基于虚实结合的海警舰艇北斗导航系统实践教学探索

    杨玉峰　冯明奎

    

    

    摘? 要 通过北斗导航实装实验室开展基本操作技能训练，提高学员的基本操作能力;依托模拟器实验室设计较为复杂的实训项目，有效提升学员综合实训能力。分别采用案例法、实验比较法等开展北斗导航原理教学、数据采集实验分析，有效提升学员的创新能力和学术思维，向能打仗打胜仗能力聚焦。

    关键词 北斗导航系统;实践教学;模拟器;海警;实验室

    中图分类号：G642.0? ? 文献标识码：B

    文章编号：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，海警舰艇指挥与技术专业及航海技术专业在开展北斗导航系统教学时主要依托实验室实装设备开展实践教学，但受制于实装设备短缺、实装实践项目单一等因素的制约，综合性实验、设计性实验等项目难以开展。如果全面采用实装设备开展实践教学，需要购置大量的装备器材，既占用大量的教学经费又无必要[1]。教学经费等问题限制了实装实践教学全面开展，需要采取实装加虚拟的思路建设海警舰艇北斗导航系统实验室来满足学员实践能力的培养。

    2 北斗导航系统实践教学分析

    在北斗系统布局之前，无论是军用还是民用导航系统，大多采用GPS系统。由于美国采用的SA技术，在军事冲突中很有可能修改某一特定海域的导航定位参数，从而使冲突方的武器系统失灵，甚至火力指向友邻部队。为了打破这一空间垄断，消除影响国防安全的重大隐患，国家从1994年开始建设北斗系统，2009年开始建設北斗三号，到2020年，35颗卫星全球覆盖，提供全球定位能力。作为全球仅有的四套全球导航卫星系统之一，北斗系统为海警舰艇维权执法活动提供了强有力的导航定位和通信服务。因此，建立一个功能完善、技术含量高、硬件和软件设备先进的适应北斗定位导航特点的北斗导航实装实验室，对于培养学员实践技能、完善航海人才培养体系是必不可少的[2]。

    北斗导航系统在教学中属于航海仪器课程的重要内容之一，主要功能有航线设计、航路点设置、锚位报警设置、海图目标查询、短信息通信等，为其他通信导航设备提供位置信息，使舰船AIS、雷达设备能够在维权执法中识别目标，为舰船通信设备提供位置信息，在舰船遇险时提供实时位置信息，为海警搜救遇险船舶或人员提供信息保障。

    1）案例教学激发学员积极探索的潜能。为便于学员形象理解北斗导航系统的构成及定位原理，在舰艇导航实验室准备挂图，教员依托挂图采用启发式教学探讨船舶确定位置的方法、空间卫星的布局情况、地面站与卫星之间的交互。以马航失联作为案例教学，引导学员探讨马航如果使用北斗定位能否被搜救成功。这种结合最新实战案例开展实践教学的方法，极大激发了学员积极探索、勇于创新的热情。经过分组后，每组成员分工协作，有的查找案例的最新搜救过程;有的根据定位原理建立数学模型，尝试在海洋环境中进行目标漂流轨迹预测;有的结合全球遇险与安全系统课程中应急无线电示位标定位原理，分析失联飞机位置的可能性。经过小组研讨形成分析报告，小组长轮流发言，比较各小组的分析报告，进行评估和点评，作为实践教学成绩的一部分。

    2）实验教学分析比较北斗导航系统与GPS系统的优劣。为深入分析北斗系统接收机与卫星之间的数据交互过程，采用实验法开展实践教学。材料准备：北斗开发板、电脑、9孔串口线、电源。北斗实验电路板接口：接口要确保主设备与北斗开发板北斗/GPS UM220模块管脚信号、波特率对应一致，在实验中所使用的波特率为19 600[3]。天线接口需要天线线路尽量短且顺畅，避免走锐角。操作时注意：一是使用VCC电源供电，将220 V电源转化为12 V供给北斗开发板;二是将模块GND引脚接地;三是连接GNSS_ANT信号至天线，注意线路50欧姆阻抗匹配;四是确保串口3输出。

