导航卫星新形势下卫星定位课程教学方法探讨

2024-01-14葛海波李博峰

高教学刊 2024年1期

葛海波李博峰

摘要：当前全球及区域导航卫星系统蓬勃发展，尤其是我国北斗导航卫星系统BDS（BeiDou Navigation Satellite System）的建成，进一步提升全球导航卫星系统的服务能力。另一方面，随着高等教育中课程思政的不断深入，以立德树人为根本任务的高等教育也在经历新的变革。针对导航卫星系统发展的新局面及目前课程思政的发展，有必要改进卫星定位课程的教学方法。针对同济大学卫星导航定位原理与应用课程教学开展的现状，为贯彻三全育人、思政育人理念，探讨卫星导航定位原理与应用课程的教学新方法。

关键词：北斗三号;卫星导航定位;三全育人;课程思政;教学方法

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）01-0018-04

Abstract： The global and regional navigation satellite systems are currently flourishing， especially with the completion of China's BeiDou Navigation Satellite System （BDS）， which further enhances the service capabilities of global navigation satellite systems. On the other hand， as the integration of ideological and political education into higher education deepens， higher education with the fundamental task of cultivating virtue and nurturing talents is undergoing new reforms. In light of the new situation in the development of navigation satellite systems and the current development of ideological and political education in curriculum， it is necessary to improve the teaching methods of satellite positioning courses. In order to implement the concept of holistic education and ideological and political education at Tongji University， this paper aims to explore new teaching methods for the course Principles and Applications of Satellite Navigation Positioning.

Keywords： BeiDou Navigation Satellite System（BDS） 3; satellite navigation and positioning; all round education; curriculum ideology and politics; teaching method

當前导航卫星系统主要有美国的GPS（Global Positioning System）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统GLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM）、中国的北斗导航卫星系统BDS（Beidou Navigation Satellitesy System）和欧盟的伽利略导航卫星系统Galileo（Galileo satellite navigation system）等全球卫星导航系统GNSS（Global Navigation Satellite System），还有日本准天顶卫星系统QZSS（Quasi-Zenith Satellite System）及印度区域导航卫星系统IRNSS（Indian Regional Navigation Satellite System）等区域导航卫星系统。拥有自主知识产权的导航卫星系统，是世界强国的重要标志之一。

我国北斗三号全球卫星导航系统于2020年6月底提前半年完成全球组网。随着北斗三号系统的圆满建成，北斗系统将逐步进入持续稳定运行和全面应用推广的崭新发展阶段。为了满足人们美好生活的需要，以高精度位置信息为核心，以互联网为平台的北斗综合PNT（定位、导航、授时）在自动驾驶、智慧城市等多领域的应用持续深入。我国比之前更加需要卫星导航人才[1]。

同济大学测绘工程专业开设卫星导航定位原理与应用课程已有近30年的历史，是我国最早开设卫星导航课程的高校之一，该课程是本科生必修课程之一。通过该课程学习，让学生掌握卫星导航定位的基本理论和方法，具备运用卫星导航、精密定位和测量的能力，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[2-6]。随着我国北斗卫星导航系统的建成，为提升我国导航卫星事业在学生心中的地位，增强学生四个自信，有必要改变以往以美国GPS为主要代表的课程讲解，重点突出北斗卫星导航系统特色和民族创新的精神，系统地从卫星结构、信号体制、卫星运控及卫星应用等多方面开展启发式教学，进一步激发学生的爱国情怀，提升学生学习兴趣。

一教学目标

以三全育人为标准，培养德智体美劳全面发展的卫星导航人才，主要凸显以下三个教学目标：①在学生群体中增强“四个自信”。在课程中突出北斗卫星导航系统的国家战略地位和技术优势，激发学生的爱国主义情怀，增强学生“四个自信”。②培养知行合一的学生。在传授理论知识的同时，通过编程和工程实践等环节培养学生团队协作精神和实践动手能力。③培养具有创新意识的学生。结合时事，与学生讨论定位、导航和授时相关技术热点问题，在教学中贯穿创新驱动发展的战略思想，激发学生创新意识。

