通信专业开设“卫星导航原理与应用”课程的教学改革探索＊

温 靖，张启梁，刘 敏

（南昌航空大学信息工程学院，江西 南昌 330038）

全球卫星导航系统具备全球不间断定位和授时能力，广泛应用于民用和军用领域中，如航空、航海和自动驾驶等。现有的卫星导航系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo 和中国的北斗（BDS）卫星导航系统[1]。2020 年7 月，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，北斗系统进入全球组网阶段，为全球用户提供服务，同时开启了北斗系统全球化和产业化的新时代。北斗产业也被列入国家“十四五”规划重点项目，各级政府纷纷出台政策，鼓励加强北斗与物联网、人工智能和5G 通信等前沿技术进行融合创新，积极鼓励“北斗+”“+北斗”的技术创新。预计北斗导航产业年均增长将达20%以上，2025 年产业总产值预估将达到1 万亿元。卫星导航的应用将逐步渗入到各领域和各行业中，市场对卫星导航技术专业人才需求也将大大增加。因此，研究卫星导航课程的教学方法对支持北斗融合应用具有重要的意义[2-3]。北斗航空导航具有定位精度高、可靠性好的优点，极有可能代替陆基导航系统成为航空器的主要的导航系统，为航空器提供导航、定位和着陆等服务。但该课程所涉及相关知识较多，内容较抽象，给教学提出了更高的要求[4-5]。

目前，国内已经有相当部分院校在本科阶段开设了卫星导航相关课程[6-7]，按专业大体可以分为2 类，一类是测绘专业，教学重点为数据处理部分，侧重讲授高精度定位技术；另一类电子工程等专业，教学重点为导航接收机技术，侧重讲授信号处理技术[8-9]。南昌航空大学作为一所以航空为特色的高等院校，开设的“卫星导航原理与应用”课程作为航空通信方向的核心专业课程，将培养目标建立在培养适用于民航和通用航空的专业通信技术人才上。

1 “卫星导航原理与应用”课程教学的难点和问题

卫星导航涉及的技术广泛，包括天文学、电子学、电磁学、大地测量学及气象学等多个学科，存在如下教学难点和问题：①通过有限的学时，无法面面俱到地讲解，往往使得教学内容重点不突出，学生无法抓住重点和主线；同时由于课程涉及的公式算法较多，原理又相对枯燥不容易理解，更增加了学生的学习难度，影响了教学效果。②卫星导航实验设置复杂，而且卫星导航技术正处在完善的过程中，较难建立完整的实验教学环境；这使得课堂传授的基础知识与工程应用联系不够，学生实践环节缺失，造成对理论原理理解不深入，工程实践应用能力也不过关。③课程开设在大三下学期，课程关联前期课程较多，除了大量电子信息类科目，包括“微波技术与天线”“信息论与编码”和“通信原理”等，还包括“高等数学”“线性代数”和“概率论”等数理知识；这些前期课程在不同学期开设，时间跨度大，学生对这些科目的掌握程度存在差异，专业或数理基础较差的同学容易跟不上教学进度，进而丧失学习兴趣。

另一方面，教学计划和安排也需要进行调整。需要合理安排“卫星导航原理与应用”课程的学时数，由于课程内涉及较多的基础理论知识，在短暂的40 个计划学时安排中将所有内容都进行一一讲解是不太现实的。如果采用蜻蜓点水般的授课方式，学生只能囫囵吞枣式地接收，很难理解课堂内容甚至产生畏难情绪。所以特别需要研究如何在教学中合理安排教学进度，将各个知识点按难易程度差异穿插在教学过程中，突出通信专业相关的应用知识教学。并且需要考虑如何适当减少其他与通信专业结合较少的知识讲授，合理利用有限的课堂教学时间。由于“卫星导航原理与应用”还是一门工程与理论兼顾的专业课程，教学目标是为在航空领域应用卫星导航技术的学生打好理论基础，同时培养学生的实践和开发能力，仅仅依靠理论教学，学生无法直观对卫星导航定位有更深入的理解，更希望能在应用中掌握卫星导航和定位的实现方法。这些需求仅依靠计算机仿真形式的虚拟实验课程是无法满足学生和实际实验教学的要求的，迫切需要建立虚实结合的开发式实验室，以支撑实验教学的有效开展。

