關于《GPS測量與數據處理》課程編程教學的探討

呂偉才 嚴超

摘要：GNSS是目前測繪學科中大地測量學的一個重要研究方向，是測繪專業以及相關專業的本科生和研究生的核心課程。隨著GNSS技術和計算機技術的迅猛發展，對測繪類人才的數據處理理論能力、編程能力和開發能力要求越來越高，因而需要對測繪專業以及相關專業的GPS測量與數據處理的教學方法進行研究，為我國自主導航定位系統—北斗衛星導航系統的全面推廣和應用培養高水平的理論和軟件開發技術人才。

關鍵詞：GPS測量與數據處理;測繪專業;編程教學

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）40-0178-02

一、引言

GNSS主要包括美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASS系統、中國的BDS系統、歐洲的GALILEO系統，以及美國的WAAS（廣域增強系統）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導航重疊系統）、日本的QZSS系統、印度的IRNSS系統等增強系統，還涵蓋在建和以后將要建設的其他衛星導航系統。GNSS技術的迅速發展，給我國高校的測繪學科的教學帶來了巨大的變革，如何教育學生在計算機技術中實現GNSS數據處理，如何讓GNSS技術在本地區的經濟發展中扮演重要角色，這些問題不僅僅是測繪領域的從業人員，也是我們作為授業老師應該讓測繪專業本科生和研究生應該具備的能力。安徽理工大學測繪學院，從上個世紀90年代就開展了GNSS技術、VB語言、C語言、C++語言等程序開發環境的教學和科研工作，并且在本科生和研究生的培養方案中都涉及了相關課程。目前，我校測繪學院的測繪工程、大地測量學與測量工程兩個專業均開設了GPS定位原理與應用和GPS測量與數據處理課程。經過多年的教學與科研實踐，總結出了一套課上學習理論課后編程實現的教學新模式，學生在完成GPS教學大綱和C++語言教學大綱的學習任務后，教師依據學生的學習興趣，讓其自主成立GNSS編程小組，將理論付諸實踐，既增加了學生的理論水平，也增強了學生的軟件開發能力，并培養了學生的科研興趣。

二、編程教學的基本指導思路

經過本科多年的教學經驗，結合GPS測量與數據處理的科研和生產實踐，得出了編程教學的基本指導思想。

（一）設置合理全面的課程結構

“拓寬專業知識面，發展與交叉學科相結合方式”是現代高等教育對廣大本科專業的基本要求。這就要求授課老師在課程教學中，既要講授本課堂的教學任務內容，又要向學生滲透測繪領域最基本、最前沿的理論和業務知識。為此授課教師要采取多渠道方式學習和跟蹤學科前沿知識，努力擴展自己的專業知識面和交叉學科知識，以便可以及時調整課堂教學重點。針對GPS測量與數據處理這門特殊課程的教學，再伴隨著現代網絡技術的迅猛發展與普及，其數據處理方法（即編程語言）的改進也迫在眉睫。由以前的VB編程、C語言編程、C++編程等向網絡編程轉變，這就要對GPS測量與數據處理這門課程教學設置合理的課程結構。為此，我們在課堂教學中就要滲透進網絡編程的基礎知識，成立GNSS編程興趣小組，從而活躍課堂教學。

（二）提高課堂教學質量

在教學內容上，優化課程內容體系，難點、重點要花長時間讓學生理解。在教學過程中，老師要注重培養學生的創新意識和實踐能力，可以把課堂上的內容帶進機房講授，邊教邊實踐，達到所學即所見。

（三）注重課后討論

“眾人拾柴火焰高”，通過課后討論，讓GNSS編程小組可以深刻地理解課堂的理論知識，再通過編程實現，更加深了自己的認知，從而提高了軟件開發能力。

（四）定期進行成果匯報

在這部分中，學生和老師身份互換，學生要將其編程成果通過多媒體匯報給大家并展示其相關算法的推導過程。在學生匯報后，老師要根據學生的講解思路和成果展示，提出存在的問題和看法，指出下一步的發展思路，學生通過老師的意見可以很好地對自己在編程過程中出現的問題進行改正，從而使學生在編程過程中思路更加有的放矢。

三、課程核心內容的確定

根據安徽理工大學對《本科生培養方案》中專業核心課程的安排，并結合教學組的討論結果，確定本課程的核心內容。

1.導航定位系統簡介。了解衛星導航定位系統，尤其要注意美國的GPS和中國的BDS，了解慣性導航系統原理和GNSS/INS組合導航系統。

2.衛星在軌位置的計算。了解GPS定位的時間系統、GPS定位的坐標系統和星歷文件格式，掌握GPS衛星瞬時坐標的計算，通過對比，學習BDS衛星瞬時坐標的計算。

3.載波相位觀測值周跳探測與修復。了解周跳的產生原因，重點掌握周跳探測與修復的方法，特別要重點掌握電離層殘差法與寬巷相位減窄巷偽距法。

4.GPS測量誤差來源及其改正。其主要誤差由與衛星有關誤差、與傳播路徑有關誤差、與接收機有關誤差和其他誤差四部分組成，學生要掌握各項誤差的改正模型。

5.基線向量解算。掌握非差偽距單點定位模型和雙差定位模型、GPS定位的載波相位觀測方程、載波雙差模型，并且要重點掌握載波站際星際雙差模型構造及平差方法、模糊度固定方法，重點是直接取整搜索和最小二乘模糊度降相關平差法（LAMBDA算法）。