    硬件安装时确保做好充分的防静电措施，如防静电手环、工作台表面接地等。打开北斗开发板北斗/GPS UM220评估套件，取出评估板;选择增益适当的GNSS天线，在非遮挡区域将其固定好，使用适线和北斗/GPS UM220评估板连接;使用串口线连接计算机至北斗开发板EVK端的串口;给板卡供电，对北斗/GPS UM220进行初始化[4];打开电脑上的接收信号软件，通过接收信号软件控制接收机，显示星座视图、消息及接收机状态等。

    实验数据分析? 北斗/GPS实验数据如图1所示。数据每一行最多可显示四个卫星的情况。这里只分析GPGSV（GPS的情况）和BDGSV（北斗的情况）。每一行的第一个数字是接收到的消息数[5]，第二个数字是接收到的消息编号，第三个数字是定位所使用的卫星个数，第四个数字是第一颗卫星的编号，第五个数字是卫星仰角，第六个数字是卫星的方位角，第七个数字是卫星的载噪比，以后每四个数字表示下一颗卫星的情况，*后的数据为校验和。

    如第一行数据：

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

    由BDGSV可知显示的是北斗的情况，3是接收到的消息数是3条，1表示第一条消息，12是共接收到12颗卫星，161是第一颗卫星的编号，49是卫星的仰角，146是卫星的方位角，47是卫星的载噪比，接下去的四个数据是第二颗卫星的情况，然后是第三颗、第四颗卫星的情况。实验数据最后转换成船位坐标显示出来[6]。定位位置和卫星分布比较如图2所示。

    通过实验教学比较分析，学员对北斗导航系统的认识更加深入和透彻。对定位位置的不确定性原因进行分析和探讨，通过比较分析，北斗系统相比GPS系统具有以下优势。

    一是安全保密性强。北斗是我国自主研发的系统，使用不受任何限制，具有信源保密功能，抗干扰能力强，可防止非法侵入，安全、可靠、稳定。

    二是具有短消息通信功能。它同时具备定位与短信功能，这在海警维权执法活动中具有较好的优势。

    三是覆盖范围较大，几乎没有通信盲区。北斗系统信号覆盖了我国及周边国家和地区，不仅能满足国内需要，也可为周边国家和地区服务;未来全球覆盖，可以为全球用户提供服务。

    实验法和比较法教学有效启发了学员的学术思维，在毕业论文和设计环节，学员使用采集到的北斗和GPS真实数据进一步拓展应用到设计的其他软件系统中。

    3 虚实结合的北斗导航实践教学探索

    北斗导航仪实装设备与模拟教学优势互补? 实验室中使用北斗导航仪开展实践教学存在一些不足，比如台套数不足，限制了实训教学的效率，一个40人的教学区队不得不分批实作。在开展综合性实训教学项目时，与其他实验室的仪器设备还做不到互联互通，实战化教学项目难以开展。另外，实验室中装配的北斗导航仪是固定不动的，基于本船的导航训练无法开展，与舰艇上的北斗导航仪训练在效果上还有差距，急需移动式北斗模拟器开展接近实战的导航训练、航行监控训练等。得益于虚拟现实技术和仿真技术的快速发展，研制北斗模拟器系统已经成为可能，在海警舰艇综合仿真系统中作为舰桥导航仪器之一，为电子海图、雷达、AIS、GMDSS模拟器等提供位置信息和导航信息。操纵舰艇模拟器开展航行训练，在电子海图上完成航行状态监控，在北斗导航模拟器海图上可以对执法对象进行搜索、识别、查证，以快速识别目标。

