面向农业院校的GNSS导航与定位原理课程教学改革探讨

郝泷 崔玉环 高祥

摘 要：随着北斗全球导航定位系统的正式开通运行以及计算机技术的快速发展，对GNSS导航与定位原理课程的理论和实践教学都提出了更高的要求。因此，充分了解我国新时代国家建设需求的背景下对导航定位人才的要求，建立完善的课程教学内容和策略，对该课程的教学内容和方式的改革刻不容缓。该文从理论知识、实践技能、数据处理和专题内容讲演等方面改革进行了探讨，建立了全面的教学设计方案，提升了学生对课程的全面掌握程度，为测绘工程相关专业课程改革提供参考。

关键词：导航与定位;GNSS;北斗系统;农业院校;教学改革

中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 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，中国北斗卫星导航系统最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心成功点火升空，这标志着北斗三号全球卫星导航系统提前半年完成星座部署计划;7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通。目前已形成了美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo和中国BDS四大主要卫星导航系统（Global Navigation Satellite System， 简称GNSS）。此外，包括日本的QZSS和印度的IRNSS区域卫星导航系统在内的卫星导航系统也都在建设中。GNSS技术是目前导航与定位服务领域需求和应用最大的，对技术要求最高，同时也是目前发展最快的技术，已经在包括军事、通信、交通运输、资源调查和灾害监测等多个领域得到了广泛的应用[1]。

GNSS导航与定位原理是测绘工程专业的基础和核心课程，具有较强的理论性和实践性[2，8]，学生对本课程的掌握和认知程度对于测绘专业人才的培养及测绘领域的长远发展具有重要的意义[3]。安徽农业大学作为农林领域的高校，测绘工程专业设立时间不久，开设GNSS导航与定位原理课程只有数年。测绘工程专业开设课程在测绘科学技术的基础之上，应当充分融入农林领域和安徽农业大学的特色，将测绘科学技术的特点充分发挥出来。随着我国的北斗全球导航定位系统全球组网及开通，使得以美国GPS系统为主要讲演对象的导航与定位系统课程的传统教学内容更新滞后，未及时将最新的导航系统的相关知识纳入教学体系。由于该课程需要较多的理论基础知识的学习，对于高等数学、误差理论和测量平差以及大地测量学课程的掌握程度要求较高。除此之外，该课程理论知识涉及范围较广，但实际上课程设置又无法与实践有机衔接，从而会影响学生对该课程的掌握和应用程度。基于GNSS导航与定位原理课程的教学情况，本文对该课程的教学现状、改革必要性及改革措施进行了相应的探讨。

1 GNSS导航与定位原理课程教学现状

作为一门对理论和实践都具有较高要求的课程，学好GNSS导航与定位原理这门课程除了要理解和掌握课程体系的理论知识之外，对于工程应用及数据处理也有较高的要求，但从教学效果方面来看的话，不论是理论学习还是实验操作仍存在不少问题。特别是随着卫星导航系统的快速发展和利用导航定位数据展开不同科学领域的理论研究，这些客观条件使得对导航定位人才的较高需求。目前，在课程教学中广泛存在的这些问题，严重阻碍了我国卫星导航定位技术的良好发展。

虽然经过对课程的不断摸索和改进，测绘工程专业的学生对GNSS导航与定位原理的学习积极主动性及接受效果有所提升，但在目前的教學与实践中仍存在若干问题。其中，最为显著的问题体现在对理论知识掌握的欠缺及实践技能的综合提升2个方面。

1.1 理论知识的分解与融合 由于课程性质的影响，GNSS导航与定位原理课程的知识点繁多，但是学生对相应的知识点的理解不够深入，往往局限在对字面含义的认知，且容易将课程不同的理论知识的混淆。譬如，无法区分差分定位方法与基本定位方法之间的区别;电离层延迟误差及对流层延迟误差改正等。在教学过程中从理论结构上，通常可以将该课程的知识框架分为初级、中级和高级3个层级，如图1所示。但对于本科生来说，要真正能形成一个比较完整的导航与定位的知识框架实际并不容易。想要有一个系统的专业框架，学生应对该课程的理论知识掌握至少应该达到“中级”，但是目前的教学内容通常仅能使得学生的知识结构处于“初级”。因此，在教学改革的实践中，应予以大胆革新，才能逐步使学生对知识的掌握在“中级”的基础上，向“高级”过渡。而实现由“中级”到“高级”的过渡的关键则是如何将琐碎的“初级”知识点有机融合，从而进阶到“中级”和“高级”。

1.2 实践技能的综合运用 实践教学对于培养测绘人才掌握导航定位实践能力和拥有创新能力具有重要的意义。但在有限的理论教学时长内，想要对导航定位有深入理解并构建出一个完整的知识体系是非常困难的。特别是目前高校导航与定位原理课程中普遍存在理论教学与实践教学脱钩的情况，这使得学生利用有限的理论知识去解决GNSS实际工程问题变得更加困难。GNSS导航定位的实践课程要求学生能够独立完成项目的设计，譬如GNSS RTK作业和静态测量等设计项目都需要学生对理论知识掌握程度较高。但鉴于理论知识的教学，学生往往只能对基础知识掌握，因此要想实现高规格的实践是有困难的。在该课程的改革过程中，应予以实践课程更多的比重和更高的要求，这样才能将理论知识和实践技能有机结合，进而提升学生导航与定位相关工程的综合水平。

