“GPS原理與應用”課程教學實踐與探討

袁德寶，崔希民，金晶晶，別偉平，宋昆侖

（中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083）

全球定位系統（Global Positioning System，GPS）以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。目前，其應用領域正在不斷地開拓，已遍及國民經濟各個部門，并逐步深入人們的日常生活，具有廣泛的應用前景［1］。

目前，國內許多高校都開設“GPS原理及應用”和“GPS測量與數據處理”2門課程，由于學時的限制，中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院自2000年以來，分別在地理信息系統工程和測繪工程2個專業(yè)只開設了“GPS原理及應用”這門課程，對于如何在有限的學時內讓學生很好地掌握“GPS原理及應用”這門課程的內容，同時對“GPS測量與數據處理”這門課程的內容有所了解，提高實踐操作能力，需要進一步研究。本文根據連續(xù)3年的教學實踐及多年工程經驗，對該課程在教學內容、實踐環(huán)節(jié)及考核方式方面進行了相關探討。

1 “GPS原理及應用”課程的開設現狀

1.1 課程的開設情況

“GPS原理及應用”是測繪工程專業(yè)的專業(yè)必修課，講授28學時，實踐12學時。均開設于第5學期，2011版測繪工程專業(yè)培養(yǎng)方案對“GPS原理及應用”做了修改，講授36學時，實踐12學時，上機8學時。暑假還有一周的GPS實習。測繪工程專業(yè)的學生在學習測量學、誤差理論和測量平差后學這門課程，該門課程的開設不僅使學生掌握基本儀器的操作、GPS數據的采集方法以及利用相關數據解算軟件對采集的數據進行處理，而且利用GIS軟件對采集的GPS數據進行處理分析，拓寬學生的知識結構，加強學生實踐技能的培養(yǎng)。

1.2 課程特點

1）多學科融合交叉，內容涉及面廣。該課程是由多學科相互滲透而形成的一門新興科學，課程涉及的知識面廣，其內容涵蓋測繪及遙感科學、信息科學、天文學、數學、物理學、電子電工學等諸多學科。

2）課程實踐性強。該課程要求學生在掌握基本理論的前提下，應具有較強的動手實踐能力，通過課堂教學使學生掌握GPS定位技術的基本原理，通過實踐環(huán)節(jié)使學生熟知GPS接收機性能和使用方法及各種定位操作方法，加深對定位原理的理解。通過上機實驗使學生掌握GPS靜態(tài)數據的解算及網平差的方法。培養(yǎng)學生運用理論知識解決工程實際問題的能力，增強學生的實踐能力。

3）公式推導多，概念抽象。該課程中坐標系統的轉換、偽距觀測方程及載波相位觀測方程的建立及其線性化，單差、雙差及三差觀測模型的建立等內容，都涉及大量的公式推導，概念抽象，如：系統的組成、空間坐標系的建立及定位原理的描述等都建立在對空間和不可見衛(wèi)星信號描述的基礎上，相對來說概念抽象，比較難以理解。

2 教學內容體系的構建

2.1 教材的選取

目前，“GPS原理及應用”的相關教材有十余種之多，考慮到專業(yè)實際，我們選用的是徐紹銓教授編著的“GPS測量原理及應用”，該教材在介紹GPS衛(wèi)星測量基本原理、誤差來源、技術設計與數據處理的基礎上，對GPS測量數據處理，特別是對GPS衛(wèi)星測量技術在大地控制測量中的應用、GPS在精密工程測量及變形監(jiān)測中的應用以及地形、地籍及房地產測量中的應用等進行了詳細的論述。

2.2 教學內容體系的構建

該課程涉及的知識點多，要在有限的學時內使學生不僅很好地掌握GPS相關的基本概念和原理等知識，更要加強其實踐能力的培養(yǎng)，對此，結合專業(yè)實際，在實際教學過程中對該課程教學內容進行了研究和梳理，主要從以下5個大的方面講授本門課程，具體內容如下：

1）GPS衛(wèi)星定位測量基礎。本部分內容在重點講述GPS定位系統的基礎上，補充介紹其他幾個衛(wèi)星導航定位系統，如：俄羅斯的GLONASS系統、歐洲的GALILEO系統以及我國的北斗衛(wèi)星導航系統，增強學生對本門課程的興趣；坐標系統和時間系統主要講述天球坐標系、地球坐標系統及常用的幾種坐標系統及其轉換；對于衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號部分，主要講述衛(wèi)星的無攝運動、受攝運動及GPS信號的組成。

