導(dǎo)航工程專業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方法課程建設(shè)與思考

郭斐,劉萬科,樓益棟,張小紅

(1.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,武漢 430079;2.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,武漢 430079)

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導(dǎo)航工程專業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方法課程建設(shè)與思考

郭斐1,劉萬科1,樓益棟2,張小紅1

(1.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,武漢 430079;2.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,武漢 430079)

文章首先簡要介紹了武漢大學(xué)新增的導(dǎo)航工程專業(yè),然后對(duì)導(dǎo)航工程專業(yè)下設(shè)的一門專業(yè)課——衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方法的建設(shè)進(jìn)行了探討。重點(diǎn)圍繞該課程的教學(xué)目標(biāo)、課程設(shè)置、教學(xué)方法與手段進(jìn)行了一些有益的探索與思考。

導(dǎo)航工程專業(yè);衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方法;課程建設(shè)

0　引　言

隨著導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展,國民經(jīng)濟(jì)及國防安全建設(shè)的諸多部門需要一大批能從事導(dǎo)航技術(shù)研究、開發(fā)、服務(wù)的高級(jí)專門人才。為了順應(yīng)這一新形勢,武漢大學(xué)等高校陸續(xù)開辦了導(dǎo)航工程專業(yè)。作為一門新興的學(xué)科,導(dǎo)航工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和課程建設(shè)正處于探索階段,是當(dāng)前導(dǎo)航人才培養(yǎng)面臨的一個(gè)重要課題[1]。本文針對(duì)我校導(dǎo)航工程專業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方法課程的設(shè)置與教學(xué)方法進(jìn)行探討,以供同行參考。

1　導(dǎo)航工程專業(yè)

1.1專業(yè)介紹

導(dǎo)航工程是航空航天技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和大地測量技術(shù)等多學(xué)科交叉的產(chǎn)物,已逐步發(fā)展成為一門具有獨(dú)特研究對(duì)象和完整體系的新興學(xué)科。依托武漢大學(xué)測繪學(xué)科的優(yōu)勢和特色,同時(shí)也是為了更好地適應(yīng)新形勢下測繪科學(xué)技術(shù)與其他學(xué)科交叉發(fā)展的迫切需求,2011年,我校向教育部成功申請(qǐng)?jiān)鲈O(shè)導(dǎo)航工程本科專業(yè),并于次年招生。

1.2培養(yǎng)目標(biāo)

我校導(dǎo)航工程專業(yè)培養(yǎng)從事導(dǎo)航定位技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用的復(fù)合型高層次人才。培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握現(xiàn)代導(dǎo)航工程的理論、技術(shù)和方法,具備運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和技能解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生畢業(yè)后能在導(dǎo)航及相關(guān)領(lǐng)域的企事業(yè)單位從事研發(fā)、管理、教學(xué)及應(yīng)用等工作。

2　衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方法課程建設(shè)

2.1課程目標(biāo)

衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方法是針對(duì)我校導(dǎo)航工程專業(yè)所開設(shè)的一門專業(yè)課,其目的是通過本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生全面了解并掌握衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)處理的基本理論、數(shù)學(xué)模型、處理方法,為學(xué)生今后從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)處理、研發(fā)、工程技術(shù)應(yīng)用等奠定理論和方法基礎(chǔ)。

2.2課程設(shè)置

本課程安排在第六學(xué)期,學(xué)生在進(jìn)行本課程學(xué)習(xí)之前,已完成了導(dǎo)航概論、最優(yōu)估計(jì)、衛(wèi)星導(dǎo)航原理等專業(yè)基礎(chǔ)課程,對(duì)GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展、導(dǎo)航定位的基本概念、基本原理已經(jīng)有了整體的認(rèn)識(shí)。同步開設(shè)的專業(yè)課程有傳感器技術(shù)、慣性導(dǎo)航、組合導(dǎo)航、嵌入式系統(tǒng)與程序設(shè)計(jì)等。在前導(dǎo)課程的基礎(chǔ)之上,衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方法這門課程側(cè)重于高精度的GNSS數(shù)據(jù)處理理論、模型與算法。課程總學(xué)時(shí)數(shù)為54學(xué)時(shí),其中理論教學(xué)36學(xué)時(shí),實(shí)踐教學(xué)18學(xué)時(shí)。課程內(nèi)容涵蓋了GNSS觀測方程、誤差處理、周跳探測、整周模糊度解算、精密單點(diǎn)定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)、GNSS測速與定姿等內(nèi)容。