2 GNSS导航与定位原理课程教学改革的必要性

2.1 现代化导航定位技术发展的要求 传统的导航与定位原理课程所教授的参考对象以美国的全球导航定位系统GPS为主，未能充分考虑世界上其他的卫星导航定位系统。我国自主研发设计的北斗全球导航与定位系统已经实现全球组网并已开通运行，除了为我国的国家安全和经济社会的发展提供全面保障之外，也为全球用户提供高精度的定位、导航和授时服务。另外，北斗导航系统也需要不断对系统进行提升，才能适应卫星导航系统领域的严峻挑战[6]。因此，将北斗全球导航定位系统的相关内容充分融入GNSS导航与定位原理课程具有重要的现实意义，也能够提升当代大学生的爱国主义情怀及民族自豪感。

2.2 多学科交叉融合的要求 目前，我国的科技水平正飞速发展，多学科交叉及跨界融合已成为学术研究的趋势。在全球一体化的背景下，要想保持社会经济的稳定发展，就必须面对解决科学和应用的多种复杂问题，如何有效解决不同领域的科学、技术及工程问题，需要多学科和技术有机融合。不同学科之间的互相融合在一定程度上促使新兴交叉学科的诞生。对于GNSS导航与定位原理课程而言，在目前的科学背景下，也不再局限于服务导航和定位，对包括气象和海洋科学等领域有着不可替代的作用，例如GNSS可用于水汽探测、海洋波浪场等的参数获取。另外，对于定量遥感而言，卫星信号所包含的不同物理特性及定位应用，能有效地辅助定量遥感研究领域。

2.3 农林资源导航定位应用的要求 我国幅员辽阔，有着丰富的农林资源，林业资源往往分布在地形复杂的区域，虽然美国的GPS系统对我国的农林卫星导航有一定的作用，但是由于该系统自身的星座布网特点与我国农林资源分布的特殊性和复杂性，使得信号失锁和多路径效应在使用该系统进行相应的定位和导航应用中普遍存在[1]。北斗导航定位系统的双模导航使得其在我国的农林行业中的应用具有极大的潜力，特别是北斗系统的短报文应用，更是实现了GPS系统不具备的地面移动互联网通信的功能，使得救援等突发事件得以及时处置，可以将损失降到最低。2020年，国家林业和草原局发布的《国家林业和草原关于在林业草原行业推广北斗卫星导航系统应用的意见》明确指出，推动北斗系统的应用是落实国家安全战略和促进经济社会发展的重要举措，是新时期推进林业草原行业高质量发展和现代化建设的迫切需要。预计在2025年可以实现全国重点林草区域北斗卫星导航系统的全覆盖，可以全面提升北斗卫星导航系统在林草行业领域中的应用规模及管理水平。尽管北斗卫星导航在农林领域的相关应用都得以实现，但实际上目前仍有不少问题需要解决。特别是目前农林领域的卫星导航应用规模较小且分散，缺少统一的管理维护及相应的行业标准规范[4]。另外，北斗卫星导航系统在农林领域应用中的接收和容错能力有待进一步提升，通过技术的不断改善及系统软硬件的不断进步，才能够提高相应的导航和定位精度。

由此可见，卫星导航技术在农林行业中的应用已得到国家的重视，特别是我国的北斗卫星导航系统更是被寄予厚望。多学科交叉发展融合也对GNSS提出了新的要求。但是，在目前以农林为特色的高等院校中，卫星导航定位教学工作的开展相对较为滞后，大部分高校对相关知识的讲解仍然局限在表面，而未能开展深入的探讨，也不能从跨学科、多维度的层面深入拓展GNSS导航与定位的作用。实际上，这些客观情况都阻碍了卫星导航技术在农林领域和交叉学科的有效推广和应用。

3 GNSS导航与定位原理课程教学改革的实践与探讨

GNSS导航与定位原理课程的主要教学内容包括：坐标系统和时间系统、卫星运动基础及卫星星历、卫星定位于导航原理、GNSS测量的误差来源及其影响和GNSS测量的设计与实践等。要求学生通过对不同导航定位系统的学习和比较，掌握GNSS领域的发展进程，了解不同卫星导航系统的产生、发展、优缺点及用途;掌握GNSS系统的组成及信号结构、定位原理、测量方法和工作流程。实际上，学习该课程的最终目标是使学生在掌握GNSS相关实践技术操作和数据处理能力的基础上具备完整的GNSS测量工程设计与实施的能力。农业院校GNSS导航与定位原理课程改革框架如图2所示。

