“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理”課程研究性教學(xué)法探討

連達(dá)軍，陳國棟，袁 銘，張 序

(蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009)

隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)越來越顯示出其重要性，在測繪類專業(yè)的課程教學(xué)中，也受到前所未有的重視。“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理”是一門理論性、工程性很強(qiáng)的課程[1-3]，不僅要理解和掌握基本理論知識，還要通過大量實(shí)踐，了解和掌握工程應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理方法，才能學(xué)好這門課程。由于衛(wèi)星導(dǎo)航定位的理論與技術(shù)發(fā)展日新月異，課程內(nèi)容多、涉及面廣，對數(shù)理基礎(chǔ)要求高，導(dǎo)致該課程在教學(xué)中存在一些問題：

(1) 教學(xué)內(nèi)容多，跨度大，涉及坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、定位信號、定位原理、誤差來源、技術(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)水準(zhǔn)等許多復(fù)雜的理論和技術(shù)[4]。由于課時(shí)有限，講課時(shí)不能面面俱到，導(dǎo)致教學(xué)重點(diǎn)不突出，學(xué)生不容易抓住課程主線，增加了學(xué)習(xí)難度。

(2) 課程難度大，涉及公式多，計(jì)算復(fù)雜，如對測量平差的理解和應(yīng)用，對非測繪專業(yè)的學(xué)生就是一個難點(diǎn)。如果教學(xué)方法枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣就會不高，也談不上理解和掌握。

(3) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位外業(yè)測量要求有高度的計(jì)劃性和團(tuán)隊(duì)協(xié)同性，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法靈活；但傳統(tǒng)測量的習(xí)慣，可能會導(dǎo)致觀測小組實(shí)習(xí)時(shí)同步觀測無法完成或達(dá)不到要求，觀測數(shù)據(jù)處理結(jié)果不佳。雖然有實(shí)習(xí)，但教學(xué)脫離生產(chǎn)，不具備社會服務(wù)功能[5-7]，顯示出實(shí)踐教學(xué)單薄，試驗(yàn)實(shí)習(xí)訓(xùn)練達(dá)不到教學(xué)效果。

課程組針對以上問題進(jìn)行分析，經(jīng)過近年來的摸索和實(shí)踐，設(shè)計(jì)和實(shí)施了一套設(shè)計(jì)性、研究性教學(xué)方法(如圖1所示)，并在教學(xué)實(shí)踐中不斷完善，取得了較好的效果，增加了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)了實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐操作與動手能力，鍛煉了學(xué)生獨(dú)立思考、分析和解決實(shí)際問題的能力。

圖1 “衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理”研究性教學(xué)法設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)性、研究性教學(xué)方法

突出教學(xué)重點(diǎn)，設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)主動學(xué)習(xí)是解決問題的關(guān)鍵。這就要求對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容之間的聯(lián)系，特別要注重教學(xué)過程中理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)有所用。對于實(shí)踐性教學(xué)，則需要結(jié)合實(shí)際案例，考慮內(nèi)容的綜合性、設(shè)計(jì)性和研究性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性。在此基礎(chǔ)上，課程組設(shè)計(jì)了一套課堂理論教學(xué)、實(shí)踐環(huán)境設(shè)計(jì)、試驗(yàn)實(shí)習(xí)教學(xué)的方法，在實(shí)踐中采用了突出重點(diǎn)，引進(jìn)工程案例，設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)境，因人因組而異的方式，突出了設(shè)計(jì)性和研究性教學(xué)，較好地解決了教學(xué)中存在的問題，具體內(nèi)容有：

(1) 適當(dāng)取舍，突出重點(diǎn)。進(jìn)行知識整合，提煉與工程項(xiàng)目和生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合的理論知識要點(diǎn)，這些要點(diǎn)包括：衛(wèi)星信號、定位原理、坐標(biāo)系統(tǒng)、誤差分析、外業(yè)實(shí)施、數(shù)據(jù)處理等。而對于衛(wèi)星定軌計(jì)算、衛(wèi)星定位儀器、測量誤差模型等內(nèi)容僅作簡單介紹。

