楊玉峰　馮明奎

摘? 要 通過北斗導(dǎo)航實裝實驗室開展基本操作技能訓(xùn)練，提高學(xué)員的基本操作能力;依托模擬器實驗室設(shè)計較為復(fù)雜的實訓(xùn)項目，有效提升學(xué)員綜合實訓(xùn)能力。分別采用案例法、實驗比較法等開展北斗導(dǎo)航原理教學(xué)、數(shù)據(jù)采集實驗分析，有效提升學(xué)員的創(chuàng)新能力和學(xué)術(shù)思維，向能打仗打勝仗能力聚焦。

關(guān)鍵詞 北斗導(dǎo)航系統(tǒng);實踐教學(xué);模擬器;海警;實驗室

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）16-0140-03

Exploration of Practical Teaching of Beidou Navigation System of Maritime Police Ship based on Virtual and Real Equipment//YANG Yufeng， FENG Mingkui

Abstract Carry out basic operation skills training through the Beidou

Navigation Lab to improve the basic operation ability of the students;

rely on the simulator laboratory to design more complicated training projects to effectively improve the students comprehensive training ability. The case method and experimental comparison method were used to carry out the teaching of Beidou Navigation principles and experimental analysis of data collection， which effectively improved the students innovative ability and academic thinking， and focused on the ability to fight and win.

Key words Beidou Navigation System; practical teaching; simulator;?maritime police; lab

1 前言

目前，海警艦艇指揮與技術(shù)專業(yè)及航海技術(shù)專業(yè)在開展北斗導(dǎo)航系統(tǒng)教學(xué)時主要依托實驗室實裝設(shè)備開展實踐教學(xué)，但受制于實裝設(shè)備短缺、實裝實踐項目單一等因素的制約，綜合性實驗、設(shè)計性實驗等項目難以開展。如果全面采用實裝設(shè)備開展實踐教學(xué)，需要購置大量的裝備器材，既占用大量的教學(xué)經(jīng)費又無必要[1]。教學(xué)經(jīng)費等問題限制了實裝實踐教學(xué)全面開展，需要采取實裝加虛擬的思路建設(shè)海警艦艇北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實驗室來滿足學(xué)員實踐能力的培養(yǎng)。

2 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實踐教學(xué)分析

在北斗系統(tǒng)布局之前，無論是軍用還是民用導(dǎo)航系統(tǒng)，大多采用GPS系統(tǒng)。由于美國采用的SA技術(shù)，在軍事沖突中很有可能修改某一特定海域的導(dǎo)航定位參數(shù)，從而使沖突方的武器系統(tǒng)失靈，甚至火力指向友鄰部隊。為了打破這一空間壟斷，消除影響國防安全的重大隱患，國家從1994年開始建設(shè)北斗系統(tǒng)，2009年開始建設(shè)北斗三號，到2020年，35顆衛(wèi)星全球覆蓋，提供全球定位能力。作為全球僅有的四套全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)之一，北斗系統(tǒng)為海警艦艇維權(quán)執(zhí)法活動提供了強有力的導(dǎo)航定位和通信服務(wù)。因此，建立一個功能完善、技術(shù)含量高、硬件和軟件設(shè)備先進的適應(yīng)北斗定位導(dǎo)航特點的北斗導(dǎo)航實裝實驗室，對于培養(yǎng)學(xué)員實踐技能、完善航海人才培養(yǎng)體系是必不可少的[2]。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在教學(xué)中屬于航海儀器課程的重要內(nèi)容之一，主要功能有航線設(shè)計、航路點設(shè)置、錨位報警設(shè)置、海圖目標查詢、短信息通信等，為其他通信導(dǎo)航設(shè)備提供位置信息，使艦船AIS、雷達設(shè)備能夠在維權(quán)執(zhí)法中識別目標，為艦船通信設(shè)備提供位置信息，在艦船遇險時提供實時位置信息，為海警搜救遇險船舶或人員提供信息保障。