3.1 结合院校特点，设计教学内容 随着计算机技术的快速发展，导航定位技术在农林行业中得到了广泛的使用。国家对农林领域高度重视并加大投入，使得智慧农业和智慧农业领域得以快速发展。安徽农业大学农林类专业具有明显优势，因此学校也加大了精准农业领域的研究投入，成立有安徽省北斗精准农业信息工程实验室，这实际上为包括测绘工程专业的学生提供了透彻掌握导航定位原理及学科理论知识的实践平台。如何实现在有限的理论教学课时内，使学生对导航和定位知识有所掌握和理解，是实现成功教学改革的关键。而充分结合院校特色，将导航定位技术特别是北斗卫星導航定位的理论和技术有机融合在GNSS导航与定位原理课程是重中之重。

3.2 理论与实践并重，实践中深化理论 近年来，导航与定位技术在计算科学快速发展的基础上已经取得了显著进步，本课程也不再局限于对导航定位理论知识的讲解。传统的理论课程教学通过多媒体教学模式虽然能够直观地将课程的重点内容展示给学生，但受课程设置等因素的影响，多媒体教学模式下的内容与信息量都较大，而部分授课老师采用幻灯片照本宣科的教学模式也使得学生对课程知识接收的匮乏。即便学生能通过课件对课程的基础知识有一定的掌握，但鉴于GNSS导航与定位原理课程是一门对实践和数据处理要求较高的课程，仅在理论教学支持下浮在“表面”的课程学习无法提升学生对导航定位的技能。随着现代导航定位技术的不断发展，该技术无论在基础建设还是科学研究的层面都愈发的重要，如果仍采用单一的课程理论教学，是无法支撑学生完成相应的科研或工程项目[5]。因此，在实际的课程进程中，需要在理论教学铺垫的前提下，将数据处理和工程设计等实践内容充分与理论知识相结合，不断提高学生解决实际问题的能力。

3.3 完善课程考核方式，综合提升专业技能 GNSS导航与定位原理是一门理论和实践并重的课程，除了要求学生有相当充分的科研储备知识之外，也对学生的动手解决实际问题能力有较高的要求。因此，应综合多个方面和目标对教学效果进行检验。但是实际上目前大部分高校对该课程的考核模式仍然局限于单一的理论考核，而对课程实践部分的考核相对缺失[7]。为了客观反映课程的教学情况，应在传统的课程考核模式之上增加实践操作、数据处理及课程专题内容小组讲演等内容。对于理论知识的考核采用闭卷考试，可以考查学生对课程知识的掌握情况;实践操作在实习实验課程的基础上，将学生随机分组自行设计并完成模拟项目，可以考察学生的团队协作与解决问题的能力;数据处理的考察在理论和实践的考察基础上，检验学生对数据和问题的分析与处理能力;课程专题内容小组讲演对学生随机分组并随机抽取课程理论知识点，把讲台提供给学生，可以考察学生的知识体系构建、临场发挥及应变能力。通过上述多方面融合，可以有效地考查学生对课程的掌握，也能更合理客观地评价学生的综合素质和成绩。

4 结语

在全球可持续发展和我国新时代国家建设需求的背景下，导航和定位技术在包括农林行业等多领域的应用需求都在迅速上升。GNSS导航与定位原理作为测绘工程专业的核心课程，对于提升学生专业课程的学习及后续的科研和工作等多方面的培养具有重要的意义。本文在对现有的导航与定位原理课程的教学现状分析的基础上，探讨了我国北斗导航定位的特点，并充分结合安徽农业大学的办学特色，提出了新的教学改革和设计方案。新的教学内容和方法初步实现对现有课程体系的改革，在提高学生对课程内容深入理解，项目设计和数据分析及问题解决等方面有促进作用，可以为测绘工程专业其他课程的改革提供参考。当然，该课程改革设计中仍存在一定的短板，有待在实际的教学实践中不断地提升。

参考文献

[1]闫飞，冯仲科，王瑞瑞.面向林业的“卫星导航定位原理与应用”课程教学改革初探[J].中国林业教育，2017，35（4）：44-46.

[2]邓岳川，王延霞，李德亮，等.基于MOOC翻转课堂的“GPS原理与应用”课程教学改革实践[J].测绘工程，2017，26（2）：76-80.

[3]汤俊.面向OBE模式的“GNSS原理与应用”课程教学改革与实践[J].测绘工程，2018，27（10）：71-75.

[4]刘鹏举.北斗系统在林业和草原行业应用及思考[J].卫星应用，2020（9）：53-57.

[5]王潜心，邹艳，吴飞，等.《GPS原理与应用》课程教学与改革[J].高教学刊，2016，18：74-75.

[6]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.

[7]孙佳龙，郭淑艳，焦明连，等.卫星定位与导航教学的改革与实践[J].测绘科学，2013，38（5）：190-192.

[8]连达军，陈国栋，袁铭，等.“卫星导航定位原理”课程研究性教学法探讨[J].测绘通报，2018（1）：161-164.

（责编：张宏民）