北斗GNSS导航信号处理课程教学改革初探
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[摘 要] 针对GNSS导航信号处理教学中遇到的学生学习目标不明确、公式繁琐导致学生学习积极性不高等问题，提出了结合生活实际的理论教学方法以及基于GNSS模拟信号发生仪的问题探究式教学法和实践教学法，从教学设备、教学方法以及课程评价机制等三个方面进行教学改革，激发了学生的学习兴趣，提升了课程的教学效果。
[关 键 词] GNSS;模拟信号发生仪;学习兴趣;教学效果
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）34-0070-02
全球导航卫星系统（GNSS，Global Navigation Satellite System），是面向全球发送导航与定位信号并提供相应服务的卫星系统。到2020年，美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO和我国北斗卫星导航系统等GNSS系统将建成或完成现代化改造。在我国，北斗产业是战略性、先導性和基础性产业，并且国内具备了北斗系统核心技术研发能力、建设运营能力和产业发展基础。因此，开展北斗GNSS系统的相关教学研究，将有助于推动北斗导航产业的健康发展，推动北斗产业更好地担负起支撑国防建设、推动科学技术进步以及服务经济社会发展的重任。
目前，北斗GNSS技术的研发正在如火如荼地开展，典型的有载波相位差分定位技术（RTK，Real-time kinematic）、精密单点定位（PPP，Precise Point Positioning）算法以及多径抑制（multi-path mitigation）技术等。正因为北斗GNSS技术已渗透于我们日常生活的方方面面，为了使学生跟上时代潮流，掌握该项技术，长沙学院电子信息与电气工程学院的通信工程专业近些年开设了北斗导航原理与信号处理这门选修课。但是，由于该门课专业性非常强，且教材中以及理论教学中包含了众多的复杂数学公式推导，这导致了学生的学习积极性不高，上课打瞌睡、玩手机现象较严重。通过一段时间的教学与反思，个人认为总结与探讨教学中存在的问题，让学生真正意识到该课程的重要性，掌握北斗GNSS导航信号处理的基本原理与方法，提高课程的教学效果，为今后的各种应用做准备是非常有必要的。
一、课程教学现状以及存在的问题
（一）教学现状
目前，该课程的学习只是基于传统的课堂讲授式模式来进行的，其中，适当地结合板书以及多媒体PPT。主要讲解北斗GNSS系统组成、北斗卫星信号的生成与调制方式、北斗信号的捕获、跟踪以及解码过程、北斗定位的基本原理、影响北斗定位精度的因素等内容。该课程的纯理论阐述对学生的数学基础要求比较高。课程考核方式采用的是传统的闭卷考试方式，其中考试成绩占80%，考勤占10%，平时书面作业占10%。
（二）存在的问题
在现阶段该门课的教学过程中，还存在以下几个主要的问题。
1.教学过程中未能充分体现学习北斗GNSS相关技术的意
义。本课程现阶段直接从讲授北斗系统的组成以及信号生成机制开始，未能很好地体现该项技术在日常生活中的应用，学生无法结合生活实例来从系统的角度对该课程进行认识，对该门课的学习目的不明确。
2.由于北斗GNSS的相关理论比较枯燥，现阶段的授课中包含许多的数学模型以及公式演算、推导。因此，单纯地通过理论授课进行教学，学生的学习兴趣往往都不是很高，经常注意力不集中，很多学生上课打瞌睡、玩手机或者做其他与课堂无关的事。
3.目前，该课程未设置实践教学环节，很多学生不知道如何运用所学到的理论知识去解决工程应用中的相关问题。
4.考核机制过于强调卷面成绩，很多学生只是为了考试能得高分而努力学习本课程。
二、课程教学改革方法
经过一段时间的北斗导航原理与信号处理课程教学、与学生之前的交流以及与国内外同行专家之间的交流，初步提出以下教学改革方法。
（一）为了更加明确学生对这门课学习的意义，除了原理与基本知识的讲解之外，还将结合生活实际，分析北斗技术给日常生活带来的便利
比如，在讲到北斗GNSS载波相位跟踪算法的时候，可以结合导航信号进行桥梁或建筑形变检测的机制进行阐述。具体的，改革后的课程将阐述如下知识：在桥梁或建筑上的主要观测点架
