導航衛星新形勢下衛星定位課程教學方法探討

葛海波 李博峰

摘? 要：當前全球及區域導航衛星系統蓬勃發展，尤其是我國北斗導航衛星系統BDS（BeiDou Navigation Satellite System）的建成，進一步提升全球導航衛星系統的服務能力。另一方面，隨著高等教育中課程思政的不斷深入，以立德樹人為根本任務的高等教育也在經歷新的變革。針對導航衛星系統發展的新局面及目前課程思政的發展，有必要改進衛星定位課程的教學方法。針對同濟大學衛星導航定位原理與應用課程教學開展的現狀，為貫徹三全育人、思政育人理念，探討衛星導航定位原理與應用課程的教學新方法。

關鍵詞：北斗三號;衛星導航定位;三全育人;課程思政;教學方法

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

當前導航衛星系統主要有美國的GPS（Global Positioning System）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統GLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM）、中國的北斗導航衛星系統BDS（Beidou Navigation Satellitesy System）和歐盟的伽利略導航衛星系統Galileo（Galileo satellite navigation system）等全球衛星導航系統GNSS（Global Navigation Satellite System），還有日本準天頂衛星系統QZSS（Quasi-Zenith Satellite System）及印度區域導航衛星系統IRNSS（Indian Regional Navigation Satellite System）等區域導航衛星系統。擁有自主知識產權的導航衛星系統，是世界強國的重要標志之一。

我國北斗三號全球衛星導航系統于2020年6月底提前半年完成全球組網。隨著北斗三號系統的圓滿建成，北斗系統將逐步進入持續穩定運行和全面應用推廣的嶄新發展階段。為了滿足人們美好生活的需要，以高精度位置信息為核心，以互聯網為平臺的北斗綜合PNT（定位、導航、授時）在自動駕駛、智慧城市等多領域的應用持續深入。我國比之前更加需要衛星導航人才[1]。

同濟大學測繪工程專業開設衛星導航定位原理與應用課程已有近30年的歷史，是我國最早開設衛星導航課程的高校之一，該課程是本科生必修課程之一。通過該課程學習，讓學生掌握衛星導航定位的基本理論和方法，具備運用衛星導航、精密定位和測量的能力，為進一步從事衛星導航定位的研究和實踐打下堅實的基礎[2-6]。隨著我國北斗衛星導航系統的建成，為提升我國導航衛星事業在學生心中的地位，增強學生四個自信，有必要改變以往以美國GPS為主要代表的課程講解，重點突出北斗衛星導航系統特色和民族創新的精神，系統地從衛星結構、信號體制、衛星運控及衛星應用等多方面開展啟發式教學，進一步激發學生的愛國情懷，提升學生學習興趣。

一? 教學目標

以三全育人為標準，培養德智體美勞全面發展的衛星導航人才，主要凸顯以下三個教學目標：①在學生群體中增強“四個自信”。在課程中突出北斗衛星導航系統的國家戰略地位和技術優勢，激發學生的愛國主義情懷，增強學生“四個自信”。②培養知行合一的學生。在傳授理論知識的同時，通過編程和工程實踐等環節培養學生團隊協作精神和實踐動手能力。③培養具有創新意識的學生。結合時事，與學生討論定位、導航和授時相關技術熱點問題，在教學中貫穿創新驅動發展的戰略思想，激發學生創新意識。

二? 教學方法探討

（一）? 突出北斗三號全球衛星導航系統自主創新與特色，增強“四個自信”

