1. 引言
导航、制导与控制学科是个典型的多学科交叉，由大地测量、电子信息、计算机、人工智能等多个学科的专业知识来支撑，主要以航空、航天、航海、车辆、机器人等智能无人系统为研究对象，学习导航传感器设备的基本知识和技能，进行导航定位技术的研发及应用 [1]。随着导航应用领域迅速扩大到自动驾驶、卫星通信，以及机器人等新一代信息技术中，大部分学生更多地侧重理论学习，忽略了实践能力的培养，难以适应社会和时代的需求 [2]。本文提出了利用软硬件平台促进导航学科创新实践能力培养方法，融合计算机科学、电子信息以及导航、制导与控制三大学科的优势，通过教师指导与学科交叉交流，进行全方位的动手实践，从根本上提高学生的创新实践能力。
2. 导航方向实践教学存在的不足
导航、制导与控制是一个非常强调实践能力培养的学科方向。由于学生缺乏对软硬件内部运行机制的了解，学生调试分析的能力得不到真正的锻炼，对原理性的理解也受到局限，起不到真正创新能力培养的效果。因此，如何创建适合学生的实践平台，打破专业限制，是加强学生创新实践能力、开拓专业应用领域等亟待解决的问题 [3]。
学科壁垒导致其课程学习的理解深度不足。传统的实践教学常通过课内实验教学作为辅助教学过程，专业实践也仅停留在实习实训阶段，实践中更多的是对数据进行处理，对硬件的使用常采用采购的成熟性平台上，没有系统完整的导航动手实验环节。以卫星导航的课程学习为例，大多数测绘背景的学生研究GNSS高精度定位，都是从观测值入手，进行定位解算和误差处理 [4]。对于观测值产生的过程，以及接收机处理中引入误差的理解有着天然的障碍。究其原因，是因为GNSS接收机包括天线与射频、基带信号处理、测绘理论、软硬件终端设计等多专业背景知识。然而，通信原理与信号处理的背景知识不能要求每个学生采用补本的方式从基础开始学习，这种方式对学生带来过多的心理压力，也不能起到真正的效果。
科学研究中动手实践和应用创新能力不足。许多学生在研究起步阶段，不具备从零搭建研究环境的能力。如有一个软件平台的支撑，对其进行研究入门会起到很大的帮助。以多源传感器融合定位为例，由于多源融合定位在无人驾驶、机器人定位等多个应用领域有着广泛的需求，很多学生有着极其浓厚的兴趣。但在实际研究中，由于缺乏硬件平台，很多学生仅能从互联网上下载开源代码和数据进行算法研究，但采集时的环境和参数不能随意更改，这就给研究带来了很大的局限性。另一方面，学生在进行实践和研究的过程中，由于不能亲自采集和调试，也会造成其对问题理解的困难，影响其研究的深度。
3. 利用软硬件平台培养导航学科创新实践能力
研究生应具有相关的学科专业知识和动手能力，充分高质量的学科实践是研究生教育质量和创新能力培养的重要保证。因此，建立以软硬件结合的实践操作平台，开展相应学科的动手实践，对研究生能力的培养具有重要的意义。作者根据多年来的教学实践经验，提出利用软硬件平台培养导航学科创新实践能力的方法。首先，针对相关的研究方向搭建软硬件实践平台，在搭建平台的过程中锻炼学生的动手能力；其次，利用“实际操作”、“聚群讨论”的方式提高学生的互动感和参与度 [5]，通过平台实践加深学生对系统的深入理解；最后，形成应用方向参与学科竞赛来提高学生的自信心。该方法从本质上解决了学生培养过程中“动手不足，实践不充分”等问题，有效提高了学生创新实践能力，取得了良好的效果。具体方法如下。
3.1. 利用软件平台提升教学实践能力
软件平台具有灵活可调，便于分发给学生的优势，对于课堂大批量学生的学习具有明显的辅助实践优势。以《GNSS接收机原理与设计》课程为例，全球导航卫星系统(GNSS)是导航系统中最为重要的导航技术手段，也是学习导航定位技术的基础。为降低测绘与电信等不同专业背景的学生学习GNSS原理的门槛，团队在教学实践中，结合两个专业背景的优势，研发了一套GNSS软件接收机平台 [6] [7] (图1)。
Figure 1. The interface of GNSS software receiver
图1. GNSS软件接收机界面
该平台分为数据采集和数据后处理两部分 [8]。GNSS中频数据的采集有以下流程：天线将接收到的GNSS信号传输到射频前端，射频前端完成对信号的下变频和采样，然后通过USB接口将数字中频信号保到电脑上。后处理基于C++平台实现，将C++面向对象编程的基本思想应用到GNSS接收机的实现中，有利于对GNSS软件接收机的各个功能模块化。平台建立了用户交互界面，给出用户显示并新建文件存储日志信息便于后续分析(图2)。应用程序通过界面左上角配置中频数据文件路径，当读取选定配置文件后，其信息显示在“System Config Information”模块中，此时点击Start按钮，GUI应用程序调用核心处理程序编译的动态链接库文件进行数据处理，同时该界面可以显示中频数据的时长、已处理时长、处理进度信息，各通道跟踪状态，最小二乘法和卡尔曼滤波解算结果和处理状态等信息。