2 课程教学措施改革

2.1 突出重点，注意关联其他基础学科

“卫星导航原理与应用”课程涉及的内容较多，特别需要处理好教学重点，结合通信工程专业本科学生的知识结构和应用方向，教学的重点内容应放在卫星定位基本原理、卫导航定位信号、卫星信号的捕获、卫星信号的跟踪、导航接收机及其电路几个方面。这些知识点在之前的专业基础课程中都有所涉及，需要前后贯通来进行讲授课程，综合结合应用其他基础课程的理论知识，重点讲解导航中所涉及的射频微波、基带处理、扩频通信和调制解调等电子信息类技术，启发学生进行研究性和创造性思维探索。

图1 为“卫星导航原理与应用”课程重点内容与前置基础课程直接的联系，通过梳理知识结构，前后贯通串讲的方式，既可以复习之前讲授的基础和应用课程知识，还可以让学生认识到基础知识是如何在工程中应用的，从而摆脱枯燥的理论讲解。例如在讲解导航天线方面的知识时，将导航天线的几个主要参数，如增益、驻波和轴比等，结合“微波技术与天线”课程内容，讲解回顾天线结构、全向和定向天线等知识，引导出不同应用场合工程中使用的导航天线，使得学生可以结合已学习的知识了解通信技术在导航工程中的应用。在讲解导航信号的跟踪方面的知识时，通过复习“高频电子线路”课程中锁相环基本原理，通过分析一阶锁相环和二阶锁相环的传递函数及误差特性，讲解如何利用锁相环对卫星导航信号进行跟踪。

图1 教学重点与其他基础课程关联

2.2 详略得当，注意取舍

“卫星导航原理与应用”课程知识多且学科相互渗透，在有限的学时中，不可能逐一展开讲解，需要在诸多知识点中进行取舍。教学中可以采用强调思想简化数学模型的方式展开教学，对数学理论的严密推导不做过多要求，将教学重点放在核心算法的思想上。调整教学内容的深浅，重点突出理解导航系统的工作原理，将学习精力放到卫星导航领域中采用何种通信技术上来。将授课内容立足于通信专业学生，对教学内容进行精心组织和梳理，尽量减少其他学科相关基础理论内容，对其他学科涉及到的知识点只要求理解，突出导航信号的接收处理、观测、解算等与通信专业相关联的接收机技术，同时增加实践环节，加强问题和工程案例分析。例如，在讲解定位基本原理时，需要介绍天体力学知识，包括开普勒三大定律、轨道根数等概念，电子信息类学生对这部分知识接触较少，但在卫星导航原理讲解中不可或缺。可以采用仿真工具辅助教学方法，通过仿真展示卫星轨道、轨道根数和星例之间的关系，减少复杂的公式推导，将更多学时放在通信技术应用的讲解上。

2.3 建设开放式导航实验室，加强实践教育

“卫星导航原理与应用”课程同时也是一门实践性很强的工程应用专业学科，加强实践教学环节可以增强学生对课堂理论内容的理解和掌握。但是在卫星导航实验教学方面，设计的实验大多数是演示性和验证性的，没有给学生独立思考和自主训练的机会和空间。可以构建开放式的卫星导航实验室，如图2 所示，使得学生在实验室内即可完成课程实训和综合实验设计。实验构建包括外置接收天线、室内转发器主机、室内转发天线、导航原理实验平台和OEM 套件。一方面，通过外置接收天线接收GPS/BDS 卫星信号，可以接收BDS B1 频段和GPS L1 频段，接收卫星信号再通过BD/GPS 卫星信号转发器，通过发射天线转发GPS/BDS 信号，将卫星信号在室内覆盖，确保整个实验室都可以有效接收卫星信号。实验内的卫星导航实验平台和OEM 板卡可以用于对导航信号进行捕获跟踪，获得广播星历和原始观测量，并将星历和原始测量数据传输至实验PC。学生在真实卫星信号环境下，通过实验和编程，理解卫星测距原理，测量误差和信号传输误差，实时计算BDS/GPS 卫星轨道等。另一方面，采用Matlab 通信仿真工具箱设计虚拟仿真实验，例如导航信号C/A 的产生和导航信号捕获等信号调制和接收实验，增强学生对无线电导航原理的理解。通过构建完整的教学实验环境展开教学，将虚拟仿真实验配合实物操作，把仿真教学融入实践教学中，结合真实卫星导航硬件平台开展实验教学，实现“虚实结合”的课程教学方法，并且适当地在实践环节中着重添加航空应用内容，增加工程问题和案例分析，提高学生解决问题和动手的能力，提高学生的创新精神。