以往的衛星導航定位原理與應用課程都是以美國GPS為案例進行教學。隨著我國北斗全球衛星導航系統的建成，該課程的案例教學需要引入更多北斗元素，讓學生更好地了解北斗系統的發展史及發展趨勢，增強學生四個自信[7-8]。北斗一代從最初雙星定位思想提出，到解決衛星平臺、信號捕獲等難題;北斗二代從希望國際合作獲得原子鐘技術到自主研發原子鐘;北斗三代從區域系統到利用星間鏈路建成全球系統，每一代系統的建設都遇到了重重困難，通過講述建設北斗系統的坎坷歷程，提高學生的中國特色社會主義道路自信，讓學生明白，堅定道路自信就是要堅定走中國特色社會主義道路，這是實現社會主義現代化的必由之路，是為近代歷史反復證明的客觀真理，是黨帶領人民從勝利走向勝利的根本保證，也是中華民族走向繁榮富強、中國人民幸福生活的根本保證。我國北斗系統發展的“三步走”戰略，北斗系統從無到有、從有源到無源、從區域到全球，這是符合社會主義建設規律及社會發展規律的，這體現的是理論自信。堅持理論自信就是要堅定對共產黨執政規律、社會主義建設規律、人類社會發展規律認識的自信，就是要堅定實現中華民族偉大復興、創造人民美好生活的自信。為了北斗系統，400余家科研院所，30余萬科研人員劈波斬浪，攻克了160余項關鍵技術和“卡脖子”難題，耗時三十余載將30顆北斗衛星全球布局，這正體現了我國集中力量辦大事的制度優勢，讓學生堅定制度自信，就是要相信中國特色社會主義制度具有巨大優越性，相信中國特色社會主義制度能夠推動發展、維護穩定，能夠保障人民群眾的自由平等權利和人身財產安全。文化自信，則體現在北斗的共享理念。北斗總設計師楊長風說道：“建立北斗全球衛星導航系統的初心是‘服務全球、造福人類’。隨著北斗系統在世界上得到越來越多國家的肯定和接納，北斗正在為促進航天領域國際合作作出更大貢獻?！北倍?，不僅是中國的北斗，更是世界的北斗。作為全球四大衛星導航系統之一，我國北斗與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS簽署了兼容與互操作聯合聲明，并與歐洲的Galileo進行了頻率協調，共同推動全球衛星導航應用。作為中國首個面向全球提供公共服務的空間基礎設施，北斗導航衛星系統及相關產品在越來越多國家落地應用，產生了顯著的經濟和社會效益。我國北斗系統在建設之初，就把建設、應用和國際合作作為“三駕馬車”。中國成功舉辦了多屆中阿北斗合作論壇和中國-中亞北斗合作論壇及中非北斗合作論壇，通過發布論壇聲明、行動計劃、應用場景，共同推動衛星導航和北斗系統的應用。中國還同阿盟、中亞、非洲和東盟等建立密切聯系，在測試評估、聯合應用、教育培訓等方面進行深度合作。北斗將持續為全人類提供高精度的定位、導航和授時服務，面向未來，我國將建成以北斗為核心的更加泛在、更加融合、更加智能的下一代綜合時空體系。

（二）? 突出課程的重點難點，引導學生舉一反三

衛星導航定位原理與應用課程內容覆蓋面廣，知識點多，其實是一門將前期多門高等教育理論學習課程轉變為科學實踐的綜合專業課程，需要學生具備扎實的高等數學、線性代數、信號處理、測量平差和大地測量基礎等知識。如果按照普通的授課方式逐章講解，將會出現兩種結果：一種是為了確保知識點全部講述完畢，則必須保持較快的授課節奏，從而導致“蜻蜓點水，淺嘗輒止”的結果，且學生聽得累，而效果未必好;另一種則是只講重點內容，且講得較深較細，這樣雖然可以使學生掌握部分知識點，但未能按照教學大綱完成必要的教學內容，而且難以使學生對衛星導航定位技術有一個總體的把握和全局的理解，易產生“只見樹木，不見森林”的情況。因此，需要科學統籌規劃課程全局，在衛星導航的大框架下，將授課內容劃分為相對獨立的幾大板塊，如導航定位系統介紹（包括各個系統發展介紹、時間系統、坐標系統、軌道理論及開普勒根數等）、觀測方程與誤差源（包括原始觀測方程、差分方程、多頻組合、各類誤差模型及誤差模型處理方法等）、參數估計與模糊度固定（包括單點定位解算方法、最小二乘、模糊度固定方法及各自優缺點等），同時建立它們之間的邏輯關系。然后在此基礎上明確每個教學板塊的重點和難點，尤其注重每個教學板塊中衛星導航部分與其他學科之間的交叉相關性，如衛星信號與信號處理課程之間的關系;衛星坐標系和時間系統與大地測量學基礎之間的關系;衛星觀測方程線性化與高等數學中微積分、級數展開的關系;定位方程解算與線性代數之間的關系;等等。引導學生學以致用，明白高等教育中基礎學科在衛星導航課程中的作用，真正做到“授人以魚，不如授人以漁”。

以講解地心地固坐標系與站心地平坐標系之間的轉換為例，通常會按照地心地固坐標系、站心赤道坐標系及站心地平坐標系的順序，較為枯燥地給學生介紹各個坐標系的定義及它們之間的相互轉換關系。而在該課程中，以衛星高度角與方位角的問題為引導，將三個坐標系的關系順其自然地講解給學生（通常人們在觀測衛星或者自然天體時習慣采用高度角和方位角去描述衛星或者天體的位置，而根據廣播星歷獲得的衛星坐標及觀測文件中給出的測站概略坐標是地心地固坐標系下的坐標，那么這兩個坐標系要如何進行轉換呢？這里其實就涉及地心地固坐標系、站心赤道坐標系、站心地平坐標系及站心極坐標系的概念和它們之間的相互轉換），讓學生在解決實際問題的過程中學會理解、思考、掌握及鞏固知識。通過學習，讓學生重新認識其他學科在衛星導航課程中的應用，真正體會學以致用，提高學生在未來學習甚至工作中舉一反三、觸類旁通的能力。

