淺析《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》教學(xué)中程序設(shè)計(jì)的重要性

常亮　郭立新　馮貴平

【摘 要】討論了近年來(lái)在《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》課程教學(xué)中進(jìn)行程序設(shè)計(jì)作業(yè)的重要性，并列舉了幾個(gè)“逆向思維”教學(xué)實(shí)例，總結(jié)了課程教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，并提出了今后的改進(jìn)方法。

【關(guān)鍵詞】GPS；教學(xué)；程序設(shè)計(jì)

0 前言

自20世紀(jì)70年代初期全球定位系統(tǒng)（GPS）誕生以來(lái)，GPS已廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、地球物理學(xué)、天體力學(xué)、載人航天學(xué)、全球海洋學(xué)和全球氣象學(xué)等領(lǐng)域，涵蓋了軍事國(guó)防、智能交通、郵電通信、礦業(yè)、石油、建筑、農(nóng)業(yè)、氣象、土地管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、金融、公安等部門和行業(yè)[1]。為滿足人才培養(yǎng)目標(biāo)需求，各高校的測(cè)繪類專業(yè)在制訂培養(yǎng)計(jì)劃時(shí)，都將《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》課程放在重要位置。同時(shí)，自上海海洋大學(xué)成立海洋測(cè)繪專業(yè)以來(lái)，《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》課程就成為該專業(yè)的一門必修課程。

然而，由于該課程所涉及到的各專業(yè)理論廣泛且復(fù)雜，技術(shù)性強(qiáng)，而且隨著世界各國(guó)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的重視與投入逐步加大，包括GPS在內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)更新較快，并與多學(xué)科交叉，導(dǎo)致其在實(shí)際教學(xué)中存在一定的難度。因此，在《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)中，如何讓學(xué)生更好地理解相關(guān)理論，提高課程的教學(xué)質(zhì)量，是值得教師認(rèn)真思考的問(wèn)題。通過(guò)過(guò)去幾年上海海洋大學(xué)海洋測(cè)繪專業(yè)《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)實(shí)踐與嘗試，本文就實(shí)際教學(xué)中所實(shí)行的程序設(shè)計(jì)作業(yè)的重要性進(jìn)行探討，為進(jìn)一步提高學(xué)生的接受能力，并下一步繼續(xù)開展教學(xué)改革打下基礎(chǔ)。

1 程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)例

在進(jìn)行《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》課程的講授中，首先會(huì)根據(jù)上課班級(jí)的學(xué)生總?cè)藬?shù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組。分組的具體方法可以采取自愿組合的方式，每組3到4人，這樣方便后面進(jìn)行任務(wù)分配以及對(duì)學(xué)生的掌握情況進(jìn)行考核。

1.1 GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)處理及相關(guān)應(yīng)用的重要步驟。在課堂上進(jìn)行講授時(shí)，學(xué)生往往難以深刻認(rèn)識(shí)到轉(zhuǎn)換過(guò)程中所需要注意的問(wèn)題。例如，在進(jìn)行WGS84空間直角坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行迭代處理，已精確求出對(duì)應(yīng)的大地緯度。但是，如果沒有要求學(xué)生實(shí)際進(jìn)行轉(zhuǎn)換，學(xué)生往往由于惰性或其他方面的原因，將這個(gè)問(wèn)題一帶而過(guò)。此外，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，還可以考察學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)與理解能力。比如在利用我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)估計(jì)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)其得到的大地坐標(biāo)系與空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，這就需要學(xué)生能認(rèn)識(shí)CGCS2000與WGS84之間的聯(lián)系與區(qū)別。

除了空間直角坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換外，還有空間直角坐標(biāo)系與站心直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。一般地，我們可以選取常用的北東天（NEU）這一特殊的站心直角坐標(biāo)系為例來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。實(shí)踐證明，通過(guò)給學(xué)生布置程序設(shè)計(jì)更能讓學(xué)生加深對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中具體過(guò)程及注意事項(xiàng)的理解。

1.2 GPS衛(wèi)星星歷計(jì)算

為了加深學(xué)生對(duì)GPS衛(wèi)星坐標(biāo)的理解，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)課的時(shí)間，為學(xué)生講解了GPS儀器的操作和GPS原始數(shù)據(jù)的采集方法，并要求學(xué)生根據(jù)自己采集的廣播星歷，根據(jù)書本上提供的GPS衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算的原理，自己動(dòng)身設(shè)計(jì)GPS衛(wèi)星的位置計(jì)算程序。一方面，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，另一方面，又通過(guò)學(xué)生進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，加深了學(xué)生對(duì)導(dǎo)航文件中設(shè)計(jì)的參數(shù)的理解。此外，在通過(guò)導(dǎo)航文件進(jìn)行參數(shù)的提取了，還可以讓學(xué)生來(lái)認(rèn)識(shí)和理解GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的RINEX格式。