(2) 引進(jìn)工程案例。教學(xué)內(nèi)容要調(diào)動學(xué)生的積極性，能夠反映當(dāng)代最新的測繪技術(shù)和應(yīng)用水平，理論聯(lián)系實(shí)際，最好的方法就是引進(jìn)工程案例教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生思考，具有設(shè)計(jì)性和研究性，這樣的教學(xué)內(nèi)容是反映時(shí)代信息的，而與此相聯(lián)系的實(shí)踐活動也往往是綜合性、設(shè)計(jì)性的，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力。

(3) 設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)境。為了達(dá)到設(shè)計(jì)性和研究性教學(xué)效果，需要對衛(wèi)星導(dǎo)航定位的教學(xué)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括來自實(shí)際工程或科研項(xiàng)目的理論知識準(zhǔn)備，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，教學(xué)方法設(shè)計(jì)，試驗(yàn)實(shí)習(xí)場地設(shè)計(jì)與建設(shè)，試驗(yàn)實(shí)習(xí)方法設(shè)計(jì)，對提交結(jié)果的要求等。

(4) 因人因組而異。在實(shí)踐性教學(xué)中，對學(xué)生按組分配任務(wù)，由于測量區(qū)域、地形元素、觀測時(shí)間甚至觀測儀器的廠家不盡相同，從控制測量開始到獲得最終數(shù)據(jù)處理結(jié)果，各組甚至每個人的結(jié)果可能也會不一樣(同組同樣的數(shù)據(jù)可能也會有不同的處理結(jié)果)，為了獲得最佳結(jié)果，就需要有分析問題和解決問題的能力。

2 教學(xué)實(shí)踐與效果

2.1 課堂理論案例法教學(xué)

在講授上述重點(diǎn)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程和科研項(xiàng)目進(jìn)行案例法教學(xué)。

(1) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位的控制網(wǎng)布設(shè)：結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航定位測量規(guī)范，介紹該項(xiàng)目中實(shí)際采用的布設(shè)方法，涉及控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)、基準(zhǔn)設(shè)計(jì)、網(wǎng)形設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)書的編寫、控制點(diǎn)的外業(yè)選埋、作業(yè)的基本要求和流程等。

(2) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位測量模式，主要講解該項(xiàng)目中實(shí)際采用的3種測量模式：GNSS靜態(tài)相對測量方法，可以獲得控制點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)；GNSS實(shí)時(shí)載波相位差分動態(tài)定位(GNSS real time kinematic，GNSS RTK)測量，可以采用設(shè)立基站的方法，快速獲得圖根點(diǎn)的三維坐標(biāo)；蘇州連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(continuous operational reference system，CORS)測量，利用已有的蘇州CORS，采用無需自建基站的方式快速獲得三維坐標(biāo)。

(3) 靜態(tài)測量數(shù)據(jù)處理：利用精選項(xiàng)目中的觀測數(shù)據(jù)為算例，詳細(xì)講解數(shù)據(jù)處理中的周跳、失周處理、基線向量解算、無約束平差、約束平差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等基本概念，對不同時(shí)段長度、不同觀測模式的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行特點(diǎn)總結(jié)。由于結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)和科研項(xiàng)目，同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣大大增加。

2.2 外業(yè)實(shí)習(xí)設(shè)計(jì)性教學(xué)

為了更好地模擬實(shí)際項(xiàng)目中的工程環(huán)境，在學(xué)校及其周圍建立了多個綜合實(shí)習(xí)基地。

首先在學(xué)校內(nèi)部建立了本課程的校內(nèi)實(shí)習(xí)基地，這是校內(nèi)一個規(guī)模較小的矩形實(shí)驗(yàn)場。該試驗(yàn)場矩形圖案的上百個測點(diǎn)由全站儀精確測定，形成一個具有已知圖形軌跡坐標(biāo)的校內(nèi)實(shí)習(xí)場地，主要用于運(yùn)動載體的動態(tài)測量或?qū)Ш綄?shí)習(xí)[9]。學(xué)生們可以按一定要求分組自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)和實(shí)習(xí)。通常在運(yùn)動載體上安置衛(wèi)星接收機(jī)，接收機(jī)沿矩形軌跡以一定速度移動，在移動中觀測，再與已知標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果比較，求出中誤差，獲得動態(tài)測量精度。