    北斗导航仪实训项目设计? 采用实装设备和模拟器设备可以完成三个层次的实践教学。

    一是在实验室实装设备上进行北斗单一技能训练，比如开机、界面参数讲解、各个按钮基本操作、菜单设置等，有效促进学员基本操作能力的提升。

    二是在舰艇综合仿真系统中开展较为复杂的设计性实训项目。在模拟器中设计狭水道航行训练，根据舰艇航迹的偏离度设置航迹偏差报警、障碍物避险报警等，正确引导舰艇按计划航线航行。自动舵根据北斗提供的位置信息及转向点信息自动引导舰艇保持航向和改变航向。在锚泊模拟训练时，同时开展锚泊报警功能设置训练，通过设定锚位点及报警半径，对锚位实施全时监测，能够及时预防走锚事故发生。通过模拟器教学，有效提高学员较复杂实训项目的设计能力。

    在實习舰艇上开展实战化训练项目教学

    1）利用北斗的短信息通信功能开展舰船之间的协商避碰训练。舰艇和船舶之间在航行会遇时一般都要遵守避碰规则，但在多船会遇或船舶动态不明时，一般采用甚高频设备及时沟通进行协商避碰，以保持舰船航行安全。在采用语音协商避碰时，存在语言不通或语音信号质量差等影响协商效果，构成碰撞危险，这时采用短信息协商避碰，提供了一种有效途径。学员实习时，可以开展舰艇编队之间的协商避碰训练，也可以与其他会遇船舶进行短信息协商避碰。

    2）设计短信息遇险报警训练教学[7]。想定实习船舶发生险情，利用北斗短信息向实验室北斗接收机发送遇险报警信息，实验室可以承担北斗指挥中心功能，进行遇险组织指挥训练教学。通过实习舰艇与实验室北斗系统的联动，有效提升学员的组织指挥实战能力。

    3）基于海警舰艇维权执法中航线设计、航海监控等实战教学需求，开展实验室北斗导航仪实装设备单一技能实训。为提高实践教学效率，解决较为复杂的综合性训练项目设计，在舰艇综合仿真系统中使用北斗导航模拟器设计狭水道航行监控模拟、锚泊模拟训练等。为检验仿真训练效果，在舰艇开展实习时，实习舰艇与实验室设备联动，进行短信息通信教学。这种虚实结合的实践教学模式，促进了学员由单一技能向综合性、创新型指挥能力的转变，更加适应海警部队的快速反应能力及实战能力需求。

    参考文献

    [1]陈智慧，张芳，张晓青.虚实结合的消防装备教学改革探索与实践[J].武警学院学报，2018（4）：38-40，44.

    [2]李赞.北斗导航实训室建设探讨[J].科技视界，2018（5）：206-207.

    [3]王博，焦海松，谷庆，黄静华.北斗接收机动态定位精度测试与分析[J].导航定位学报，2014（2）：109-112.

    [4]周晓，郑定超，方玖琳.基于UM220的北斗接收机及WEB终端设计[J].计算机测量与控制，2016（3）：238-240.

    [5]怀洋，邵琼玲，路振民.北斗/GPS混合定位模块UM220应用研究[J].国外电子测量技术，2014（3）：76-79.

    [6]高天杭，崔先强，王勋.数据缺失情况下BDS定位性能分析[J].测绘科学，2019（12）：102-108.

    [7]郑定超.基于北斗定位短信的搜救APP设计与实现[J].新乡学院学报，2019（12）：30-32.

    *项目来源：武警部队教学成果培育项目“海警舰艇指挥仿真系统建设及运用”;海警学院中心团队项目“海警舰艇机动与战术指挥仿真系统”（基金编号：2018ZXTDB21）;科研基金项目“海警舰艇编队维权方案风险评估”（基金编号：2019JSLY06）。

    作者：杨玉峰，武警海警学院，副教授，研究方向为舰艇指挥;冯明奎，武警海警学院，教授，研究方向为舰艇指挥（315801）。