在电子类专业引入GPS课程的探讨

尹凡 王慧 蔡红涛 蔡磊 田茂

全球定位系统（GPS）已在当今社会获得极大应用。广义的GPS系统指能够在全球范围内提供导航定位服务的卫星系统，包括美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、欧盟的伽利略系统（GALILEO）以及中国的北斗导航系统（COMPASS）。GPS系统的建成是各种学科综合运用的成功范例。鉴于GPS系统在国民生活生产以及国防中越来越重要，有关GPS系统的教学内容也被引入大学课堂。在测绘领域，GPS技术有广泛的普及，因此在测绘类专业的教学中有较全面的引入。相比之下，GPS课程在电子信息类专业教学中引入的还不够，而且教学内容和大纲主要是参考测绘类专业，较少体现电子信息类专业的特色。因此，如何在电子信息类专业的GPS教学中体现专业特色是相关专业教师必须面对的课题。如果说，测绘类专业中，GPS课程教学主要讲授GPS系统“测”的功能和运用，那么电子信息类专业中，相关教学就应更着重其“系统”的特点，并把电子类专业的知识点和GPS系统中的具体应用点相联系起来。

GPS电子专业测绘专业专业特色一、引言

能够在全球范围内全天候实时提供高精度、高可靠性的空间及时间信息的全球定位系统（GPS）自诞生以来，就得到迅速发展，并在人类社会的各个领域得到广泛的应用。诞生之初有深刻军事背景的GPS，现在在交通物流、安防保卫、地矿土建、电力水利、防灾减灾、环保监测、科研教育、航天航空、农林水产等民用生产生活中都有其具体应用。当今，即使在一辆普通的私家车或者一部廉价的智能手机上，也会找到GPS系统的接收设备和应用软件。随着GPS技术在全世界迅速普及，GPS已经改变了人们的工作和生活方式，极大的提升了生产力和社会效率。GPS系统是综合的、跨学科的高新技术系统，是当今信息社会的重要基础设施，也是大国科技实力的集中体现。

在测绘邻域，GPS技术显著并广泛应用于大地测量、工程测绘、地理信息系统（GIS）、变形测量、航空摄影等方面。为满足测绘类人才培养目标和社会需求，各高校的测绘专业或相近专业都积极设置了GPS的相关课程。实际上，GPS系统是一种卫星无线电导航定位系统，如果从系统的角度看，它综合了无线电技术、通信技术、计算机技术、电子技术、空间技术等信息科学技术。教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会委员陈鹤鸣教授建议，电子信息工程专业知识包括：语音信号处理、数字图像处理、多媒体技术、数字信号处理专用器件、数字通信、通信网技术、现代交换技术、卫星通信、移动通信、天线技术、无线通信、雷达技术、电子测量技术、导航定位等。可以说导航定位知识已开始进入电子信息类专业的知识体系。随着GPS系统的深入发展和广泛应用，为适应人才培养目标的发展趋势，武汉大学电子信息学院于2012年开始在电波传播与天线（国防）以及电子信息科学与技术本科专业引入“GPS技术及应用”课程，2013年扩展至测控技术与仪器专业。为培养空间物理、无线电物理学科高层次创新型人才，2015年在实施“本硕博一体化”人才培养计划中，“GPS技术及应用”课程又进入拔尖学术人才班本科阶段教学计划。

GPS技术涉及的知识面较广，多学科内容相互交叉渗透，需要选择合适的教学内容来体现专业特色。目前有关GPS课程的教材版本较多，但是多数依靠测绘专业的特点，因此如何合理安排电子信息类专业的GPS教学，是一个值得探讨的问题。

二、GPS系统的特点与GPS教学的现状

GPS系统本质上是一个复杂的电子系统。GPS卫星以高精度星载原子频率标准为基准发射无线电导航信号，无线电信号采用码分多址技术（CDMA）在特定频率上广播测距码和导航数据。用户设备接收信号，通过解调得到导航数据，用来计算卫星在信号发射时刻的位置。同时，接收设备通过测距码能够确定信号从卫星到接收设备的单向传播时间，利用测边交会定位原理，解算接收设备的三维位置。

GPS系统主要由三大部分组成：由GPS卫星星座构成的空间部分（空间段）；由分布在全球的若干地面跟踪站构成的监控部分（控制段）；由以GPS接收机为核心的用户接收处理部分（用户段）。空间段的基本配置是24颗GPS卫星，它们平均分布在六个地心轨道平面内。卫星星座的布局是权衡各种因素后的最优方案，它具有全球覆盖性，较高的精度，可维护性，且成本较低。GPS卫星的导航载荷负责产生并向地面用户发射调制了测距码和导航电文的频率信号。控制段主要负责对空间段的卫星进行指挥调度和监测控制，分主控站、监测站、地面天线等部分。用户段完成对卫星信号的接收和处理，最终提供定位、导航、授时等服务。总体来看，GPS系统有如下特点：全球覆盖，全天候工作；具有定位、导航、测速、授时等多功能性，中国的北斗卫星导航系统还具有短报文通信功能；精度高，可靠性高，抗干扰能力强；普通用户能用较低成本获得服务。正是这些特点使得GPS产业在全球迅速发展。由于GPS系统的先进性和广泛性，尤其在测绘专业，GPS知识又具有很强的实践性和适用性，针对GPS系统的教学内容也顺势引入大学课堂。测绘专业开设GPS课程较早，相应的教材也较多由测绘领域的专家编写，偏重测绘专业的应用。因此，一方面，GPS教学在测绘专业有很大发展；另一方面，如果电子类专业要引入GPS课程却不能简单照搬照抄测绘专业的教学内容和大纲，必须结合电子类专业的特色。实际上，参与GPS系统设计、建设、运营、维护、发展的专家大都有电子类专业的背景，关于GPS的英文教材和资料也大多由这些专家完成。如果从系统的角度出发，GPS课程也更适合引入到电子类专业。以国外教材“Understanding GPS Principles and Applications，Second Edition”（中文版译作《GPS原理与应用第二版》，由电子工业出版社出版）为例，依据前言后提供的作者简介，全书共有27位作者，其中有15位作者具有电气工程或计算机学科的学位，除两位作者学位背景未注明，剩下10位作者的学位分散在物理学、数学、航天工程、大地测量等专业内。显然，电子类专业的知识在GPS知识体系中具有核心地位。同时，GPS知识又并非一门学科，对于电子类专业而言，专业课程的许多知识点分散于GPS知识体系的各个部分。因此，在GPS教学中如何体现专业特色，需要教师拿捏取舍。