1.3 GPS偽距單點(diǎn)定位

在課程進(jìn)行到后半段時(shí)，可以布置這樣一個(gè)綜合性相對(duì)高點(diǎn)的題目讓學(xué)生們?nèi)ネ瓿?。在進(jìn)行GPS偽距單點(diǎn)定位的程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要學(xué)生對(duì)整個(gè)GPS數(shù)據(jù)格式，GPS基本觀測(cè)量，GPS衛(wèi)星精密星歷產(chǎn)品和GPS衛(wèi)星精密鐘差產(chǎn)品等概念有較為深刻的認(rèn)識(shí)和理解?？紤]到衛(wèi)星星歷的時(shí)間分辨率較低，如果進(jìn)行任意時(shí)刻的定位就需要對(duì)GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差進(jìn)行插值，這無(wú)疑增加了對(duì)本科生的要求和程序設(shè)計(jì)的難度。

為此，可以首先學(xué)生采用國(guó)際GNSS服務(wù)組織（IGS）提供的間隔15分鐘的后處理精密星歷產(chǎn)品，并以15分鐘的時(shí)間間隔來(lái)進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位結(jié)果估計(jì)。相應(yīng)如果學(xué)生能夠完整地實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)程序設(shè)計(jì)，那么對(duì)GPS相關(guān)概念的理解，相關(guān)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)等會(huì)上升到一個(gè)新的臺(tái)階。

2 尚存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)幾個(gè)學(xué)期的程序設(shè)計(jì)教學(xué)摸索，整體上提高了學(xué)生在《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》學(xué)習(xí)中的積極性和主動(dòng)性，但是我們認(rèn)為還存在以下幾個(gè)問(wèn)題，需要在后續(xù)的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步改進(jìn)：

2.1 如何更科學(xué)地進(jìn)行分組已更好地完成程序設(shè)計(jì)內(nèi)容

雖然在分組之初我們要求每個(gè)組的學(xué)生必須承擔(dān)一定的任務(wù)。然而，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)匯報(bào)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，雖然每個(gè)組都會(huì)完成要求的程序設(shè)計(jì)，但是在相當(dāng)多的小組中，僅部分人參與了方案的設(shè)計(jì)和程序的編寫，另一部分同學(xué)則處于游離狀態(tài)。

2.2 如何杜絕抄襲網(wǎng)上已有程序的現(xiàn)象

GPS在我國(guó)的發(fā)展已有幾十個(gè)年頭，在相關(guān)高等院校的教學(xué)也取得了長(zhǎng)足發(fā)展。同時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越發(fā)達(dá)的今天，網(wǎng)上能獲取的與GPS相關(guān)的程序代碼也越來(lái)越多。在《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)中，我們后來(lái)發(fā)現(xiàn)有一部分同學(xué)交來(lái)的程序設(shè)計(jì)作業(yè)中有一大部分內(nèi)容均為網(wǎng)絡(luò)獲取得到的，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，嚴(yán)重偏離了我們?cè)O(shè)計(jì)這種教學(xué)方案的初衷。因此，后續(xù)教學(xué)中，我們應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)網(wǎng)上抄襲這方面的管理與引導(dǎo)，更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

3 結(jié)論

在本文中，對(duì)上海海洋大學(xué)《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中的程序設(shè)計(jì)教學(xué)方法進(jìn)行了探討，并針對(duì)存在的一些問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。其最終目的是為了改善《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)與鞏固學(xué)生對(duì)GPS的認(rèn)識(shí)與理解。接下來(lái)幾年的時(shí)間，隨著我國(guó)北斗和歐盟GALILEO等GNSS系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展與完善，我們還將就改善程序設(shè)計(jì)教學(xué)方法，為提高同學(xué)們對(duì)多衛(wèi)星星座在相關(guān)方面的認(rèn)識(shí)進(jìn)行更深入的研究和探索。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，等.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用（第三版）[M].武漢大學(xué)出版社，2008.

[責(zé)任編輯：王楠]