二教学方法探讨

（一）突出北斗三号全球卫星导航系统自主创新与特色，增强“四个自信”

以往的卫星导航定位原理与应用课程都是以美国GPS为案例进行教学。随着我国北斗全球卫星导航系统的建成，该课程的案例教学需要引入更多北斗元素，让学生更好地了解北斗系统的发展史及发展趋势，增强学生四个自信[7-8]。北斗一代从最初双星定位思想提出，到解决卫星平台、信号捕获等难题;北斗二代从希望国际合作获得原子钟技术到自主研发原子钟;北斗三代从区域系统到利用星间链路建成全球系统，每一代系统的建设都遇到了重重困难，通过讲述建设北斗系统的坎坷历程，提高学生的中国特色社会主义道路自信，让学生明白，坚定道路自信就是要坚定走中国特色社会主义道路，这是实现社会主义现代化的必由之路，是为近代历史反复证明的客观真理，是党带领人民从胜利走向胜利的根本保证，也是中华民族走向繁荣富强、中国人民幸福生活的根本保证。我国北斗系统发展的“三步走”战略，北斗系统从无到有、从有源到无源、从区域到全球，这是符合社会主义建设规律及社会发展规律的，这体现的是理论自信。坚持理论自信就是要坚定对共产党执政规律、社会主义建设规律、人类社会发展规律认识的自信，就是要坚定实现中华民族伟大复兴、创造人民美好生活的自信。为了北斗系统，400余家科研院所，30余万科研人员劈波斩浪，攻克了160余项关键技术和“卡脖子”难题，耗时三十余载将30颗北斗卫星全球布局，这正体现了我国集中力量办大事的制度优势，让学生坚定制度自信，就是要相信中国特色社会主义制度具有巨大优越性，相信中国特色社会主义制度能够推动发展、维护稳定，能够保障人民群众的自由平等权利和人身财产安全。文化自信，则体现在北斗的共享理念。北斗总设计师杨长风说道：“建立北斗全球卫星导航系统的初心是‘服务全球、造福人类’。随着北斗系统在世界上得到越来越多国家的肯定和接纳，北斗正在为促进航天领域国际合作作出更大贡献。”北斗，不仅是中国的北斗，更是世界的北斗。作为全球四大卫星导航系统之一，我国北斗与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS签署了兼容与互操作联合声明，并与欧洲的Galileo进行了频率协调，共同推动全球卫星导航应用。作为中国首个面向全球提供公共服务的空间基础设施，北斗导航卫星系统及相关产品在越来越多国家落地应用，产生了显著的经济和社会效益。我国北斗系统在建设之初，就把建设、应用和国际合作作为“三驾马车”。中国成功举办了多届中阿北斗合作论坛和中国-中亚北斗合作论坛及中非北斗合作论坛，通过发布论坛声明、行动计划、应用场景，共同推动卫星导航和北斗系统的应用。中国还同阿盟、中亚、非洲和东盟等建立密切联系，在测试评估、联合应用、教育培训等方面进行深度合作。北斗将持续为全人类提供高精度的定位、導航和授时服务，面向未来，我国将建成以北斗为核心的更加泛在、更加融合、更加智能的下一代综合时空体系。

（二）突出课程的重点难点，引导学生举一反三

卫星导航定位原理与应用课程内容覆盖面广，知识点多，其实是一门将前期多门高等教育理论学习课程转变为科学实践的综合专业课程，需要学生具备扎实的高等数学、线性代数、信号处理、测量平差和大地测量基础等知识。如果按照普通的授课方式逐章讲解，将会出现两种结果：一种是为了确保知识点全部讲述完毕，则必须保持较快的授课节奏，从而导致“蜻蜓点水，浅尝辄止”的结果，且学生听得累，而效果未必好;另一种则是只讲重点内容，且讲得较深较细，这样虽然可以使学生掌握部分知识点，但未能按照教学大纲完成必要的教学内容，而且难以使学生对卫星导航定位技术有一个总体的把握和全局的理解，易产生“只见树木，不见森林”的情况。因此，需要科学统筹规划课程全局，在卫星导航的大框架下，将授课内容划分为相对独立的几大板块，如导航定位系统介绍（包括各个系统发展介绍、时间系统、坐标系统、轨道理论及开普勒根数等）、观测方程与误差源（包括原始观测方程、差分方程、多频组合、各类误差模型及误差模型处理方法等）、参数估计与模糊度固定（包括单点定位解算方法、最小二乘、模糊度固定方法及各自优缺点等），同时建立它们之间的逻辑关系。然后在此基础上明确每个教学板块的重点和难点，尤其注重每个教学板块中卫星导航部分与其他学科之间的交叉相关性，如卫星信号与信号处理课程之间的关系;卫星坐标系和时间系统与大地测量学基础之间的关系;卫星观测方程线性化与高等数学中微积分、级数展开的关系;定位方程解算与线性代数之间的关系;等等。引导学生学以致用，明白高等教育中基础学科在卫星导航课程中的作用，真正做到“授人以鱼，不如授人以渔”。

