“制导与控制基础”空天深度融合教学改革与探索

［摘 要］ “制导与控制基础”是仪器科学与技术、控制科学与工程等相关专业本科生的重要课程之一。根据“双一流”课程建设目标和培养要求，针对本科生“制导与控制基础”课程，分析现状及存在问题，探索与设计以突出空天深度融合、创新教学手段、培养宽口径复合型航空航天创新人才为导向的教学内容优化、教学手段创新等方面的课程改革方案，强化基础理论内容，增加前沿技术讲授，开发教辅平台动画，全面提高本科课程教学质量和人才培养质量。

［关键词］ 制导与控制基础；教学改革；空天融合；宽口径复合型人才

［基金项目］ 2019年度北京市自然科学基金委员会“高超再入无人飞行器惯性/卫星超紧组合导航信息融合技术研究”（4204103）；2019年度中国航空科学基金委员会“航空人工智能专项——神经网络优化的GNSS/INS自适应超紧组合导航技术研究”（2019ZC051009）

［作者简介］ 王学运（1989—），男，河北承德人，博士，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院讲师，主要从事导航制导与控制研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）36-0047-04 ［收稿日期］ 2022-07-15

引言

建设世界一流大学和一流学科，是中共中央、国务院做出的重大战略决策。“双一流”是中国高等教育领域继“211工程”和“985工程”之后的又一国家战略，有利于提升我国高等教育综合实力和国际竞争力，为实现“两个一百年”奋斗目标和实现中华民族伟大复兴的中国梦提供有力支柱［1］。一流的人才培养是建设世界一流大学和一流学科的重要基础和基本特征，只有培养出一流人才的高校，才能够成为世界一流大学［2］。“双一流”建设过程中，本科生课程教学是最基础、最重要的环节之一，必须放在突出位置，努力推进教育教学改革［3］。在“双一流”建设和新工科建设的大背景下，要坚持“强化基础、突出实践、重在素质、面向创新”的本科人才培养方针，努力培养学生的核心能力，使之成为能够在相关领域从事工程设计、系统分析、信息处理、科学试验、研制开发、经济或科技管理等工作的宽口径、复合型高级工程技术人才［4］。

制导与控制技术是导弹与航天技术的核心，是导弹与航天器稳定可靠飞行、有效完成预定任务的基础。不仅如此，制导与控制技术也一直是国防基础技术的关键技术，尤其是在以精确打击武器为基础的新军事变革中，制导与控制技术的发展水平在一定程度上决定了一个国家武器装备的水平，代表了一个国家的国防实力。同时，制导与控制技术的发展需求，将有力牵引和推动电子技术、计算机技术、控制技术、材料技术等相关学科及技术的发展，并积极促进该技术在其他领域的应用。

考虑到制导与控制技术的重要性以及对探测制导与控制技术专业培养目标的支撑作用，在仪器科学与技术二级学科探测制导与控制技术的培养方案中，“制导与控制基础”课程被列为专业必修课。课程主要讲授航空航天飞行器的制导与控制基础理论和系统设计，针对卫星、导弹两类典型的航空航天飞行器，介绍其运动学与动力学特性、卫星轨道与姿态控制、导弹制导与控制等内容。通过本课程的学习，学生可以了解卫星轨道与姿态控制系统、导弹制导与控制系统的基本组成和工作原理，掌握卫星轨道与姿态控制系统、导弹制导与控制系统的工程设计方法，为从事该领域的研究和开发工作奠定坚实基础。

在教学过程中，通过卫星和导弹动力学特性的学习，可以培养学生运用理论力学对飞行器进行动力学建模与动态特性分析的能力；通过卫星轨道与姿态控制系统、导弹制导与控制系统的学习，可以培养学生运用自动控制原理对飞行器控制系统进行分析和设计的能力，解决卫星和导弹控制中的实际工程问题。

一、现状分析与存在问题

（一）课程现状

国内各高校的探测制导与控制技术专业都开设了制导与控制类课程，但研究对象比较单一，或只介绍导弹，或只介绍火箭，或只介绍卫星。目前，在国内同类专业中，没有一门课程可以兼顾航空器与航天器的制导与控制，难以实现航空航天融合的制导与控制的知识讲授，不利于培养宽口径、复合型工程技术人才和领军领导人才。

