“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、地殼運動監測、工程變形監測、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、實踐環節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”是測繪工程專業的專業必修課，講授28學時，實踐12學時。均開設于第5學期，2011版測繪工程專業培養方案對“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。

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，通過實踐環節使學生熟知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靜態數據的解算及網平差的方法。培養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，對此，結合專業實際，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；對于衛星運動及GPS衛星信號部分，主要講述衛星的無攝運動、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、靜態定位原理、動態定位原理、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境，使學生在真實設備、真實衛星信號環境下，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。為學生畢業后順利進入衛星導航領域，從事GPS教學、科研、接收機開發、接收機芯片設計、衛星完好性監測，以及物流、測量、車載GPS系統開發等應用系統開發工作奠定理論基礎，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測、城市規劃、水土保持生態建設、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節進行加強。

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）與企業聯合建立實訓基地。實訓環境真實，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靜態相對定位測量；GPS靜態相對定位數據處理；GPS RTK實時動態測量；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，確保實驗環節的效果。對于接收機的認識及操作、靜態數據采集、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節的內容。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。各個環節均按照規范的要求。通過實習使學生系統地掌握GPS的作業過程，提高了在實際工作中分析和解決問題的能力。控制測量結束后，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 學生成績評價環節

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、小程序、實驗），具體地，實驗部分成績從態度、外業操作熟練程度、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技術發展動態，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.