1）案例教學(xué)激發(fā)學(xué)員積極探索的潛能。為便于學(xué)員形象理解北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成及定位原理，在艦艇導(dǎo)航實驗室準備掛圖，教員依托掛圖采用啟發(fā)式教學(xué)探討船舶確定位置的方法、空間衛(wèi)星的布局情況、地面站與衛(wèi)星之間的交互。以馬航失聯(lián)作為案例教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)員探討馬航如果使用北斗定位能否被搜救成功。這種結(jié)合最新實戰(zhàn)案例開展實踐教學(xué)的方法，極大激發(fā)了學(xué)員積極探索、勇于創(chuàng)新的熱情。經(jīng)過分組后，每組成員分工協(xié)作，有的查找案例的最新搜救過程;有的根據(jù)定位原理建立數(shù)學(xué)模型，嘗試在海洋環(huán)境中進行目標漂流軌跡預(yù)測;有的結(jié)合全球遇險與安全系統(tǒng)課程中應(yīng)急無線電示位標定位原理，分析失聯(lián)飛機位置的可能性。經(jīng)過小組研討形成分析報告，小組長輪流發(fā)言，比較各小組的分析報告，進行評估和點評，作為實踐教學(xué)成績的一部分。

2）實驗教學(xué)分析比較北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的優(yōu)劣。為深入分析北斗系統(tǒng)接收機與衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)交互過程，采用實驗法開展實踐教學(xué)。材料準備：北斗開發(fā)板、電腦、9孔串口線、電源。北斗實驗電路板接口：接口要確保主設(shè)備與北斗開發(fā)板北斗/GPS UM220模塊管腳信號、波特率對應(yīng)一致，在實驗中所使用的波特率為19 600[3]。天線接口需要天線線路盡量短且順暢，避免走銳角。操作時注意：一是使用VCC電源供電，將220 V電源轉(zhuǎn)化為12 V供給北斗開發(fā)板;二是將模塊GND引腳接地;三是連接GNSS_ANT信號至天線，注意線路50歐姆阻抗匹配;四是確保串口3輸出。

硬件安裝時確保做好充分的防靜電措施，如防靜電手環(huán)、工作臺表面接地等。打開北斗開發(fā)板北斗/GPS UM220評估套件，取出評估板;選擇增益適當?shù)腉NSS天線，在非遮擋區(qū)域?qū)⑵涔潭ê?，使用適線和北斗/GPS UM220評估板連接;使用串口線連接計算機至北斗開發(fā)板EVK端的串口;給板卡供電，對北斗/GPS UM220進行初始化[4];打開電腦上的接收信號軟件，通過接收信號軟件控制接收機，顯示星座視圖、消息及接收機狀態(tài)等。

實驗數(shù)據(jù)分析? 北斗/GPS實驗數(shù)據(jù)如圖1所示。數(shù)據(jù)每一行最多可顯示四個衛(wèi)星的情況。這里只分析GPGSV（GPS的情況）和BDGSV（北斗的情況）。每一行的第一個數(shù)字是接收到的消息數(shù)[5]，第二個數(shù)字是接收到的消息編號，第三個數(shù)字是定位所使用的衛(wèi)星個數(shù)，第四個數(shù)字是第一顆衛(wèi)星的編號，第五個數(shù)字是衛(wèi)星仰角，第六個數(shù)字是衛(wèi)星的方位角，第七個數(shù)字是衛(wèi)星的載噪比，以后每四個數(shù)字表示下一顆衛(wèi)星的情況，*后的數(shù)據(jù)為校驗和。