以讲解地心地固坐标系与站心地平坐标系之间的转换为例，通常会按照地心地固坐标系、站心赤道坐标系及站心地平坐标系的顺序，较为枯燥地给学生介绍各个坐标系的定义及它们之间的相互转换关系。而在该课程中，以卫星高度角与方位角的问题为引导，将三个坐标系的关系顺其自然地讲解给学生（通常人们在观测卫星或者自然天体时习惯采用高度角和方位角去描述卫星或者天体的位置，而根据广播星历获得的卫星坐标及观测文件中给出的测站概略坐标是地心地固坐标系下的坐标，那么这两个坐标系要如何进行转换呢？这里其实就涉及地心地固坐标系、站心赤道坐标系、站心地平坐标系及站心极坐标系的概念和它们之间的相互转换），让学生在解决实际问题的过程中学会理解、思考、掌握及巩固知识。通过学习，让学生重新认识其他学科在卫星导航课程中的应用，真正体会学以致用，提高学生在未来学习甚至工作中举一反三、触类旁通的能力。

（三）突出卫星导航的应用特点，增强学生实践能力

卫星导航定位原理与应用课程是一门理论与实践紧密结合的应用型专业课程[9]。因此，如何增强学生动手实践能力，提高学生对卫星导航兴趣是该门课的另一个重要任务[10-12]。动手实践能力主要分为两方面内容。第一个内容是该课程的重点内容，即让学生掌握卫星定位基本原理，在此基础上利用导航电文（广播星历）及GNSS测站观测文件进行GPS/BDS单点定位程序编写，实现卫星导航定位功能。该内容首先考查的是学生查阅资料、阅读文献的能力（包括GNSS标准格式文件、各大导航卫星系统空间信号接口控制文件等，只有掌握了这些文件的格式，才能进行后续的文件读写操作）;其次考查的是学生对于卫星定位理论的掌握程度（包括时间系统、坐标系统、卫星发射时刻的坐标计算、卫星钟差的计算、各类误差改正方法、观测方程建立和最小二乘解算等，只有掌握了这些原理知识，才能编程实现最终的定位解算）;最终锻炼的是学生计算机编程能力，学会了理论之后，最终要通过程序实现卫星定位（计算机程序是让很多大学生头疼的一门课。在该课程中，着重强调要把计算机程序当成一种计算工具，利用计算机程序实现各种定位功能才是该课程的真正目的）。该内容以往学生只采用GPS进行解算，目前该课程引入BDS，让学生同时采用GPS和BDS进行单点定位解算，让学生通过自己编写程序的解算结果自行比较BDS和GPS的定位能力，从实际结果中体会BDS的强大。第二个内容是掌握卫星导航基本原理，学会使用卫星导航测量仪器，利用测绘软件解算并分析结果。针对GNSS控制网建立，可以先要求学生分小组进行讨论，并设计出网型和外业测量方案，选取平差和坐标转换模型，再以课堂报告的形式展开讨论，小组间进行方案互评，结合所学知识从网型强度、观测有效性、测量精度和平差模型可靠性等多方面对各小组方案进行评价。最后，要求学生对设计方案进行优化并进行课堂实验，完成外业实地测量、内业数据处理及结果报告撰写。