北京航空航天大学“制导与控制基础”课程教学团队自2006年起就对教学内容进行了精心研究和编排，在教学工作中认真总结、不断改进，形成了自己的特色与优势。

1.教学内容涵盖卫星与导弹两类典型航空航天飞行器。为满足专业培养目标的要求，将卫星与导弹两类典型对象纳入教学内容，并将两类对象制导与控制的教学内容有机地融合在一起，改变过去两类对象单独教学的模式。在有限的学时内，重点强调两类对象的联系与区别，培养学生解决复杂问题的能力和高阶思维。

2.教学设计突出知识系统性与挑战性。课程的教学理念是“建立系统框架、立足工程前沿、激发创新灵感”。在具体的教学组织与设计中，具有以下特色和优势：（1）强调制导与控制系统及关键技术的知识体系和框架，教学围绕典型制导与控制系统的结构展开，把零散杂乱的知识点用制导与控制系统的逻辑主线串联起来，便于学生建立清晰的制导与控制系统知识框架。（2）知识点教学联系工程实际，结合教师的工程经验和体会，重点讲授工程中存在的问题以及国内外研究现状和前沿技术，立足工程前沿，启发、引导学生思考与讨论，进一步提升学生学习课程的驱动力。（3）针对卫星和导弹两类对象，安排了两个综合性的课题设计，分别为卫星姿态控制律设计及仿真研究、导弹制导系统设计及仿真研究。学生以小组为单位提交研究报告，并注明小组成员分工。这不仅可以锻炼学生的团队协作能力，还可以促进学生的自主学习和探究式学习，激发学生的创新灵感。

（二）存在问题

尽管“制导与控制基础”课程在十多年的教学与授课过程中形成了自己的优势和特色，但对照《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》指示精神，与一流课程“两性一度”要求相比，目前课程教学还存在一定不足。

1.教学内容需进一步优化。首先，制导与控制空天融合需进一步加深。卫星和导弹两类典型飞行器制导控制方法的理论基础、数学模型和受力分析等内容的区别与联系不够深入，航空和航天制导与控制方法融合程度不够；在导弹制导与控制部分对理论基础和模型的呼应不足。其次，制导与控制前沿技术需进一步丰富。课程对不断涌现的新型航空航天器及其制导与控制方法介绍不够丰富，对学生创新培养锻炼不够充分，不利于学生在研究生阶段快速进入科研状态。

2.教学手段需进一步创新。目前的课程教学主要采用教师课堂讲授、课程实践、课后作业等传统教学手段，对学生吸引力不足。为激起学生更大的自主求知欲，课程教学手段需进一步创新。

二、课程教学改革探索及方案

为了适应我国航空航天技术领域快速发展的重大趋势，必须牢牢把握“双一流”建设的重大机遇，针对“制导与控制基础”课程仍存在的问题，从教学内容优化和教学手段改进两大方面进行课程方案改革，适应新时代创新型、应用型一流人才培养模式，进一步提升课程在培养新时代航空航天急需的宽口径、复合型创新人才方面发挥的重要作用，同时更好地发挥基础课程建设在本科生整个培养环节中的基石作用［5］。

针对目前“制导与控制基础”课程教学存在的问题，优化教学内容，创新教学手段。从以下三方面开展教学改革：强化基础理论、增加前沿技术和开发教辅平台。首先，以基础理论为要点，以常用传感器和执行机构为纽带，加深制导与控制技术的空天融合。其次，增加具有空天融合特色的高超再入飞行器制导与控制的课堂教学内容，提升前沿性和挑战性，提高学生的创新能力。最后，开发辅助教学演示动画和辅助教学设计平台，增进互动式教学，生动展示航空航天器制导与控制的区别和联系，通过教学手段创新加深空天融合。通过上述教学改革，提升“制导与控制基础”课程的融合性、创新性和挑战性，进一步加强对学生基础理论和实践能力的培养，为宽口径、复合型工程技术人才和领军领导人才培养提供更加强有力的支撑。

（一）进一步优化教学内容

1.强化基础知识，加深空天融合。针对卫星和导弹两类飞行器，以刚体六自由度运动学和动力学理论为要点，进一步强化基础知识与理论，加深空天融合；以常用传感器及执行机构为纽带，强调两类典型航空航天飞行器制导和控制的联系与区别，使学生融会贯通。