（三）? 突出衛星導航的應用特點，增強學生實踐能力

衛星導航定位原理與應用課程是一門理論與實踐緊密結合的應用型專業課程[9]。因此，如何增強學生動手實踐能力，提高學生對衛星導航興趣是該門課的另一個重要任務[10-12]。動手實踐能力主要分為兩方面內容。第一個內容是該課程的重點內容，即讓學生掌握衛星定位基本原理，在此基礎上利用導航電文（廣播星歷）及GNSS測站觀測文件進行GPS/BDS單點定位程序編寫，實現衛星導航定位功能。該內容首先考查的是學生查閱資料、閱讀文獻的能力（包括GNSS標準格式文件、各大導航衛星系統空間信號接口控制文件等，只有掌握了這些文件的格式，才能進行后續的文件讀寫操作）;其次考查的是學生對于衛星定位理論的掌握程度（包括時間系統、坐標系統、衛星發射時刻的坐標計算、衛星鐘差的計算、各類誤差改正方法、觀測方程建立和最小二乘解算等，只有掌握了這些原理知識，才能編程實現最終的定位解算）;最終鍛煉的是學生計算機編程能力，學會了理論之后，最終要通過程序實現衛星定位（計算機程序是讓很多大學生頭疼的一門課。在該課程中，著重強調要把計算機程序當成一種計算工具，利用計算機程序實現各種定位功能才是該課程的真正目的）。該內容以往學生只采用GPS進行解算，目前該課程引入BDS，讓學生同時采用GPS和BDS進行單點定位解算，讓學生通過自己編寫程序的解算結果自行比較BDS和GPS的定位能力，從實際結果中體會BDS的強大。第二個內容是掌握衛星導航基本原理，學會使用衛星導航測量儀器，利用測繪軟件解算并分析結果。針對GNSS控制網建立，可以先要求學生分小組進行討論，并設計出網型和外業測量方案，選取平差和坐標轉換模型，再以課堂報告的形式展開討論，小組間進行方案互評，結合所學知識從網型強度、觀測有效性、測量精度和平差模型可靠性等多方面對各小組方案進行評價。最后，要求學生對設計方案進行優化并進行課堂實驗，完成外業實地測量、內業數據處理及結果報告撰寫。

在課程即將結束時，挑選幾名實驗優秀的學生整理相關內容與大家分享經驗，同輩之間的交流會讓更多的同學參與討論，討論的內容涉及程序的編寫，具體模型的使用，定位過程中如何查找問題，等等，在樹立優秀榜樣的同時，也讓大家積極努力，向優秀的學生學習，通過交流，相互幫助，能覆蓋到更多的學生，讓更多的學生能順利完成實驗。通過測繪軟件的應用及獨立開發單點定位程序，提升學生的成就感，讓學生明白“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，促使學生將課程多個知識點有機聯系起來，融會貫通，為未來工作就業或繼續科學研究打下堅實的基礎。