在课程即将结束时，挑选几名实验优秀的学生整理相关内容与大家分享经验，同辈之间的交流会让更多的同学参与讨论，讨论的内容涉及程序的编写，具体模型的使用，定位过程中如何查找问题，等等，在树立优秀榜样的同时，也让大家积极努力，向优秀的学生学习，通过交流，相互帮助，能覆盖到更多的学生，让更多的学生能顺利完成实验。通过测绘软件的应用及独立开发单点定位程序，提升学生的成就感，让学生明白“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，促使学生将课程多个知识点有机联系起来，融会贯通，为未来工作就业或继续科学研究打下坚实的基础。

（四）课堂教学与实地参观相结合，激发学生民族荣誉感

该课程的课堂教学不仅包括卫星导航定位的基础知识，还包含了卫星导航定位的前沿技术及应用讲解，包括实时动态定位RTK（Real-time kinematic）、网络RTK（NRTK）、精密单点定位PPP（Precise Point Positioning）及PPP-RTK。这些定位技术的原理及应用在课堂上给学生们介绍，为加深学生对这些技术的印象和使用场景，在课程结束时组织学生参观相关企业（如上海华测导航技术股份有限公司、千寻位置网络有限公司等），在参观企业的过程中了解自己所学知识在生产生活中的实际应用，同时了解当前卫星导航相关企业的发展动向，引导学生思考自己未来学习研究方向。另一方面，卫星星座是卫星导航定位原理与应用这门课程的主要研究对象，而卫星对于学生来说看不见，更摸不着。为了让学生对卫星星座系统有更加深刻的认识，有必要组织学生参观相关科研单位，了解卫星导航中的卫星系统究竟是如何运转的。同济大学能充分利用地理位置及资源优势，让学生近距离地感受到卫星星座的存在。对于上过该课程的学生来说，最熟悉的就是单点定位必须要使用的广播星历，北斗导航卫星系统的广播星历主要由中科院上海天文台编制。此外，作为北斗三号卫星“心脏”的制造地，中国科学院上海天文台研制的被动型星载氢原子钟，约合数百万年甚至一千万年才有1秒误差。因此，组织参观中国科学院上海天文台有助于学生进一步了解广播星历的来历、高精度原子钟的科技含量等。此外，北斗三号30颗卫星中有10颗出自位于上海的中国科学院微小卫星创新研究院。北斗三号卫星上，新技术占比超过70%，而一般卫星上使用的新技术占比不到30%。首先，北斗三号采用全新卫星导航平台，使卫星减重一半，寿命提升20%;首次采用了基于氮化镓的固态功率放大器，可有效提高信号质量。其次，为了解决我国区域测站监测全球北斗卫星的难题，采用的星间链路技术实现了一星通、星星通之后，卫星观测值数量提高了10～30倍，测控覆盖从30%提高到100%。通过参观中国科学院微小卫星创新研究院，让学生近距离了解卫星的制造过程。最后，同济大学建有北斗分析中心和创新研究与应用中心，每时每刻计算着北斗卫星的轨道及钟差并实时显示在电子屏幕上，让学生参观北斗分析中心，有助于学生了解北斗卫星运行机制、服务机制等。这些先进的科学技术，不仅需要在课堂上告诉学生，更重要的是让学生能真实感受到，真正零距离感受这些让世界刮目相看的中国卫星研制新技术，不断激发学生的爱国热情与民族荣誉感。

三结束语

随着高等教育中课程思政的不断深入，以立德树人为根本任务的高等教育经历着新的变革。此外，针对目前全球导航卫星蓬勃发展的新局面，尤其是我国北斗全球卫星导航系统的建成及推广应用，充分挖掘卫星导航定位原理与应用课程教学中的思政元素，改变原有以GPS为主要讲解对象的课堂模式，对新形势下的卫星导航定位原理与应用教学具有重要意义。本文探讨了卫星导航定位原理与应用课程教学新方法：重点突出北斗三号全球卫星导航系统，激发学生爱国主义情怀，增强四个自信;突出课程重点难点，引导学生融会贯通;突出卫星导航的应用特点，增强学生实践能力;学习与参观相结合，激发学生民族自豪感。从不同角度培养卫星导航人才。

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