2.3教學(xué)方法與手段

衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理理論與方法是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)課,只有采用科學(xué)的、合理的教學(xué)方法與手段才能達(dá)到良好的教學(xué)效果。理論教學(xué)過程中,結(jié)合講授法、討論法、直觀演示法、自主學(xué)習(xí)法,借助黑板和多媒體工具有效呈現(xiàn)課程內(nèi)容。課堂講授過程中,對(duì)于一些常用的線性組合觀測值,如無電離層組合、MW組合,借助粉筆和黑板詳細(xì)講授公式的推導(dǎo)過程,加深學(xué)生的記憶和理解;對(duì)于一些相對(duì)抽象的概念,如周跳、模糊度固定、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡、載體姿態(tài)角等則可通過類比法、多媒體圖片和動(dòng)畫演示,呈現(xiàn)直觀效果,進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和吸收。針對(duì)一些較為復(fù)雜和靈活的問題,如導(dǎo)航定位模型中的參數(shù)化、數(shù)學(xué)相關(guān)性等問題,采用課堂討論法,讓學(xué)生各抒己見,互相啟發(fā),分析每種方案的科學(xué)性和合理性,最終在教師的指導(dǎo)下,形成最優(yōu)的解決方案;進(jìn)而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,活躍學(xué)生思想和課堂氣氛,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題和解決問題的能力。針對(duì)數(shù)據(jù)處理的中間過程和最終定位結(jié)果,采用直觀演示法。例如在講解GNSS誤差處理時(shí),現(xiàn)場采用GNSS數(shù)據(jù)處理軟件分析各項(xiàng)誤差源的數(shù)值大小、變化規(guī)律及其對(duì)定位結(jié)果的影響,讓學(xué)生對(duì)誤差處理獲得感性認(rèn)識(shí)。在導(dǎo)航定位精度評(píng)價(jià)時(shí),可將地心地固系下抽象的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至更為直觀、易于理解的站心直角坐標(biāo)系(平面與高程方向),加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

實(shí)踐教學(xué)是一種復(fù)習(xí)和鞏固先前理論教學(xué)內(nèi)容的重要教學(xué)方式,也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的有效環(huán)節(jié)。上機(jī)實(shí)習(xí)統(tǒng)一安排在我院導(dǎo)航工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了優(yōu)良的硬件設(shè)備和軟件資源。實(shí)習(xí)內(nèi)容涉及RINIEX格式文件(包括GNSS觀測文件和導(dǎo)航電文)的讀寫、組合觀測值的構(gòu)造與計(jì)算、普通單點(diǎn)定位與精密單點(diǎn)定位、模糊度解算、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相對(duì)定位。常用的高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件有美國麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)圣地亞哥分校海洋研究所研制的GAMIT、瑞士伯爾尼大學(xué)研制的Bernese、美國噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室研制的GIPSY、武漢大學(xué)研制的PANDA以及TriP等軟件[2]?？紤]到這些軟件主要面向具有一定經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)和科研人員,不適于本科生入門階段的學(xué)習(xí),且軟件資源不易獲得。因此,本課程利用兩款開放獲取的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件包開展實(shí)踐教學(xué)。其中一款是由西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)研制的gLAB軟件[3],另外一款則是由日本東京海洋大學(xué)研制的RTKLib軟件[4]。兩款軟件均可從官網(wǎng)免費(fèi)獲取,且提供豐富、友好的交互式界面,甚至還提供基礎(chǔ)程序的源代碼,非常適合本課程的實(shí)踐教學(xué)。

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),教師應(yīng)當(dāng)重視實(shí)習(xí)內(nèi)容的準(zhǔn)備和結(jié)構(gòu)安排,遵循“循序漸進(jìn)、深入淺出、啟發(fā)學(xué)生思維”的原則。上機(jī)實(shí)習(xí)之前,讓學(xué)生明確本次實(shí)習(xí)的目標(biāo)和任務(wù),教師在場控制學(xué)生實(shí)習(xí)的進(jìn)度,幫助學(xué)生解決實(shí)踐過程中遇到的問題。實(shí)習(xí)的內(nèi)容(算例)從簡單到復(fù)雜,可分為入門算例、進(jìn)階算例和提高算例三個(gè)環(huán)節(jié)。初始階段的入門算例可圖文并茂,詳細(xì)介紹數(shù)據(jù)處理的流程和步驟。進(jìn)階實(shí)習(xí)算例則建議采用問題引導(dǎo)式、啟發(fā)式由學(xué)生自主完成。提高階段的算例則安排一些難點(diǎn)問題留給學(xué)生在課后自行完成。