2）定位的基本原理。GPS定位的基本原理作為本門課程的核心內容，主要講述測碼偽距測量原理、載波相位測量原理、靜態(tài)定位原理、動態(tài)定位原理、相對定位原理及差分技術和RT K技術。

3）GPS測量的誤差來源。GPS測量的誤差來源一章內容主要結合學生“測量學”課程中誤差理論的內容，分別講解與信號傳播有關的誤差、與衛(wèi)星有關的問題、與接收機有關的誤差及上述誤差對GPS定位的影響。使學生掌握每種誤差的誤差源及每種誤差的減弱或消除方法。

在數碼王國，每一幅影像都是一片可塑的馬賽克，距離被放大了。照片不再自動成為記錄的裝置，它只能模仿被攝之物，無法“占有被攝對象”[1]24。

4）為了配合“GPS原理與應用”的教學，我校從東方聯星公司購買了NewStar150GPS原理實驗平臺。NewStar150為學生提供開放式的實驗環(huán)境，使學生在真實設備、真實衛(wèi)星信號環(huán)境下，親自動手進行實驗和編程，理解單向測距原理，掌握GPS測量誤差和信號傳輸誤差特性，掌握實時GPS衛(wèi)星位置及Doppler頻移的預測方法等接收機核心技術。通過實驗，使學生加深對GPS系統結構、工作原理、工作過程的理解，掌握GPS接收機核心算法導航解算過程。為學生畢業(yè)后順利進入衛(wèi)星導航領域，從事GPS教學、科研、接收機開發(fā)、接收機芯片設計、衛(wèi)星完好性監(jiān)測，以及物流、測量、車載GPS系統開發(fā)等應用系統開發(fā)工作奠定理論基礎，積累實踐經驗。

NewStar150GPS原理實驗平臺可以做的5個基本實驗是：實驗1：實時衛(wèi)星位置解算及結果分析；實驗2：實時傳輸誤差計算與特性分析及信噪比與衛(wèi)星仰角關系；實驗3：幾何精度因子（DOP）的實時計算與分析；實驗4：導航解算（接收機位置、時間）及結果分析；實驗5：可視衛(wèi)星位置預測。

5）GPS在相關領域的應用。主要從GPS測量技術在控制測量、精密工程測量及變形監(jiān)測、城市規(guī)劃、水土保持生態(tài)建設、土地資源調查、地質調查、地形測量、地籍測量及深水測量中的應用講解，使學生掌握GPS在相關行業(yè)中的應用。

其他內容如：GPS信號接收機、GPS數據處理主要通過實踐環(huán)節(jié)進行加強。

2.3 教學手段

本課程采用以下教學手段來達到培養(yǎng)高水平技能型人才的目的。

1）多媒體教學。教學內容直觀、生動、豐富、互動。

2）多媒體教室與計算機實訓室組合。對復雜而難以掌握的GPS數據處理教學，學生一邊看大屏幕聽講，一邊動手模仿練習，提高教學效率和質量。

3）與企業(yè)聯合建立實訓基地。實訓環(huán)境真實，使學生技能與崗位需求實現零距離。

5）請南方公司高水平工程技術人員擔任實訓指導教師，可給學生傳授豐富的實踐經驗。

3 實踐教學內容探討

充分利用現有的實驗設備及軟件，讓學生有充分的獨立動手實踐機會，從而切實提高學生的動手操作能力。實驗教學中設計了以下內容：

GPS接收機的操作和數據采集；GPS靜態(tài)相對定位測量；GPS靜態(tài)相對定位數據處理；GPS RTK實時動態(tài)測量；GPS RTK數字測圖。結合近3年的教學實踐，對于實驗教學有以下幾點體會。

1）在時間上，做好理論教學與實驗教學的合理安排。目前，根據實際學院在GPS實驗部分主要設計了5個方面的內容，這幾個內容在時間安排上都要合理，一般地，相應課堂教學內容完成后就安排相關實驗，學生通過實驗對課堂內容加深理解和鞏固。