（四）? 課堂教學與實地參觀相結合，激發學生民族榮譽感

該課程的課堂教學不僅包括衛星導航定位的基礎知識，還包含了衛星導航定位的前沿技術及應用講解，包括實時動態定位RTK（Real-time kinematic）、網絡RTK（NRTK）、精密單點定位PPP（Precise Point Positioning）及PPP-RTK。這些定位技術的原理及應用在課堂上給學生們介紹，為加深學生對這些技術的印象和使用場景，在課程結束時組織學生參觀相關企業（如上海華測導航技術股份有限公司、千尋位置網絡有限公司等），在參觀企業的過程中了解自己所學知識在生產生活中的實際應用，同時了解當前衛星導航相關企業的發展動向，引導學生思考自己未來學習研究方向。另一方面，衛星星座是衛星導航定位原理與應用這門課程的主要研究對象，而衛星對于學生來說看不見，更摸不著。為了讓學生對衛星星座系統有更加深刻的認識，有必要組織學生參觀相關科研單位，了解衛星導航中的衛星系統究竟是如何運轉的。同濟大學能充分利用地理位置及資源優勢，讓學生近距離地感受到衛星星座的存在。對于上過該課程的學生來說，最熟悉的就是單點定位必須要使用的廣播星歷，北斗導航衛星系統的廣播星歷主要由中科院上海天文臺編制。此外，作為北斗三號衛星“心臟”的制造地，中國科學院上海天文臺研制的被動型星載氫原子鐘，約合數百萬年甚至一千萬年才有1秒誤差。因此，組織參觀中國科學院上海天文臺有助于學生進一步了解廣播星歷的來歷、高精度原子鐘的科技含量等。此外，北斗三號30顆衛星中有10顆出自位于上海的中國科學院微小衛星創新研究院。北斗三號衛星上，新技術占比超過70%，而一般衛星上使用的新技術占比不到30%。首先，北斗三號采用全新衛星導航平臺，使衛星減重一半，壽命提升20%;首次采用了基于氮化鎵的固態功率放大器，可有效提高信號質量。其次，為了解決我國區域測站監測全球北斗衛星的難題，采用的星間鏈路技術實現了一星通、星星通之后，衛星觀測值數量提高了10～30倍，測控覆蓋從30%提高到100%。通過參觀中國科學院微小衛星創新研究院，讓學生近距離了解衛星的制造過程。最后，同濟大學建有北斗分析中心和創新研究與應用中心，每時每刻計算著北斗衛星的軌道及鐘差并實時顯示在電子屏幕上，讓學生參觀北斗分析中心，有助于學生了解北斗衛星運行機制、服務機制等。這些先進的科學技術，不僅需要在課堂上告訴學生，更重要的是讓學生能真實感受到，真正零距離感受這些讓世界刮目相看的中國衛星研制新技術，不斷激發學生的愛國熱情與民族榮譽感。

三? 結束語

隨著高等教育中課程思政的不斷深入，以立德樹人為根本任務的高等教育經歷著新的變革。此外，針對目前全球導航衛星蓬勃發展的新局面，尤其是我國北斗全球衛星導航系統的建成及推廣應用，充分挖掘衛星導航定位原理與應用課程教學中的思政元素，改變原有以GPS為主要講解對象的課堂模式，對新形勢下的衛星導航定位原理與應用教學具有重要意義。本文探討了衛星導航定位原理與應用課程教學新方法：重點突出北斗三號全球衛星導航系統，激發學生愛國主義情懷，增強四個自信;突出課程重點難點，引導學生融會貫通;突出衛星導航的應用特點，增強學生實踐能力;學習與參觀相結合，激發學生民族自豪感。從不同角度培養衛星導航人才。

參考文獻：

[1] 李厚樸，邊少鋒，紀兵，等.“衛星導航原理及應用”課程改革實踐[J].電氣電子教學學報，2018，40（2）：22-24，65.

[2] 徐曉華，黃勁松，周曉慧，等.關于建設導航工程專業衛星導航原理課程的思考[J].科教導刊，2013（36）：108-109.

[3] 郭斐，劉萬科，樓益棟，等.導航工程專業衛星導航數據處理方法課程建設與思考[J].全球定位系統，2016，41（4）：120-122.

[4] 夏開旺，李大華，林鵬，等.新形勢下的GPS原理及應用課程教學改革與探索[J].山西建筑，2019，45（19）：190-191.

[5] 張瑞，王曉醉.《GPS原理與應用》課程教學的若干思考[J].教育教學論壇，2017（27）：174-175.

[6] 王爾申，李玉峰，邵清亮，等.“衛星導航原理與應用”課程教學內容和方法研究[J].實驗技術與管理，2015，32（7）：206-209.

[7] 楊玲，李博峰，李浩軍，等.《衛星導航定位原理與應用》課程中的“四史”教育[J].導航定位學報，2021，9（2）：122-126.

[8] 李浩軍，李博峰，楊玲，等.衛星導航定位課程中愛國主義教育內容的融入探討[J].導航定位學報，2021，9（1）：135-138.

[9] 吳云，姜晶，翟娟.導航工程專業最優估計課程教學改革[J].全球定位系統，2019，44（3）：131-133.

[10] 王爾申，岳孝東，李軒，等.基于STK的衛星導航原理與應用課程教學方法研究[J].實驗技術與管理，2016，33（5）：129-131.

[11] 張萬威，王甫紅，郭斐，等.衛星導航嵌入式教學實驗平臺建設與實踐[J].全球定位系統，2017，42（3）：99-102.

[12] 吳有龍，徐楠，于繼明，等.衛星導航原理與應用課程可視化教學方法[J].2019，38（2）：163-166.

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目“低軌衛星增強GNSS（LeGNSS）精密單點定位理論與方法”（42104013）

第一作者簡介：葛海波（1990-），男，漢族，浙江紹興人，博士，助理教授。研究方向為衛星大地測量與數據處理。