其次建立了蘇州吳中區(qū)西山實(shí)習(xí)基地，該基地距校超過60 km。這里地形元素豐富，有山有水，有橋有路，也有農(nóng)田村莊，適合衛(wèi)星定位的控制、測圖、相控、工程、變形測量等多種實(shí)踐環(huán)境。學(xué)生每4人一個觀測小組(一臺儀器)，3～4小組編成一大組，對控制網(wǎng)進(jìn)行觀測，在這樣的環(huán)境中自己按規(guī)定和要求進(jìn)行本組控制網(wǎng)設(shè)計(jì)，比較不同的地物、地貌對選點(diǎn)和網(wǎng)形設(shè)計(jì)的影響，研究設(shè)計(jì)網(wǎng)形與精度的關(guān)系。實(shí)習(xí)場地已有大量已知控制點(diǎn)，部分為等級較高的控制點(diǎn)，低等級的各點(diǎn)位并不固定，可由學(xué)生自行選點(diǎn)確定，但必須與已知點(diǎn)聯(lián)測。實(shí)習(xí)基地可用于實(shí)習(xí)中的設(shè)計(jì)性試驗(yàn)、實(shí)習(xí)和基站設(shè)置，也可用于坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算。實(shí)習(xí)場地總面積達(dá)5 km2。

最后建立了蘇州市測繪院教學(xué)實(shí)習(xí)基地。我校師生參與了“蘇州市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系建設(shè)”項(xiàng)目的大部分工作，其中CORS的平面位置與似大地水準(zhǔn)面精化(GNSS高程測量)檢測由我校主持并負(fù)責(zé)實(shí)施。這項(xiàng)工作涉及檢測場地設(shè)計(jì)、建設(shè)，以及用多種觀測模式對蘇州CORS具有代表性檢測點(diǎn)的檢測[10]。整個項(xiàng)目包括了大蘇州范圍的控制測量、RTK測量、GNSS導(dǎo)航、GNSS高程測量、誤差分析、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等內(nèi)容，也是本課程中要求同學(xué)們掌握的重點(diǎn)內(nèi)容，具有典型工程性質(zhì)和研究性質(zhì)，符合課程教學(xué)的幾乎所有內(nèi)容，是一個很好的教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)原型。教學(xué)團(tuán)隊(duì)將課程內(nèi)容設(shè)計(jì)與該項(xiàng)目的工作過程、工作內(nèi)容、數(shù)據(jù)處理、獲得結(jié)果、誤差分析等相結(jié)合，將工程項(xiàng)目、科研課題融入本課程的課堂教學(xué)和實(shí)踐活動中。

有了這些實(shí)習(xí)基地，同學(xué)們可以進(jìn)行綜合、設(shè)計(jì)性試驗(yàn)和實(shí)習(xí)。如要求各組在實(shí)習(xí)基地上設(shè)計(jì)不同網(wǎng)形，同步圖形采用不同的連接方式，分別進(jìn)行比較和分析?？梢詫τ^測結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)行網(wǎng)形分析，完善網(wǎng)形設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)精度。要求學(xué)生使用不同的觀測模式進(jìn)行觀測，對不同模式的觀測結(jié)果進(jìn)行比較分析，加深對多種觀測模式適用性的理解。

2.3 內(nèi)業(yè)計(jì)算研究性教學(xué)

外業(yè)測量結(jié)束后，大約有1/3的時(shí)間要用來進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。在課程教學(xué)中，最使學(xué)生頭疼的就是大量的計(jì)算公式，復(fù)雜的計(jì)算方法，穿插著線性代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、間接平差、精度計(jì)算等基礎(chǔ)理論，對于非測繪專業(yè)的學(xué)生更是如此。采用結(jié)合實(shí)際的研究性教學(xué)較好地解決了這個問題，經(jīng)?？梢詫⒆约河^測的質(zhì)量不太好的數(shù)據(jù)處理成可以達(dá)到要求的結(jié)果。

(1) 在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理教學(xué)開始時(shí)，教師會結(jié)合數(shù)據(jù)處理軟件，講解一個完整算例。其中的約束平差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換部分，要求學(xué)生們分別使用不同的一組已知控制點(diǎn)來計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，用此參數(shù)求得經(jīng)轉(zhuǎn)換以后的各點(diǎn)本地坐標(biāo)，如果再與另一些已知控制點(diǎn)坐標(biāo)比較，可以確定這組轉(zhuǎn)換參數(shù)的轉(zhuǎn)換質(zhì)量。不同的控制點(diǎn)組可獲得不同的轉(zhuǎn)換參數(shù)，同學(xué)們可以通過比較，選取最佳已知控制點(diǎn)組。對部分有興趣的同學(xué)則要求他們按七參數(shù)法編制計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的程序，進(jìn)行進(jìn)一步學(xué)習(xí)。這種研究性的教學(xué)有益于提高同學(xué)們分析問題的能力。

