尹凡 王慧 蔡紅濤 蔡磊 田茂

全球定位系統(tǒng)（GPS）已在當(dāng)今社會(huì)獲得極大應(yīng)用。廣義的GPS系統(tǒng)指能夠在全球范圍內(nèi)提供導(dǎo)航定位服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)，包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、歐盟的伽利略系統(tǒng)（GALILEO）以及中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS）。GPS系統(tǒng)的建成是各種學(xué)科綜合運(yùn)用的成功范例。鑒于GPS系統(tǒng)在國(guó)民生活生產(chǎn)以及國(guó)防中越來(lái)越重要，有關(guān)GPS系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容也被引入大學(xué)課堂。在測(cè)繪領(lǐng)域，GPS技術(shù)有廣泛的普及，因此在測(cè)繪類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)中有較全面的引入。相比之下，GPS課程在電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中引入的還不夠，而且教學(xué)內(nèi)容和大綱主要是參考測(cè)繪類(lèi)專(zhuān)業(yè)，較少體現(xiàn)電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的特色。因此，如何在電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的GPS教學(xué)中體現(xiàn)專(zhuān)業(yè)特色是相關(guān)專(zhuān)業(yè)教師必須面對(duì)的課題。如果說(shuō)，測(cè)繪類(lèi)專(zhuān)業(yè)中，GPS課程教學(xué)主要講授GPS系統(tǒng)“測(cè)”的功能和運(yùn)用，那么電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)中，相關(guān)教學(xué)就應(yīng)更著重其“系統(tǒng)”的特點(diǎn)，并把電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的知識(shí)點(diǎn)和GPS系統(tǒng)中的具體應(yīng)用點(diǎn)相聯(lián)系起來(lái)。

GPS電子專(zhuān)業(yè)測(cè)繪專(zhuān)業(yè)專(zhuān)業(yè)特色一、引言

能夠在全球范圍內(nèi)全天候?qū)崟r(shí)提供高精度、高可靠性的空間及時(shí)間信息的全球定位系統(tǒng)（GPS）自誕生以來(lái)，就得到迅速發(fā)展，并在人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。誕生之初有深刻軍事背景的GPS，現(xiàn)在在交通物流、安防保衛(wèi)、地礦土建、電力水利、防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)保監(jiān)測(cè)、科研教育、航天航空、農(nóng)林水產(chǎn)等民用生產(chǎn)生活中都有其具體應(yīng)用。當(dāng)今，即使在一輛普通的私家車(chē)或者一部廉價(jià)的智能手機(jī)上，也會(huì)找到GPS系統(tǒng)的接收設(shè)備和應(yīng)用軟件。隨著GPS技術(shù)在全世界迅速普及，GPS已經(jīng)改變了人們的工作和生活方式，極大的提升了生產(chǎn)力和社會(huì)效率。GPS系統(tǒng)是綜合的、跨學(xué)科的高新技術(shù)系統(tǒng)，是當(dāng)今信息社會(huì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是大國(guó)科技實(shí)力的集中體現(xiàn)。

在測(cè)繪鄰域，GPS技術(shù)顯著并廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)繪、地理信息系統(tǒng)（GIS）、變形測(cè)量、航空攝影等方面。為滿(mǎn)足測(cè)繪類(lèi)人才培養(yǎng)目標(biāo)和社會(huì)需求，各高校的測(cè)繪專(zhuān)業(yè)或相近專(zhuān)業(yè)都積極設(shè)置了GPS的相關(guān)課程。實(shí)際上，GPS系統(tǒng)是一種衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，如果從系統(tǒng)的角度看，它綜合了無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、空間技術(shù)等信息科學(xué)技術(shù)。教育部高等學(xué)校電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員陳鶴鳴教授建議，電子信息工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)包括：語(yǔ)音信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、多媒體技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理專(zhuān)用器件、數(shù)字通信、通信網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代交換技術(shù)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、天線(xiàn)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信、雷達(dá)技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)、導(dǎo)航定位等?？梢哉f(shuō)導(dǎo)航定位知識(shí)已開(kāi)始進(jìn)入電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的知識(shí)體系。隨著GPS系統(tǒng)的深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為適應(yīng)人才培養(yǎng)目標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院于2012年開(kāi)始在電波傳播與天線(xiàn)（國(guó)防）以及電子信息科學(xué)與技術(shù)本科專(zhuān)業(yè)引入“GPS技術(shù)及應(yīng)用”課程，2013年擴(kuò)展至測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)。為培養(yǎng)空間物理、無(wú)線(xiàn)電物理學(xué)科高層次創(chuàng)新型人才，2015年在實(shí)施“本碩博一體化”人才培養(yǎng)計(jì)劃中，“GPS技術(shù)及應(yīng)用”課程又進(jìn)入拔尖學(xué)術(shù)人才班本科階段教學(xué)計(jì)劃。