3　教學(xué)總結(jié)與思考

1) 區(qū)別于衛(wèi)星導(dǎo)航原理課程

正如前文所述,衛(wèi)星導(dǎo)航原理是本課程的前導(dǎo)專業(yè)基礎(chǔ)課,兩門課程之間有一定的交叉。實(shí)際教學(xué)過程中,應(yīng)特別注意兩門課程的內(nèi)容設(shè)置,避免知識(shí)點(diǎn)遺漏或過度重疊。經(jīng)課程組反復(fù)討論,衛(wèi)星導(dǎo)航原理課程重點(diǎn)講授衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成、信號(hào)結(jié)構(gòu)、誤差源、導(dǎo)航定位的基本模型,以及GNSS應(yīng)用簡介。本課程則側(cè)重于實(shí)際的數(shù)據(jù)處理理論、模型與算法,特別是結(jié)合當(dāng)前GNSS多頻多系統(tǒng)的發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)。

2) 重視教學(xué)方法

無論是在理論教學(xué),或?qū)嵺`教學(xué)環(huán)節(jié),都需要營造一個(gè)開放的學(xué)習(xí)和交流環(huán)境,讓學(xué)生成為課堂的主角。由于本課程的理論性較強(qiáng),涉及許多模型與公式推導(dǎo),教師應(yīng)重視課堂板書。此外,教師還應(yīng)當(dāng)充分利用多媒體工具和互聯(lián)網(wǎng)資源促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的消化和吸收。

3) 加快面向?qū)Ш焦こ虒I(yè)的教材建設(shè)

我校導(dǎo)航工程專業(yè)主要依托測繪學(xué)院“衛(wèi)星導(dǎo)航定位系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)”。該團(tuán)隊(duì)是一個(gè)國家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì),由其編寫的《GPS測量與數(shù)據(jù)處理》很好地滿足了測繪工程專業(yè)GPS原理及其應(yīng)用、GPS測量數(shù)據(jù)處理這兩門課程的教材需求,并在一定程度上支撐了導(dǎo)航工程專業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方法這門課程的授課需求。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展,亟需一本能夠體現(xiàn)導(dǎo)航工程專業(yè)特色且與本課程高度吻合的教材來填補(bǔ)現(xiàn)階段的空白。在課程組的組織與努力下,面向?qū)Ш焦こ虒I(yè)的系列教材(包括衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方法)編寫工作已逐步開展起來,有望近期出版。

4　結(jié)束語

我校導(dǎo)航工程專業(yè)自開辦以來,已連續(xù)招生4年。面向?qū)Ш焦こ虒I(yè)開設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理理論與方法課程也已開課2年,前期已經(jīng)取得了較好的教學(xué)效果,達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo),并積累了一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。盡管如此,面向?qū)Ш焦こ虒I(yè)的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理理論與方法課程建設(shè)與探討才剛剛起步,未來任重而道遠(yuǎn)。

[1]徐曉華,黃勁松,周曉慧,等. 關(guān)于建設(shè)導(dǎo)航工程專業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航原理課程的思考[J]. 科教導(dǎo)刊,2013(36): 108-109

[2]郭斐. GPS精密單點(diǎn)定位質(zhì)量控制與分析的相關(guān)理論和方法研究[D]. 武漢:武漢大學(xué),2013

[3]SANZ J, ROVIRA-GARCIA A, HERNANDEZ M. The ESA/UPC GNSS-lab tool (gLAB): An advanced educational and professional package for GNSS data processing and analysis[C]//6th ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies Multi-GNSS Navigation Technologies. Noordwijk, the Netherlands. December 2012.

[4]TAKASU T. RTKLIB: Open source program package for RTK-GPS[C]//FOSS4G 2009 Tokyo, Japan, November 2, 2009.

The Practice and Reflectionson the Course Construction of Data Processing Method of Satellite Navigation for the Specialty of Navigation Engineering

GUO Fei1,LIU Wanke1,LOU Yidong2,ZHANG Xiaohong1

(1.SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China; 2.GNSSResearchCenterofWuhanUniversity,Wuhan430079,China)

This paper first introduces the newly established specialty of Navigation Engineering in Wuhan University. Then the practice and some reflections on the course construction of Data Processing Method of Satellite Navigation are discussed from the aspects of teaching objective, curriculum contents, and teaching methods.

Specialty of navigation engineering; data processing method of satellite navigation; course construction

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.026

2016-05-30

武漢大學(xué)測繪學(xué)院本科專業(yè)綜合改革教學(xué)研究項(xiàng)目(編號(hào):201210)

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0120-03

郭斐(1984-),男，博士,講師,主要從事GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)及其應(yīng)用的教學(xué)與研究工作。

聯(lián)系人： 郭斐 E-mail: fguo@sgg.whu.edu.cn