融合的设计思路，前瞻性地提出在导航卫星上实现短报文通信，并在此基础上衍生出了很多的特色功能和特色服务。其多样化的服务，引领着世界卫星导航系统的发展趋势，有效地弥补了美欧卫星导航系统能力的不足。

卫星导航系统的核心能力就是高精度定位，BDS拥有世界一流的高精度定位能力。目前，在轨服务的BDS由18颗BDS-2卫星和28颗BDS-3卫星组成。BDS-3卫星是功能最强和精度最高的BDS卫星，它代表了我国卫星导航领域的最高技术水平，通过地面测试与横向对比，BDS-3卫星空间精度为亚米级，当前星座可实现全球的米级水平及高程定位，在亚太地区，定位精度还可以进一步提高。将卫星导航系统的定位、授时和测速3个主要技术指标进行比较，BDS与GPS、GLONASS处于相同的精度水平。

兼容共用才是时代发展的主旋律。因此，BDS在重视自身发展的同时，也十分重视与其它系统的兼容协同[6]。目前，BDS已经与GPS实现了民用信号的兼容和互操作，可在共有频点上实现兼容共用，提升精度。BDS与GLONASS也通过成立卫星导航重大战略合作委员会，协调了两个系统的射频兼容与星座互补。2008年以来，中欧成立兼容与互操作工作组，正在ITU框架下持续深入开展频率兼容协调。融合发展是现代发展的必需，只有通过融合发展才能实现资源共享，提升资源的使用效率，相应的，对于全球四大卫星导航系统，也只有通过融合发展，才能进一步改善提升系统的全球定位精度与服务的持续性和有效性，进而提升全球导航服务能力和水平。通过估评，BDS对全球卫星导航系统的服务性能提升水平有很大的帮助，特别对定位精度、星座定位几何的稳健性、信号完好性等方面的贡献可以达到20%以上[7]。

国之大器，利国惠民。2020年，一场突来的疫情在武汉蔓延开来，党中央果断决策修建火神山、雷神山医院，BDS在复杂地形条件下，提供了高精度定位服务，有效助力抗击疫情。珠峰作为世界第3极，是在大自然的宝贵财富，在“2020珠峰高度测量”任务中，自然资源部采用多种技术手段相结合，其中BDS提供了有效数据保障。BDS的创新应用，还体现在工业互联网、物联网、车联网等新兴领域[8-9]。

2.4 “北斗”精神

BDS是我国自主研发的复杂巨型航天系统工程，它的技术难度高、工程规模大[10]。BDS由全国400多家单位、30余万科研人员参与了联合研发，是新时代中国协同研发航天工程的典范。在BDS研发研制的过程中，逐渐孕育并形成了“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”的“北斗”精神。它与“两弹一星”精神和“载人航天精神”血脉相联，具有鲜明的时代特征，又是中华民族最为宝贵的精神财富。它激励着亿万中华儿女，同心协力共筑中国梦。

自主创新。在BDS的整个研发与研制工程中，始终坚持独立自主的发展理念。先后攻克了链路协议、定轨定位、时间同步等多项关键技术。BDS卫星单机和关键元器件的国产化率达到了100%，从而有效地减少了BDS对外国的依赖，走出了一条有中国特色的独立自主创新新模式。

开放融合。BDS在建设之初，就十分重视与其它卫星导航系统的融合发展。在当今时代，融合发展才是时代主旋律，只有与其它卫星导航系统兼容，才能兼收并蓄，做到有容乃大。BDS通过与GPS、GLONASS和Galileo兼容与互操作，从容地登上世界卫星导航系统舞台，并在其中发挥了重要作用，成为全球卫星导航服务不可或缺的重要组成部分。

万众一心。中华民族用血泪的教训，悟出了落后就要挨打的经验，为了不落人后、不挨人打，只有力争上游。中华民族通过社会主义制度的形式，有效地保障了集中力量办大事的政治优势。BDS是航天梦、中国梦的重要组成部分，为了祖国的繁荣富强，就一定要成功地建成中国自己的卫星导航系统。这个宏伟的梦想，只有通过千千万万工程技术人员夜以继日的辛勤付出才能最终实现。

追求卓越。航天领域是世界各国高科技较量的主战场。为了赢得卫星导航系统这一重要领域的战争。就一定要研制出定位精度、测速精度和授时精度都到达世界一流的卫星系统，就一定要达到国际导航卫星的先进水平。只有追求卓越，才能抢占科技高地，才能看清未来发展，也才能最终引领世界技术发展。