如第一行數(shù)據(jù)：

$BDGSV，3，1，12，161，49，146，47，162，33，240，40，163，51，200，51，164，35，122，37*63

由BDGSV可知顯示的是北斗的情況，3是接收到的消息數(shù)是3條，1表示第一條消息，12是共接收到12顆衛(wèi)星，161是第一顆衛(wèi)星的編號，49是衛(wèi)星的仰角，146是衛(wèi)星的方位角，47是衛(wèi)星的載噪比，接下去的四個數(shù)據(jù)是第二顆衛(wèi)星的情況，然后是第三顆、第四顆衛(wèi)星的情況。實驗數(shù)據(jù)最后轉(zhuǎn)換成船位坐標顯示出來[6]。定位位置和衛(wèi)星分布比較如圖2所示。

通過實驗教學(xué)比較分析，學(xué)員對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的認識更加深入和透徹。對定位位置的不確定性原因進行分析和探討，通過比較分析，北斗系統(tǒng)相比GPS系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

一是安全保密性強。北斗是我國自主研發(fā)的系統(tǒng)，使用不受任何限制，具有信源保密功能，抗干擾能力強，可防止非法侵入，安全、可靠、穩(wěn)定。

二是具有短消息通信功能。它同時具備定位與短信功能，這在海警維權(quán)執(zhí)法活動中具有較好的優(yōu)勢。

三是覆蓋范圍較大，幾乎沒有通信盲區(qū)。北斗系統(tǒng)信號覆蓋了我國及周邊國家和地區(qū)，不僅能滿足國內(nèi)需要，也可為周邊國家和地區(qū)服務(wù);未來全球覆蓋，可以為全球用戶提供服務(wù)。

實驗法和比較法教學(xué)有效啟發(fā)了學(xué)員的學(xué)術(shù)思維，在畢業(yè)論文和設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)員使用采集到的北斗和GPS真實數(shù)據(jù)進一步拓展應(yīng)用到設(shè)計的其他軟件系統(tǒng)中。

3 虛實結(jié)合的北斗導(dǎo)航實踐教學(xué)探索

北斗導(dǎo)航儀實裝設(shè)備與模擬教學(xué)優(yōu)勢互補? 實驗室中使用北斗導(dǎo)航儀開展實踐教學(xué)存在一些不足，比如臺套數(shù)不足，限制了實訓(xùn)教學(xué)的效率，一個40人的教學(xué)區(qū)隊不得不分批實作。在開展綜合性實訓(xùn)教學(xué)項目時，與其他實驗室的儀器設(shè)備還做不到互聯(lián)互通，實戰(zhàn)化教學(xué)項目難以開展。另外，實驗室中裝配的北斗導(dǎo)航儀是固定不動的，基于本船的導(dǎo)航訓(xùn)練無法開展，與艦艇上的北斗導(dǎo)航儀訓(xùn)練在效果上還有差距，急需移動式北斗模擬器開展接近實戰(zhàn)的導(dǎo)航訓(xùn)練、航行監(jiān)控訓(xùn)練等。得益于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真技術(shù)的快速發(fā)展，研制北斗模擬器系統(tǒng)已經(jīng)成為可能，在海警艦艇綜合仿真系統(tǒng)中作為艦橋?qū)Ш絻x器之一，為電子海圖、雷達、AIS、GMDSS模擬器等提供位置信息和導(dǎo)航信息。操縱艦艇模擬器開展航行訓(xùn)練，在電子海圖上完成航行狀態(tài)監(jiān)控，在北斗導(dǎo)航模擬器海圖上可以對執(zhí)法對象進行搜索、識別、查證，以快速識別目標。

北斗導(dǎo)航儀實訓(xùn)項目設(shè)計? 采用實裝設(shè)備和模擬器設(shè)備可以完成三個層次的實踐教學(xué)。

一是在實驗室實裝設(shè)備上進行北斗單一技能訓(xùn)練，比如開機、界面參數(shù)講解、各個按鈕基本操作、菜單設(shè)置等，有效促進學(xué)員基本操作能力的提升。