(2) 利用各組自建控制網(wǎng)觀測的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。由于觀測條件往往不佳，精度不容易達(dá)到規(guī)定要求，要處理出一組好的結(jié)果非常不容易。這就迫使同學(xué)們研究觀測數(shù)據(jù)、觀測衛(wèi)星、觀測時(shí)段等的取舍，對所有觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別、篩選和比較。由于每組同學(xué)的觀測區(qū)域、圖形、觀測時(shí)間等都不相同，需要大家從起算點(diǎn)選取、參考衛(wèi)星選取、觀測時(shí)段取舍、衛(wèi)星觀測高度角的設(shè)置、大氣延遲模型選取等多方面進(jìn)行試算，以求獲得最好的一組結(jié)果。各組同學(xué)之間互相交流，集思廣益，以求得到一組較好的數(shù)據(jù)處理結(jié)果；并在這個過程中學(xué)到數(shù)據(jù)處理要點(diǎn)，提高分析問題和解決問題的能力。

(3) 在GNSS高程一節(jié)的理論與實(shí)踐教學(xué)中，啟發(fā)同學(xué)們選取不同的已知高程點(diǎn)組進(jìn)行局部水準(zhǔn)面的擬合，再與另一些已知點(diǎn)高程相比較[11]，以獲得最佳的局部大地水準(zhǔn)面。在動態(tài)測量的實(shí)踐性教學(xué)中，利用位于運(yùn)動載體(如固定在自行車后座上的接收機(jī)對中桿)上的接收機(jī)進(jìn)行動態(tài)觀測，獲得CORS下接收機(jī)的平面位置幾何運(yùn)動軌跡，與已知的全站儀觀測值相比較。

研究性教學(xué)大大激發(fā)了同學(xué)們學(xué)習(xí)衛(wèi)星導(dǎo)航定位課程的興趣，使枯燥的理論和計(jì)算獲得新生，提高了學(xué)習(xí)效果。

3 結(jié) 語

“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理”是一門多學(xué)科交叉、滲透的課程，具有理論和實(shí)踐性強(qiáng)、學(xué)習(xí)難度大、試驗(yàn)和實(shí)習(xí)要求高、內(nèi)業(yè)計(jì)算復(fù)雜等特點(diǎn)。采用上述方法進(jìn)行教學(xué)，能夠較好地適應(yīng)這些特點(diǎn)，增加同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，加深對衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理的理解，鞏固所學(xué)知識，提高分析問題和解決問題的能力，畢業(yè)后會更快地適應(yīng)實(shí)際工作環(huán)境[12]。

設(shè)計(jì)性、研究性教學(xué)法在課程教學(xué)中產(chǎn)生了較好效果，該課程在2014年全校課程建設(shè)評估中被評為優(yōu)秀，授課教師獲得全國該課程講課大賽二等獎；同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)際動手能力。在江蘇省第一至第五屆高校測繪儀器操作技能大賽和江蘇省第一至第四屆高校測繪與地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)軟件創(chuàng)新大賽上，我校專業(yè)和非專業(yè)代表隊(duì)均獲得佳績，多次獲得一等獎，多位教師獲優(yōu)秀指導(dǎo)獎。

學(xué)習(xí)來自實(shí)際工程和科研項(xiàng)目的內(nèi)容需要進(jìn)行一定的理論知識準(zhǔn)備，再配合實(shí)踐環(huán)節(jié)，所學(xué)知識會有一定的深度和廣度，往往也具有先進(jìn)性，可以使同學(xué)們在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)內(nèi)容的同時(shí)，了解和掌握當(dāng)前的新方法和新技術(shù)。這種方法對其他有類似特點(diǎn)的課程教學(xué)也具有一定借鑒意義。

必須指出，設(shè)計(jì)性、研究性教學(xué)方法對教師要求較高，不僅要求教師熟悉理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，更重要的是要求授課教師實(shí)際參與相關(guān)內(nèi)容的項(xiàng)目實(shí)施和科研，才能較好地理解教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

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