6.GPS網平差以及成果轉換。掌握GPS網空間無約束平差及其質量評價，了解GPS網坐標系統轉換和高程系統轉換。

7.GPS監測網數據處理方法。掌握Kalman濾波方法，了解似單差方法和小波分析理論。

8.VRS技術與PPP技術簡介。掌握GPS差分定位技術，了解VRS基本原理，掌握精密單點定位技術、定位精度及其應用。

9.GPS/INS組合導航基本原理與應用。掌握GPS/INS組合導航及其應用。

四、編程任務及目的

1.安裝VS2010，讓學生熟悉編程環境。

2.RINEX格式中N文件讀取。在此過程中，學生熟悉了N文件的格式和編程語言中的if語句和switch等分支語句、for循環語句和while等循環語句、類及容器的基本概念。

3.使用已讀取的N文件，計算衛星坐標，其目的是讓學生學習基本的數學公式編程。

4.RINEX格式O文件讀取。通過查找相關資料，學生了解了GPS中常用的觀測數據并練習復雜文件的讀取。

5.文件匹配。根據O文件中的時間，在N文件中查詢所需的導航星歷。完成此任務，學生基本上掌握了多文件操作、較為復雜的選擇和循環語句使用。

6.GPS單點定位。掌握GPS偽距觀測方程、偽距定位中誤差方程構造、最小二乘原理編程、矩陣計算函數庫使用。

7.GPS偽距雙差定位。掌握GPS偽距雙差模型構造、誤差方程組構造、熟悉最小二乘及矩陣運算庫使用。

8.GPS載波雙差（基線解算模型）。了解GPS基線解算模型構造、誤差方程組構造，了解附有系統參數的誤差方程構造及平差方法，通過編程語言讓這些算法實現并驗證其正確性。

9.模糊度搜索方法。在編程時，主要實現直接取整法和LAMBDA算法。

10.熟悉kalman濾波在GNSS數據處理中的應用。

11.實現GPS/BDS/GLONASS三系統的融合解算基線，并且測試數據的穩定性。

12.設計精密單點定位（ppp）中的各項系統誤差，在各項系統誤差處理的基礎上，實現PPP的濾波。

五、關于教學方法與學生考核成績的改革探討

（一）教學方法

在課堂上，根據GPS測量與數據處理的課程具有定位方式的數學模型等公式推導和定位精度分析、涉及到的原理圖及公式較多的特點，并結合CAI（ComputerAssisted Instruction）課件多媒體方式在現在教學中起到的良好的教學效果，遂采用多媒體課件加板書相結合的教學方式。在編程教學上，讓沒有編程基礎的學生，先從win32控制臺應用程序開始，讓他們先完成時間轉換程序和坐標轉換程序任務，通過這一任務，使他們學會了基本的編程語言。在上一階段任務完成后，再讓學生通過MFC程序完成RINEX文件的讀取，實現絕對定位與相對定位等程序。實踐證明，通過先易后難、先基礎后進階的循序漸進的編程過程，可以為學生在編程道路上打好開端，為以后的軟件開發打下牢固的編程基礎。

（二）學生考核成績

根據安徽理工大學教務處規定，大學課程的考評成績=期末考試成績×70%+平時成績×30%。平時成績包括學生的作業完成率、實驗報告、課堂互動、出勤率等方面。實踐環節凸顯實踐教學對測繪工程專業教育的重要性，但現行的學生成績考評機制卻忽略了這一環節，出現了學生在平時敷衍、考前突擊的現象，導致學生成績不理想，反映不出學生的真實水平，埋沒了部分學生的編程優勢，使其能力得不到發揮。為此，考核成績=期末考試×50%+編程任務考核×20%+實踐成績×20%+平時成績×10%[2]。借此評價指標可獲得學生相應的考核成績，能更加公平地評價學生的真實學習情況及自身能力。

六、總結

《GPS測量與數據處理》是測繪工程及相關專業的一門核心專業課程，在具有測繪工程專業的院校，幾乎都開設了此課程，因此教育同行一直都很重視該課程的教學方法和教學效果。本文根據該課程的多年授課經驗，以安徽理工大學對本科生的實踐與開發培養方案為導向，結合當前GNSS技術發展的現狀，并針對目前《GPS測量與數據處理》課程教學環節中存在的不足，在如何能夠合理安排教學內容，如何確定編程任務，運用什么樣的教學方法和學生考評機制等問題提出了自己的觀點，希望借此能對該課程的教學改革起到促進作用，同時也期望通過該課程的教學探討提高學生的理論知識和軟件開發能力。

參考文獻：

[1]余學祥，王堅，劉紹堂，等.GPS測量與數據處理[M].徐州中國礦業大學出版社，2013.

[2]王勝利，趙興旺.關于《衛星定位原理與應用》課程興趣教學的探討[J].科技視野，2014，33：186-187.