GPS技術(shù)涉及的知識(shí)面較廣，多學(xué)科內(nèi)容相互交叉滲透，需要選擇合適的教學(xué)內(nèi)容來(lái)體現(xiàn)專(zhuān)業(yè)特色。目前有關(guān)GPS課程的教材版本較多，但是多數(shù)依靠測(cè)繪專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，因此如何合理安排電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的GPS教學(xué)，是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

二、GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)與GPS教學(xué)的現(xiàn)狀

GPS系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星以高精度星載原子頻率標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)發(fā)射無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航信號(hào)，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)采用碼分多址技術(shù)（CDMA）在特定頻率上廣播測(cè)距碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)。用戶(hù)設(shè)備接收信號(hào)，通過(guò)解調(diào)得到導(dǎo)航數(shù)據(jù)，用來(lái)計(jì)算衛(wèi)星在信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的位置。同時(shí)，接收設(shè)備通過(guò)測(cè)距碼能夠確定信號(hào)從衛(wèi)星到接收設(shè)備的單向傳播時(shí)間，利用測(cè)邊交會(huì)定位原理，解算接收設(shè)備的三維位置。

GPS系統(tǒng)主要由三大部分組成：由GPS衛(wèi)星星座構(gòu)成的空間部分（空間段）；由分布在全球的若干地面跟蹤站構(gòu)成的監(jiān)控部分（控制段）；由以GPS接收機(jī)為核心的用戶(hù)接收處理部分（用戶(hù)段）?？臻g段的基本配置是24顆GPS衛(wèi)星，它們平均分布在六個(gè)地心軌道平面內(nèi)。衛(wèi)星星座的布局是權(quán)衡各種因素后的最優(yōu)方案，它具有全球覆蓋性，較高的精度，可維護(hù)性，且成本較低。GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航載荷負(fù)責(zé)產(chǎn)生并向地面用戶(hù)發(fā)射調(diào)制了測(cè)距碼和導(dǎo)航電文的頻率信號(hào)?？刂贫沃饕?fù)責(zé)對(duì)空間段的衛(wèi)星進(jìn)行指揮調(diào)度和監(jiān)測(cè)控制，分主控站、監(jiān)測(cè)站、地面天線(xiàn)等部分。用戶(hù)段完成對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收和處理，最終提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)?？傮w來(lái)看，GPS系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：全球覆蓋，全天候工作；具有定位、導(dǎo)航、測(cè)速、授時(shí)等多功能性，中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還具有短報(bào)文通信功能；精度高，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；普通用戶(hù)能用較低成本獲得服務(wù)。正是這些特點(diǎn)使得GPS產(chǎn)業(yè)在全球迅速發(fā)展。由于GPS系統(tǒng)的先進(jìn)性和廣泛性，尤其在測(cè)繪專(zhuān)業(yè)，GPS知識(shí)又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和適用性，針對(duì)GPS系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容也順勢(shì)引入大學(xué)課堂。測(cè)繪專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)GPS課程較早，相應(yīng)的教材也較多由測(cè)繪領(lǐng)域的專(zhuān)家編寫(xiě)，偏重測(cè)繪專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用。因此，一方面，GPS教學(xué)在測(cè)繪專(zhuān)業(yè)有很大發(fā)展；另一方面，如果電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)要引入GPS課程卻不能簡(jiǎn)單照搬照抄測(cè)繪專(zhuān)業(yè)的教學(xué)內(nèi)容和大綱，必須結(jié)合電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的特色。實(shí)際上，參與GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、發(fā)展的專(zhuān)家大都有電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的背景，關(guān)于GPS的英文教材和資料也大多由這些專(zhuān)家完成。如果從系統(tǒng)的角度出發(fā)，GPS課程也更適合引入到電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)。以國(guó)外教材“Understanding GPS Principles and Applications，Second Edition”（中文版譯作《GPS原理與應(yīng)用第二版》，由電子工業(yè)出版社出版）為例，依據(jù)前言后提供的作者簡(jiǎn)介，全書(shū)共有27位作者，其中有15位作者具有電氣工程或計(jì)算機(jī)學(xué)科的學(xué)位，除兩位作者學(xué)位背景未注明，剩下10位作者的學(xué)位分散在物理學(xué)、數(shù)學(xué)、航天工程、大地測(cè)量等專(zhuān)業(yè)內(nèi)。顯然，電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的知識(shí)在GPS知識(shí)體系中具有核心地位。同時(shí)，GPS知識(shí)又并非一門(mén)學(xué)科，對(duì)于電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)而言，專(zhuān)業(yè)課程的許多知識(shí)點(diǎn)分散于GPS知識(shí)體系的各個(gè)部分。因此，在GPS教學(xué)中如何體現(xiàn)專(zhuān)業(yè)特色，需要教師拿捏取舍。