“制导与控制基础”教学内容主要分为三部分：理论基础部分、卫星轨道与姿态控制部分、导弹制导与控制部分。原授课时在理论基础部分仅讲授刚体六自由度运动学与动力学，卫星和导弹的受力分析、常用传感器及执行机构等内容均在各自章节展开，并且基础理论与飞行器结合不明显。为加深空天融合，强化基础知识，将卫星和导弹的常用传感器和执行机构加入理论基础部分，并且在卫星和导弹部分增加与基础理论、数学模型相呼应的内容。如此一来，不仅突出刚体运动学和动力学理论在导弹和卫星两类典型飞行器上的作用原理，而且强调了两类飞行器制导和控制的联系与区别，加深空天融合，进而可以让学生在学习中对比，在对比中理解，在理解中升华，进一步培养学生解决复杂问题的能力和高阶思维。

2.紧随科技前沿，丰富课程内容。新型航空航天器不断涌现，应增加对具有重要工程价值的新型飞行器制导与控制方法的讲授，助力学生紧随科技前沿，激发学生兴趣和动力。高超声速再入飞行器具有明显的空天融合特色，飞行过程经历大气层内外，以其为例讲解制导与控制技术和系统有利于进一步加深空天融合，并且突出创新性、前沿性和挑战性，为未来科研工作奠定坚实基础。

高超声速再入飞行器相关理论与技术一直是飞行器设计领域的研究重点和热点。高超声速再入无人机具有速度快、航程远、机动大、落点精确的优势，具有广阔的应用前景。军事方面，可实现高速突防、精确打击，对战略目标进行致命性攻击，是未来攻防对抗体系中的重要组成部分；民用方面，可重复使用，能作为太空开发、空间科研的运输和试验平台。高超声速再入无人机能满足国家重大战略需求，是飞行技术和空间科学重要发展方向，意义重大。美国、俄罗斯、中国等大国预测，在未来的几十年里，高超声速滑翔飞行器将会是重要的进攻性制导武器［6-7］。增加高超声速再入飞行器制导与控制内容讲授，有助于学生在高超声速再入飞行器领域夯实基础，把握现状。由于高超声速再入飞行器具有明显的空天融合特点，高超声速再入飞行器制导与控制课程内容能够进一步促进学生对空天融合制导与控制的理解［8］。

（二）进一步创新教学手段

构建教辅平台，激发学习兴趣。为提升课程教学对学生的吸引力，唤醒学生的自主求知欲，进一步创新教学手段，具体方式包括开发辅助教学演示动画，生动展示不同轨道参数下卫星轨道的形态及变化、喷气力矩器和飞轮在控制卫星姿态上的区别、不同制导模式导引的区别与联系、不同控制参数下导弹轨迹与姿态控制效果等内容，帮助学生理解抽象概念，提升教学效果。此外，开发辅助教学设计平台，包括四个模块，即卫星轨道控制模块、卫星姿态控制模块、导弹制导模块、导弹姿控模块，对课程内讲授的关键制导与控制系统、技术及方法进行数字模拟和软件实现，提供制导与控制参数调整和设置更改接口功能，允许学生进行二次设计与开发，帮助学生对制导与控制基础教学内容加深理解，掌握空天融合制导与控制的联系与区别，促进学生融会贯通。

结语

随着军事和民用技术的飞速发展，先进制导控制技术的广泛运用，各种精确制导飞行器更新换代，培养新时代航空航天所急需的复合型、宽口径人才迫在眉睫。必须紧随“双一流”的建设大潮，把握“双一流”建设的机遇，对当前开授的“制导与控制基础”这一核心专业课的教学内容、教学手段等多个方面进行改革。在详细分析课程现状、存在问题与教学改革意义的基础上，授课团队从优化课程教学内容、创新课程教学手段两大方面对教学内容与教学方法进行改革与探索，优化教学内容，创新教学手段，强化基础理论，增加前沿技术，开发教辅平台，以增强学生的工程应用实践能力和科研创新能力，提高课程教学质量和人才培养质量，为宽口径、复合型工程技术人才和领军领导人才培养提供更加强有力的支撑。