三、根据专业特色引导GPS教学内容

如上所述，如果从系统的角度出发，GPS知识体系中，电子类专业知识具有核心地位。但是，GPS知识综合多学科内容，覆盖范围很广，从基本的物理、数学、天文及地理常识到复杂的信号传播，信号处理等专业知识。因此，GPS课程的教学内容，一方面，要全面完整，使学生学习之后能对GPS系统有清晰的认知；另一方面，也要结合专业知识突出重点，使学生明白专业课的知识是如何在GPS系统中得到具体应用和体现的。

电子专业类知识体系可简单包括两个大类。一是数学、物理基础知识类包括高等数学（涵盖微积分、线性代数、概率论、数学物理方法等）和大学物理（涵盖力学、热学、电磁学、光学、量子力学，原子物理等）两大部分；二是学科和专业基础知识，由四个核心内容作为主线，分别是电路与电子技术、计算机系统与应用、信号与系统、电磁场与波。电子类专业课大部分可以归于这四类，鉴于篇幅不一一枚举。GPS知识体系中有一部分作为知识背景和原理基础的，如GPS发展史、各种时间和空间坐标体系等内容虽然不隶属于电子类专业知识，但是对于理解GPS系统不可或缺，因此在教学中不可偏废。不同于测绘专业教学中着重GPS“测”与“用”的内容，电子类专业应该注重GPS知识体系中与专业知识相结合的地方。在GPS系统中，信号体制、信号产生和调制、信号传播以及信号接收和解码占有重要地位，而且这一部分内容在电子类专业知识中有高度体现。以下把这些知识点做一些基本的整理，供电子类专业GPS教学教师参考。

卫星轨道基础知识，涵盖微分方程、空间解析几何，力学和运动学等内容。

GPS卫星信号体制保证了GPS系统的高精度和抗干扰性，这一部分重点涵盖了电子类的专业知识。重要的知识点包括：

1.伪随机码的特点和产生，涉及概率论及信号与系统中的自（互）相关函数、数字逻辑电路中的线性移位寄存器等知识点。

2.卫星信号的调制与复用技术，涉及通信原理中的二进制相移键控调制、码分复用、频分复用以及扩频通信等概念。

3.卫星信号的时域频域特征，涉及信号与系统中的诸多内容，比如线性系统、卷积、傅立叶变换、功率谱、带宽，白噪声等知识。

4.卫星信号的发射、传播与接收，涉及电磁场理论、电波传播、微波原理、天线原理等课程。重要的知识点，如信噪比、天线定向性与增益、天线类型特点、群速度、相速度、多普勒效应，色散效应、多径效应等。这其中，无线电波在电离层中的传播理论是GPS接收机利用双频信号修正电离层延迟误差的理论依据，利用这个知识点展开，可以在教学中更加体现武汉大学电子信息学院空间物理、无线电物理学科背景与特色。

5.卫星信号的跟踪、捕捉、调整、采样与解调，涉及变频电路、频率合成电路、模数转换电路、锁相环等模拟电路/数字电路以及信号与系统课程的知识点。

6.接收机信号读取与计算，涉及计算机及程序设计、串口通信、循环冗余校验码、最小二乘法等知识内容。

以上这些知识点，都是电子类专业知识在实现GPS系统中的重要体现。电子类专业学生在学习专业知识时，往往觉得理论艰涩，不知实际中有何运用。而在GPS课程中，讲清楚这些内容，可让学生明白所学的专业知识在现实世界中活生生的运用。

四、结束语

GPS知识体系涵盖的内容很广，不仅仅只局限于以上这些内容，轻重取舍都需要结合实际情况综合考虑。在电子类专业引入GPS课程，任课教师需要仔细归纳与分析，让GPS教学体现专业特色，让学生把专业课知识与GPS知识结合起来，既有助于学生对专业知识的理解，也有助于扩展学生的视野，启发学生的自主学习能力，达到人才培养的目标。

参考文献：

[1]马大喜.《GPS定位技术及应用》课程教学的若干思考.全球定位系统，2005，30（5）.

[2]吴继忠.《GPS定位技术及其应用》课程实践教学体系的构建.全球定位系统，2007，32（3）.

[3]郭秋英.“GPS原理及应用”课程教学实践与探讨.全球定位系统，2008，17（1）.

[4]纪元法.改革“GPS原理与应用”课程教学，培养导航人才.全球定位系统，2010，35（2）.

[5]陈鹤鸣.《电子信息类专业教学质量国家标准》的研究报告.武汉大学电子信息学院，2015-04-14.

[6]Elliott D.Kaplan.寇艳红译.Understanding GPS Principles and Applications，Second Edition GPS原理与应用（第二版）.电子工业出版社，2007.

[7]黄丁发.GPS卫星导航定位技术与方法.科学出版社，2009.