三、根據(jù)專(zhuān)業(yè)特色引導(dǎo)GPS教學(xué)內(nèi)容

如上所述，如果從系統(tǒng)的角度出發(fā)，GPS知識(shí)體系中，電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)具有核心地位。但是，GPS知識(shí)綜合多學(xué)科內(nèi)容，覆蓋范圍很廣，從基本的物理、數(shù)學(xué)、天文及地理常識(shí)到復(fù)雜的信號(hào)傳播，信號(hào)處理等專(zhuān)業(yè)知識(shí)。因此，GPS課程的教學(xué)內(nèi)容，一方面，要全面完整，使學(xué)生學(xué)習(xí)之后能對(duì)GPS系統(tǒng)有清晰的認(rèn)知；另一方面，也要結(jié)合專(zhuān)業(yè)知識(shí)突出重點(diǎn)，使學(xué)生明白專(zhuān)業(yè)課的知識(shí)是如何在GPS系統(tǒng)中得到具體應(yīng)用和體現(xiàn)的。

電子專(zhuān)業(yè)類(lèi)知識(shí)體系可簡(jiǎn)單包括兩個(gè)大類(lèi)。一是數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)知識(shí)類(lèi)包括高等數(shù)學(xué)（涵蓋微積分、線(xiàn)性代數(shù)、概率論、數(shù)學(xué)物理方法等）和大學(xué)物理（涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、量子力學(xué)，原子物理等）兩大部分；二是學(xué)科和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，由四個(gè)核心內(nèi)容作為主線(xiàn)，分別是電路與電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與應(yīng)用、信號(hào)與系統(tǒng)、電磁場(chǎng)與波。電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)課大部分可以歸于這四類(lèi)，鑒于篇幅不一一枚舉。GPS知識(shí)體系中有一部分作為知識(shí)背景和原理基礎(chǔ)的，如GPS發(fā)展史、各種時(shí)間和空間坐標(biāo)體系等內(nèi)容雖然不隸屬于電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，但是對(duì)于理解GPS系統(tǒng)不可或缺，因此在教學(xué)中不可偏廢。不同于測(cè)繪專(zhuān)業(yè)教學(xué)中著重GPS“測(cè)”與“用”的內(nèi)容，電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)應(yīng)該注重GPS知識(shí)體系中與專(zhuān)業(yè)知識(shí)相結(jié)合的地方。在GPS系統(tǒng)中，信號(hào)體制、信號(hào)產(chǎn)生和調(diào)制、信號(hào)傳播以及信號(hào)接收和解碼占有重要地位，而且這一部分內(nèi)容在電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)中有高度體現(xiàn)。以下把這些知識(shí)點(diǎn)做一些基本的整理，供電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)GPS教學(xué)教師參考。

衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)知識(shí)，涵蓋微分方程、空間解析幾何，力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等內(nèi)容。