精神无形，却能激发出无穷的力量。我们要在学生身上大力培养新时代的“北斗”精神，让他们以奋发有为的精神状态，投入到有中国特色社会主义事业的建设中去，去谱写出一曲曲新的辉煌诗篇[12]。

3 结束语

同济大学是我国最早开设《卫星导航定位原理与应用》课程的高校之一，作为三年级本科学生的一门专业选修课，已积累了近20年的教学经验，将“四史”教育中关键词第59篇-北斗卫星导航系统深度融合到课程教学中，让学生了解BDS的发展历史，激励学生继承和发扬“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”的新时代“北斗”精神。BDS的建成和为全世界提供导航定位服务，是我国综合国力的集中体现，可极大提升民族自信心，它激励着广大中华儿女为实现“两个一百年”的目标努力奋斗。学生只有深刻明白这一点，才能增加他们的民族自豪感，以饱满的热情，投入到学习中去。

[1] 刘大杰, 施一民, 过静珺. 全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M]. 上海: 同济大学出版社, 1996.

[2] 徐绍铨. GPS测量原理及应用[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2008.

[3] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统[EB/OL]. [2020-11-26]. http: //www.beidou.gov.cn/.

[4] 杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J]. 测绘学报, 2010, 39(1): 1-6.

[5] 史志鹏, 姜忠奇. 北斗“三步走”开启服务全球时代[J]. 科学大观园, 2020(14): 18-19.

[6] 杨元喜, 陆明泉, 韩春好. GNSS互操作若干问题[J]. 测绘学报, 2016, 45(3): 253-259.

[7] 宋华松, 万磊, 谷玉宝. 北斗三号卫星导航定位性能提升的定量分析[J]. 测绘科学, 2019, 44(11): 15-21.

[8] 丁一钧, 聂电开, 武存山. 基于北斗系统和物联网的野外图像采集设备防盗定位系统设计[J]. 物联网技术, 2020, 10(9): 31-32, 36.

[9] 田瑜基. 基于北斗定位技术的智慧交通信息共享系统研究[J]. 科技资讯, 2019, 17(14): 28, 30.

[10] 潘晨, 高晓雷, 郭睿. 管理创新赋能中国“北斗”高效组网[J]. 中国航天, 2020(7): 9-12.

[11] 丁梦扬, 陆树程. 发扬新时代北斗精神[EB/OL]. (2020-12-15)[2020-12-26]. http://sky.cssn.cn/gd/gd_rwhd/ gd_ktsb_1651/zgjsyhxjzgyje/202012/t20201215_5232797. shtml.

[12] 人民网. 习近平: 抓住培养社会主义建设者和接班人根本任务努力建设中国特色世界一流大学[EB/OL] (2018-05-03)[2020-12-26]. http://cpc.people.com.cn/n1/2018/0503/c64094-29961630. html.

‘Four history education’ in the course of principles and applications of satellite navigation and positioning

YANG Ling, LI Bofeng, LI Haojun, LOU Lizhi

(College of Surveying and Geoinformatics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In this study, we combine the ‘four-history education’ with the teaching ofin Tongji University. The origin, hard work, great power and spirit of ‘BeiDou’ are presented, referring to the key words of ‘four histories’, Chapter 59-BeiDou satellite navigation system. The purpose is to motivate students to inherit and carry forward the‘BeiDou’spirit, which are ‘independent innovation, openness and integration, unity of mind, pursuit of excellence’. Let the students make contributions to the socialist construction of our country with the spirit of making progress, fulfilling the responsibility of the times and the determination to prosper the country through hard work.

s：BeiDou satellite navigation system; four-history education; ‘BeiDou’ spirit

P228

A

2095-4999(2021)02-0122-05

杨玲，李博峰，李浩军，等. 《卫星导航定位原理与应用》课程中的“四史”教育[J]. 导航定位学报, 2021, 9(2): 122-126.（YANG Ling, LI Bofeng, LI Haojun, et al. ‘Four history education’ in the course of principles and applications of satellite navigation and positioning[J].Journal of Navigation and Positioning,2021,9(2): 122-126.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210220.

2021-01-04

同济大学课程思政教育教学改革项目（19）。

杨玲（1986—），女，湖北十堰人，博士，副教授，研究方向为大地测量与卫星导航定位数据处理。