二是在艦艇綜合仿真系統(tǒng)中開展較為復(fù)雜的設(shè)計性實訓(xùn)項目。在模擬器中設(shè)計狹水道航行訓(xùn)練，根據(jù)艦艇航跡的偏離度設(shè)置航跡偏差報警、障礙物避險報警等，正確引導(dǎo)艦艇按計劃航線航行。自動舵根據(jù)北斗提供的位置信息及轉(zhuǎn)向點信息自動引導(dǎo)艦艇保持航向和改變航向。在錨泊模擬訓(xùn)練時，同時開展錨泊報警功能設(shè)置訓(xùn)練，通過設(shè)定錨位點及報警半徑，對錨位實施全時監(jiān)測，能夠及時預(yù)防走錨事故發(fā)生。通過模擬器教學(xué)，有效提高學(xué)員較復(fù)雜實訓(xùn)項目的設(shè)計能力。

在實習(xí)艦艇上開展實戰(zhàn)化訓(xùn)練項目教學(xué)

1）利用北斗的短信息通信功能開展艦船之間的協(xié)商避碰訓(xùn)練。艦艇和船舶之間在航行會遇時一般都要遵守避碰規(guī)則，但在多船會遇或船舶動態(tài)不明時，一般采用甚高頻設(shè)備及時溝通進行協(xié)商避碰，以保持艦船航行安全。在采用語音協(xié)商避碰時，存在語言不通或語音信號質(zhì)量差等影響協(xié)商效果，構(gòu)成碰撞危險，這時采用短信息協(xié)商避碰，提供了一種有效途徑。學(xué)員實習(xí)時，可以開展艦艇編隊之間的協(xié)商避碰訓(xùn)練，也可以與其他會遇船舶進行短信息協(xié)商避碰。

2）設(shè)計短信息遇險報警訓(xùn)練教學(xué)[7]。想定實習(xí)船舶發(fā)生險情，利用北斗短信息向?qū)嶒炇冶倍方邮諜C發(fā)送遇險報警信息，實驗室可以承擔北斗指揮中心功能，進行遇險組織指揮訓(xùn)練教學(xué)。通過實習(xí)艦艇與實驗室北斗系統(tǒng)的聯(lián)動，有效提升學(xué)員的組織指揮實戰(zhàn)能力。

3）基于海警艦艇維權(quán)執(zhí)法中航線設(shè)計、航海監(jiān)控等實戰(zhàn)教學(xué)需求，開展實驗室北斗導(dǎo)航儀實裝設(shè)備單一技能實訓(xùn)。為提高實踐教學(xué)效率，解決較為復(fù)雜的綜合性訓(xùn)練項目設(shè)計，在艦艇綜合仿真系統(tǒng)中使用北斗導(dǎo)航模擬器設(shè)計狹水道航行監(jiān)控模擬、錨泊模擬訓(xùn)練等。為檢驗仿真訓(xùn)練效果，在艦艇開展實習(xí)時，實習(xí)艦艇與實驗室設(shè)備聯(lián)動，進行短信息通信教學(xué)。這種虛實結(jié)合的實踐教學(xué)模式，促進了學(xué)員由單一技能向綜合性、創(chuàng)新型指揮能力的轉(zhuǎn)變，更加適應(yīng)海警部隊的快速反應(yīng)能力及實戰(zhàn)能力需求。

參考文獻

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*項目來源：武警部隊教學(xué)成果培育項目“海警艦艇指揮仿真系統(tǒng)建設(shè)及運用”;海警學(xué)院中心團隊項目“海警艦艇機動與戰(zhàn)術(shù)指揮仿真系統(tǒng)”（基金編號：2018ZXTDB21）;科研基金項目“海警艦艇編隊維權(quán)方案風(fēng)險評估”（基金編號：2019JSLY06）。

作者：楊玉峰，武警海警學(xué)院，副教授，研究方向為艦艇指揮;馮明奎，武警海警學(xué)院，教授，研究方向為艦艇指揮（315801）。