GPS衛(wèi)星信號(hào)體制保證了GPS系統(tǒng)的高精度和抗干擾性，這一部分重點(diǎn)涵蓋了電子類(lèi)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。重要的知識(shí)點(diǎn)包括：

1.偽隨機(jī)碼的特點(diǎn)和產(chǎn)生，涉及概率論及信號(hào)與系統(tǒng)中的自（互）相關(guān)函數(shù)、數(shù)字邏輯電路中的線(xiàn)性移位寄存器等知識(shí)點(diǎn)。

2.衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制與復(fù)用技術(shù)，涉及通信原理中的二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制、碼分復(fù)用、頻分復(fù)用以及擴(kuò)頻通信等概念。

3.衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)域頻域特征，涉及信號(hào)與系統(tǒng)中的諸多內(nèi)容，比如線(xiàn)性系統(tǒng)、卷積、傅立葉變換、功率譜、帶寬，白噪聲等知識(shí)。

4.衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射、傳播與接收，涉及電磁場(chǎng)理論、電波傳播、微波原理、天線(xiàn)原理等課程。重要的知識(shí)點(diǎn)，如信噪比、天線(xiàn)定向性與增益、天線(xiàn)類(lèi)型特點(diǎn)、群速度、相速度、多普勒效應(yīng)，色散效應(yīng)、多徑效應(yīng)等。這其中，無(wú)線(xiàn)電波在電離層中的傳播理論是GPS接收機(jī)利用雙頻信號(hào)修正電離層延遲誤差的理論依據(jù)，利用這個(gè)知識(shí)點(diǎn)展開(kāi)，可以在教學(xué)中更加體現(xiàn)武漢大學(xué)電子信息學(xué)院空間物理、無(wú)線(xiàn)電物理學(xué)科背景與特色。

5.衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、捕捉、調(diào)整、采樣與解調(diào)，涉及變頻電路、頻率合成電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、鎖相環(huán)等模擬電路/數(shù)字電路以及信號(hào)與系統(tǒng)課程的知識(shí)點(diǎn)。

6.接收機(jī)信號(hào)讀取與計(jì)算，涉及計(jì)算機(jī)及程序設(shè)計(jì)、串口通信、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼、最小二乘法等知識(shí)內(nèi)容。

以上這些知識(shí)點(diǎn)，都是電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)在實(shí)現(xiàn)GPS系統(tǒng)中的重要體現(xiàn)。電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)時(shí)，往往覺(jué)得理論艱澀，不知實(shí)際中有何運(yùn)用。而在GPS課程中，講清楚這些內(nèi)容，可讓學(xué)生明白所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)在現(xiàn)實(shí)世界中活生生的運(yùn)用。

四、結(jié)束語(yǔ)

GPS知識(shí)體系涵蓋的內(nèi)容很廣，不僅僅只局限于以上這些內(nèi)容，輕重取舍都需要結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮。在電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)引入GPS課程，任課教師需要仔細(xì)歸納與分析，讓GPS教學(xué)體現(xiàn)專(zhuān)業(yè)特色，讓學(xué)生把專(zhuān)業(yè)課知識(shí)與GPS知識(shí)結(jié)合起來(lái)，既有助于學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解，也有助于擴(kuò)展學(xué)生的視野，啟發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，達(dá)到人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬大喜.《GPS定位技術(shù)及應(yīng)用》課程教學(xué)的若干思考.全球定位系統(tǒng)，2005，30（5）.

[2]吳繼忠.《GPS定位技術(shù)及其應(yīng)用》課程實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建.全球定位系統(tǒng)，2007，32（3）.

[3]郭秋英.“GPS原理及應(yīng)用”課程教學(xué)實(shí)踐與探討.全球定位系統(tǒng)，2008，17（1）.

[4]紀(jì)元法.改革“GPS原理與應(yīng)用”課程教學(xué)，培養(yǎng)導(dǎo)航人才.全球定位系統(tǒng)，2010，35（2）.

[5]陳鶴鳴.《電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》的研究報(bào)告.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，2015-04-14.

[6]Elliott D.Kaplan.寇艷紅譯.Understanding GPS Principles and Applications，Second Edition GPS原理與應(yīng)用（第二版）.電子工業(yè)出版社，2007.

[7]黃丁發(fā).GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與方法.科學(xué)出版社，2009.