设天线以长时间接收北斗GNSS信号，通过对接收到的信号进行载波跟踪算法处理，提取观测时间内的载波值，根据载波值的变化，以判定该观测时间内桥梁形变程度是否符合安全标准，从而达到防灾减灾的目的。此外，还将适时介绍北斗应用方面的最新技术，例如北斗信号在土壤湿度、植被覆盖率检测方面的应用。这样，学生就更能明确掌握北斗GNSS技术的重要意义，从而更新对该课程的认识，更易激发学生对该课程学习的热情。
（二）在讲授复杂的算法与公式的时候，除了板书推导，还拟引入虚拟教学仿真仪器进行演示，帮助学生更好更快地理解相关知识点，使枯燥的理论知识变得生动
比如，引进北斗信号模拟仪。在讲解北斗卫星信号产生的内容的时候，通过模拟发生仪，形象而生动地展示信号的伪随机码、导航数据以及载波是如何产生的，产生后它们之间通过何种关系，形成卫星发送端的调制信号;在无线信道的传播过程中，通过北斗模拟仪设置相应的场景，展示信号在各种场景下如何衰减，会产生何种误差。在接收端，展示北斗信号如何进行降频处理，如何通过捕获、跟踪、解码以达到目标定位的目的。通过模拟信号发生仪，不仅学生的兴趣能够得到较大的提升，而且，学生能够更好地理解课本中数学模型所对应的过程，提升学习的效率。 （三）理论教学与实践教学相结合，培养学生在北斗GNSS方面的工程能力及问题探究能力
在教学过程中，设置北斗定位应用时常见的工程问题，例如在弱信号场景下的捕获和跟踪，如何减小多径干扰的负面影响等。首先，在理论教学方面介绍解决这些问题的基本思路，然后组织相关的实践环节，基于北斗信号模拟仪设置相应的弱信号以及多径干扰等场景，依据基本思路编写相应的程序，通过对比实验，验证这些方法的可行性以及有效性。此外，在教学过程中，还将定期组织学生参观湖南省的北斗产业园，同产业园的工程师进行交流，以了解北斗技术发展的最新动态以及相关的最新产品。
（四）改进课程考核机制
除了卷面成绩、考勤与平时作业之外，还拟将学生的课程参与度以及实践教学中问题解决情况纳入总成绩考虑因素。本课改拟提出如下機制，平时作业+考勤占10%，课堂虚拟演示时互动与参与度占10%，实践教学中对工程问题的解决情况占20%，与企业工程师交流之后的心得报告占10%，期末考试卷面成绩占50%。与此同时，本课改还提出了竞赛推动教学的模式，鼓励专业基础较好的学生参加北斗相关的竞赛，从竞赛中锻炼能力，并且制定竞赛的名次置换课程考核项目的机制。这样，有助于改变学生只是为考试而学习的心态，培养学生的创新思维，真正达到高质量人才培养的目的。
三、教学反馈与效果评价
教学效果主要从学生对该门课的认识、积极性、相关工程能力的培养以及同专业教师的评价几方面进行评估。课改之后，笔者发现，学生对该门课的学习目的有了更加清晰的认识，学生的主观能动性得到了充分的调动。与此同时，通过北斗信号模拟仪，学生的课堂积极性得到了大幅度提升，改变了之前上课时候打瞌睡、玩手机的状态。并且，学生对其中复杂数学模型所代表的物理意义也有了更高层次的理解。此外，通过实践教学以及与企业工程师的交流，大部分学生能够较好地运用所学知识解决北斗导航工程应用方面的实际问题，例如多径信号干扰、电离层散射等。并且，通过参加学科竞赛，基础较好的学生的创新能力也得到了进一步的提升。本课改的方案得到了本校以及外校通信工程专业教师的认可，通过理论以及实践教学环节的听课，对课改取得的效果进行了较高的评价。
四、结束语
本文基于在北斗导航原理与信号处理课程教学中遇到的问题，从激发学生的主观能动性、理论联系实际、北斗信号模拟器演示导航与定位的系统流程、培养学生工程能力和创新能力以及课程的更新考核标准等几个方面进行了课程教学的改革。教学方式更加多样化、生动化，学生学习的积极性也得到了较好的提升。
参考文献：
[1]K.Borre， D.M.Akos，N.Bertelsen， et al， A software-defined
GPS and Galileo receiver：a single-frequency approach[M].Springer Science & Business Media，2007.
[2]常亮，冯贵平，朱卫东，等.《GNSS发展与应用》课程互动教学探讨[J].科技视界，2018（13）：179-181.
[3]冯建迪，赵珍珍.《GNSS原理及应用（B）》信息化教学改革探索与实践[J].教育现代化，2018，5（51）：81-82.
[4]张涛.SDR在GNSS相关课程教学中的应用探索[J].数字技术与应用，2018，36（7）：50-52.
◎编辑 马燕萍
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