《GPS測量原理與應用》的教學改革初探

常亮　郭立新　馮貴平　張進

【摘 要】討論了近年來在《GPS測量原理與應用》課程教學中進行理論與實踐結(jié)合教學的重要性，并列舉了幾個理論與實踐教學實例，總結(jié)了課程教學中存在的一些問題，并提出了今后的改進方法。

【關(guān)鍵詞】GPS；教學改革

中圖分類號： G642；P228.4-4 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）06-0145-001

【Abstract】This paper discusses the importance of the combination of theory and practice teaching in the teaching of GPS Measurement Principles and Applications in recent years. It also lists several theoretical and practical teaching examples and summarizes some problems in curriculum teaching. Suggested future improvements.

【Key words】GPS； Teaching Reform

0 前言

全球定位系統(tǒng)（GPS）是目前部署最完善，衛(wèi)星技術(shù)最先進，定位精度最高，且普及最廣的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。在GPS的設計之初，美國國防部的主要目的是使GPS系統(tǒng)能夠為海陸空三軍提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應急通訊等一些列軍事活動。但是，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)GPS衛(wèi)星不僅可以用于軍事目的，還能夠進行厘米甚至毫米級的定位，以及米級甚至亞米級的動態(tài)定位。因此，GPS如今已廣泛應用于大地測量學、地球動力學、地球物理學、天體力學、載人航天學、全球海洋學和全球氣象學等領(lǐng)域，涵蓋了軍事國防、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、金融、公安等部門和行業(yè)[1]。自上海海洋大學海洋測繪專業(yè)成立以來，《GPS測量原理與應用》課程就成為該專業(yè)的一門必修課程。隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的日趨完善，海洋測繪學生學習與掌握好GPS測量技術(shù)的原理，可為今后進一步工作與學習打下堅實的基礎。

然而，由于《GPS測量原理與應用》課程的技術(shù)性較強，對計算機、信號處理等學科的基礎知識有一定的要求，導致我們在實際教學過程中發(fā)現(xiàn)學生對部分關(guān)鍵知識的理解有難度。為了讓學生更好地理解GPS定位與應用的相關(guān)理論，提高課程的教學效率與質(zhì)量，是值得教師們認真思考的問題。通過過去幾年上海海洋大學海洋測繪專業(yè)《GPS測量原理與應用》課程的教學實踐與嘗試，本文就實際教學中所實行的理論與實踐結(jié)合教學進行探討，為進一步提高學生的接受能力，并開展下一步教學改革打下基礎。

1 主要教學內(nèi)容

全球定位系統(tǒng)在測量中越來越受重視，學習GPS測量原理的目的在于使學生全面掌握這一定位技術(shù)，了解GPS定位的理論基礎和涉及的主要技術(shù)方法。本課程的主要教學內(nèi)容包括：

（1）第一章：緒論部分。主要是了解GPS定位技術(shù)的發(fā)展由來及GPS測量技術(shù)的特點。重點：GPS定位技術(shù)的發(fā)展史；難點：GPS測量技術(shù)特點。

（2）第二章：GPS定位的坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)。包括以下具體知識點：了解常用坐標系統(tǒng)的分類、掌握天球坐標系統(tǒng)和地球坐標系統(tǒng)的定義、掌握協(xié)議天球坐標系統(tǒng)和協(xié)議地球坐標系統(tǒng)的構(gòu)成及相互轉(zhuǎn)換的過程、掌握WGS-84坐標系統(tǒng)的建立過程、了解世界時系統(tǒng)和原子時系統(tǒng)的定義、掌握GPST時間系統(tǒng)的定義。重點：GPS定位坐標系統(tǒng)及其相互轉(zhuǎn)換；難點：GPS時間系統(tǒng)的定義。

（3）第三章：衛(wèi)星運動的基礎知識及GPS衛(wèi)星的坐標計算。包括以下具體知識點：了解GPS衛(wèi)星的無攝運動和受攝運動、了解衛(wèi)星星歷的概念和傳播方式、掌握GPS衛(wèi)星坐標計算方法。重點：GPS衛(wèi)星的無攝運動；難點：GPS衛(wèi)星的坐標計算方法。

（4）第四章：電磁波的傳播與GPS衛(wèi)星的信號。包括以下具體知識點：了解大氣層對電磁波傳播的影響內(nèi)容和程度、了解衛(wèi)星信號的構(gòu)成及衛(wèi)星導航電文的組成部分。重點：大氣層對電磁波傳播的相關(guān)性；難點：衛(wèi)星信號的構(gòu)成。

（5）第五章：GPS衛(wèi)星導航基本原理。包括以下具體知識點：掌握絕對定位的原理和作業(yè)方法、掌握幾種常用精度因子的概念、了解相對定位的基本概念、掌握靜態(tài)相對定位、單差、雙差和三差觀測方程的構(gòu)成方式、掌握靜態(tài)相對定位單基線平差模型的建立方法、掌握整周未知數(shù)的確定方法。重點：GPS絕對定位的原理；單差、雙差三差觀測方程的構(gòu)成方式；難點：幾種常用精度因子概念；整周未知數(shù)的確定方法。

（6）第六章：GPS應用的影響因素。包括以下具體知識點：了解GPS定位方法的分類及觀測量的基本概念、掌握測碼偽距和測相偽距觀測方程的構(gòu)成和線性化的方法、掌握影響GPS定位精度誤差來源及消除和減弱誤差的措施。重點：GPS定位精度誤差來源及減弱誤差措施；難點：測碼偽距和測相偽距觀測方程。

2 存在問題與解決方法

經(jīng)過多個學期的《GPS測量原理與應用》教學摸索，整體上提高了學生在《GPS測量原理與應用》學習中的積極性和主動性，但是我們認為還存在以下幾個問題，需要在后續(xù)的教學實踐中進一步改進：

（1）理論知識點的理解不夠深入，甚至會將不同知識點的理論特點弄混淆。特別是在GPS定位原理的講授時，對基本定位方法，以及差分定位的分類等知識的理解不夠。

（2）對GPS定位進行具體應用時的認識不夠深入。GPS的應用非常廣泛，但是學生對GPS應用的認識更多的停留在書本層面，等到大四實習時，感覺對理論知識的認識還不深入。

針對這些問題，我們提出了以下理論與實踐結(jié)合的教學舉措。一方面，通過數(shù)據(jù)采集與程序設計（如進行最進本的偽距單點定位程序設計），提高對GPS設備與操作的熟練了解，并深入認識GPS數(shù)據(jù)格式、GPS觀測值類型、GPS衛(wèi)星鐘差與軌道等方面的具體內(nèi)容；另一方面，通過在課程相關(guān)理論內(nèi)容講授后，聯(lián)系參觀實習，了解與認識GPS技術(shù)在國民經(jīng)濟中的具體應用過程，并就相關(guān)問題與現(xiàn)場工程負責人員進行請教，這樣可幫助更好地理解書本的理論知識。

3 結(jié)論

在本文中，對上海海洋大學《GPS測量原理與應用》課程的教學實踐過程中的理論與實踐結(jié)合的教學方法進行了探討，并針對存在的一些問題進行了總結(jié)。其最終目的是為了改善《GPS測量原理與應用》課程的教學效果，提高教學質(zhì)量，增強與鞏固學生對GPS的認識與理解。

【參考文獻】

[1]徐紹銓，張華海，楊志強，等.GPS測量原理及應用（第三版）[M].武漢大學出版社，2008.