图2 开放式的卫星导航实验室示意图

3 授课模式改革

3.1 贴近应用需求，培养学生学习兴趣

努力在教学过程中增加以学生兴趣点为主的创新应用环节，在卫星导航的应用中有序地融入课程章节与知识点。教学时可以采用结合问题和技术牵引的教学模式，以卫星导航需要解决的问题为主线牵引具体解决方案并展开相关知识，引导学生独立思考采用何种技术解决问题。对部分章节，可以采用翻转教学方式，将部分之前已经学过的基础专业知识点的内容，交由学生进行讲解和讨论，尽可能调动起学生内在的驱动力。同时，对于“卫星导航定位原理与应用”课程的实践教学而言，强调课程的实践和前瞻性，组织学生小组进行“北斗+”和“+北斗”创新应用方案设计和研讨，通过组间案例分享，对未来卫星导航，特别是结合中国的北斗系统的发展趋势和现实需要进行展开讨论，在加强对原理专业知识理解的同时，培养学生基于卫星导航的学习兴趣，进而提高基于北斗应用的创新创业热情。

3.2 以课程设计和主题报告的方式提高学生实践能力

“卫星导航原理与应用”是一门理论联系实践的课程，将课程设计融合实践课程内容。通过建立预先应用背景，让学生完成设计，通过实验验证后再进行报告，报告结束后通过问答环节，授课教师解决在设计当中遇到的一些难题。让学生在实验设计、实验验证和实验总结汇报的全过程中，都可以对自身学习的专业知识有更深的认知，更能促进学生全面素质的发展。例如，可将中国大力发展通用航空产业的政策结合现有监管技术的缺陷，布置航空通信监控技术主题报告。学生可以结合其他通信专业课程，通过比较公共移动通信网络与北斗卫星通信系统的差异，加深了学生对北斗导航卫星短报文技术的理解，同时锻炼了学生的实践能力，也培养了学生查找文献综述的基本科研能力。

3.3 采用多重灵活的考核方式

由以上教学模式可知，学生在学习过程中有很多考核机会。例如翻转课堂教学和课程设计报告等环节，可以依据这些教学中间环节建立多元化考核机制，取代单一的期末考试方式。考核内容可以包含多个方面，包括仿真作业、课堂翻转教学、实验报告、课程设计和答辩等。在教学过程中加强监控，采用量化考核标准，优化考核。例如，重视实验教学前的预习报告，要求报告中将实验内容、流程和基本原理进行整理，在具体实验过程中要求学生按预习流程进行操作，对每一项要求的实验任务都要分析实验现象，注意实验结束后学生与学生、学生与教师之间的交流讨论，强调学习效果在教学过程中的体现，并依此设立衡量综合素质为依据的评分标准，力求更真实地反映学生的学习情况。

4 结束语

经过以上教学措施和授课模式的改革，从多角度进行卫星导航课程教学。使得学生更扎实地掌握卫星导航的基础理论知识，对卫星导航中涉及的天线、扩频通信、调制解调和数字接收等通信技术的应用方式有清晰的认识，深刻理解卫星导航信号捕获、跟踪、定位解算关键技术。同时，在培养过程中注重导航行业与通信专业结合，实践能力与理论水平并重。使得学生具备卫星导航领域全面的基础知识结构，以及丰富的工程实践经验和活跃的创新思维，为中国北斗导航专业技术人才的培养奠定基础。