2）在形式上，力求多樣化，確保實驗環(huán)節(jié)的效果。對于接收機的認識及操作、靜態(tài)數據采集、RTK操作通過實驗教學錄像，讓學生對儀器各部件及具體的操作步驟有初步認識的基礎上，結合現場演示，現場指導讓學生掌握具體的數據采集過程，通過GPS RTK操作，主要讓學生掌握基準站的連接、設置，移動站的設置，坐標轉換參數的求法，測量和放樣等內容；對于數據處理通過制作完成的GPS靜態(tài)數據解算PPT，讓學生掌握數據處理軟件的基本功能；通過實驗機房，學生親自上機操作，對靜態(tài)數據進行解算以及網平差，并學會對數據進行分析，使學生切實掌握實驗各環(huán)節(jié)的內容。另外，邀請儀器廠家技術人員給學生進行相關儀器方面知識的講座，拓寬學生的知識面。

3）在鞏固實習效果方面，通過去實習基地實習提升該門課程的學習效果。在實踐教學中，將GPS實習與工程測量學中工程測量實習結合起來，進行為期3周的校外實習，其中GPS控制測量部分，從選點、埋石做起，布設了礦大實習基地E級GPS控制網，按照分級布設的原則，布設了30個控制點，其中：一級控制網10個點，二級控制網20個點，控制面積5km2，要求學生進行觀測計劃的制定、數據采集、下載數據后進行數據解算。各個環(huán)節(jié)均按照規(guī)范的要求。通過實習使學生系統地掌握GPS的作業(yè)過程，提高了在實際工作中分析和解決問題的能力?？刂茰y量結束后，結合RTK指導學生完成基地地形圖的測繪任務，完成碎部測量任務。為期3周的實習結束后，學生以組為單位提交以下成果：GPS技術設計書、點位坐標成果、圖件資料，以檢查學生的實習情況。

4）加強實驗教學。在實驗的實施中，要求每個學生都認認真真操作，不允許蒙混過關，針對每一節(jié)實驗課都應提出具體的要求，實驗結束之后要求學生撰寫實驗報告，以加深對實驗課內容的理解。

4 學生成績評價環(huán)節(jié)

為了切實提高學生的學習效果，加強對學生學習成績的評定。我們通過期末考試成績和平時成績結合的考核模式，即：學生總成績＝考試成績（70%）＋平時成績（30%，考勤、作業(yè)、小程序、實驗），具體地，實驗部分成績從態(tài)度、外業(yè)操作熟練程度、實驗報告3個方面綜合考核。小程序的編寫主要結合課堂講的理論部分配合編程，主要涉及坐標轉換及數據采集程序的編寫，不僅加深了學生對專業(yè)知識的理解，而且鍛煉了學生的編程能力 。考試題題型具體為：名詞解釋、填空、選擇題、判斷正誤、簡答、綜合題。綜合題一般就是根據工程實際進行設計。

5 結束語

“GPS原理及應用”課程理論較深，涉及的知識面廣，同時GPS技術又在飛速發(fā)展，其應用領域也在不斷擴大。因此，任課教師應時時關注GPS技術發(fā)展動態(tài)，不斷學習新知識，勤于思考，豐富課堂教學研究；學校應加強與有關測量儀器公司及生產實踐單位的聯系，加強實驗室和實習基地建設，提高教學效果，確保課程教學的實用性和先進性。

［1］徐紹銓，張華海.GPS測量原理及應用［M］.武漢：武漢大學出版社，2006.

［2］陳軍，潘高峰.GPS軟件接收機基礎［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［3］王惠南.GPS導航原理及應用［M］.北京：科學出版社，2003.

［4］李洪濤，許國呂.GPS應用程序設計［M］.北京：科學出版社，2000.

［5］喬仰文.GPS衛(wèi)星定位原理及其在測繪中的應用［M］.北京：科學教育出版社，2000.

［6］吳學偉，周國君，于坤.GPS原理與應用課程教學與實踐探討［J］.測繪與空間地理信息，2008，31（5）：89-94.

［7］吳繼忠，李明峰，劉三枝.“GPS定位技術及其應用”課程實踐教學體系的構建［J］.全球定位系統，2007（3）：38-41.

［8］郭秋英，趙吉濤.“GPS原理及應用”課程教學實踐與探討［J］.測繪工程，2008，17（1）：75-77.