Figure 2. The GUI interface of GNSS software receiver
图2. GNSS软件接收机GUI界面
在教学实践中，每次课后会给学生布置课程学习对应的数据处理作业，学生在使用软件的同时可以阅读对应处理流程的源代码，了解实现过程，加深对GNSS中频信号处理算法的理解。在完成GNSS信号处理的教学内容后，会给学生布置软件模块功能的拓展作业，增加与修改不同函数的功能，提升学生的动手编程能力。此时，课程教学不再局限于理论学习，学生在学习使用软件接收机平台的过程中加深对信号处理理论的思考与理解，实现理论与实践相结合。
该平台的可配置，以及可打开读取源码的便捷性为初入门的学生理解接收机内部工作原理，以及拓展自己的研究方向起到了重要作用。多年的教学与研究生培养实践表明，该软件接收机平台成功支撑了多名硕士生的培养 [6] [7]，并获得了Institute of Navigation (ION)导航年会最佳论文奖 [9]，是一个较为成功的导航方向实践平台。
3.2. 利用硬件平台加强动手实践能力
硬件平台对于锻炼学生的动手能力具有举足轻重的作用。传统测绘背景专业的学生专注于定位数据处理，在硬件动手能力上有所欠缺，为此，作者团队发挥电子信息硬件平台设计能力强的优势，研制了多源融合导航硬件实验平台(图3)。
Figure 3. Navigation hardware platform of multi-source fusion
图3. 多源融合导航硬件平台
该平台能支持的传感器包括：GNSS接收机、惯导、相机、雷达、轮速计。平台搭载ublox-F9P接收机模块、ADIS16470惯导，以STM32F767和ALTERA CYCLONE IV为控制核心。平台还扩展性地支持替换或增加接收机模块和惯导模块，提供相机、雷达、轮速计时钟同步接口。F9P通过天线接收卫星信号，输出1 PPS脉冲与GNSS时间对齐，通过串口输出1 PPS脉冲对应的GNSS时间，以及雷达时间同步所需的GPRMC格式信号，同时F9P通过保留的USB接口设置输出原始观测值等信息。平台在硬件上预留了的SPI、I2C、UART接口，还能实现对惯导、轮速计、雷达、相机等多个传感器的数据采集和时钟同步。系统还包括程序下载口，支持JTAG、SWD和ISP下载，其中JTAG支持在线调试。
在实际应用中，学生可根据自己的研究需求与兴趣，组合不同模块，例如GNSS + 惯导、GNSS + 雷达等。学生在使用多源融合导航平台时能阅读到对应模块函数的源代码，在初期的学习过程中可使用以往采集的数据进行事后分析，并基于开发模块进行调试，加深学生对多源融合定位内部原理的理解，特别是多传感器之间时间同步性能的理解。在熟练使用并掌握该平台原有的功能后，学生可根据自己的研究需求进行模块功能的拓展，搭建属于自己的多源融合硬件平台，采集自己研究所需要的数据，有效提高了动手能力，对研发能力和参加创新竞赛等多方面的信心有明显的提升。
4. 结语
本文以导航方向研究生培养为例，提出了利用软硬件平台培养导航学科创新实践能力的方法。该方法以导航方向的应用需求为目标导向，利用计算机软件、电信硬件嵌入式系统作为实践平台，引导学生从底层到应用锻炼动手能力，将自己学生知识与应用结合起来，全面提高个人创新素质和创新能力。实际效果表明，该方法存在如下优点：
1) 软硬件结合的实践平台有效解决了实践条件的不足，培养了学生的动手能力。该方法结合计算机、电信学科所具有的软件编程与硬件电路的天然优势，为导航方向研究室创新实践提供平台，可有效弥补导航方向学生培养对设备底层运行机制了解不足的问题，促进学生动手能力的培养。
2) 多学科融合的实践方法有效开拓了知识应用的视野，提高了学生的创新素质。该方法通过多学科交叉培养的实践方法，有效拓展了计算机、电信等专业学生对所学知识在应用领域潜力的了解，开拓学生的创新思维，为研究方向提供新思路，提高其创新素质。
项目基金
中央高校教育教学改革专项——武汉大学研究生导师育人方式创新项目资助。