關(guān)于《GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理》課程編程教學(xué)的探討

呂偉才 嚴(yán)超

摘要：GNSS是目前測(cè)繪學(xué)科中大地測(cè)量學(xué)的一個(gè)重要研究方向，是測(cè)繪專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生的核心課程。隨著GNSS技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)測(cè)繪類人才的數(shù)據(jù)處理理論能力、編程能力和開(kāi)發(fā)能力要求越來(lái)越高，因而需要對(duì)測(cè)繪專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)的GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理的教學(xué)方法進(jìn)行研究，為我國(guó)自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)—北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全面推廣和應(yīng)用培養(yǎng)高水平的理論和軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)人才。

關(guān)鍵詞：GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理;測(cè)繪專業(yè);編程教學(xué)

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

一、引言

GNSS主要包括美國(guó)的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、中國(guó)的BDS系統(tǒng)、歐洲的GALILEO系統(tǒng)，以及美國(guó)的WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng)）、日本的QZSS系統(tǒng)、印度的IRNSS系統(tǒng)等增強(qiáng)系統(tǒng)，還涵蓋在建和以后將要建設(shè)的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS技術(shù)的迅速發(fā)展，給我國(guó)高校的測(cè)繪學(xué)科的教學(xué)帶來(lái)了巨大的變革，如何教育學(xué)生在計(jì)算機(jī)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)處理，如何讓GNSS技術(shù)在本地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演重要角色，這些問(wèn)題不僅僅是測(cè)繪領(lǐng)域的從業(yè)人員，也是我們作為授業(yè)老師應(yīng)該讓測(cè)繪專業(yè)本科生和研究生應(yīng)該具備的能力。安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，從上個(gè)世紀(jì)90年代就開(kāi)展了GNSS技術(shù)、VB語(yǔ)言、C語(yǔ)言、C++語(yǔ)言等程序開(kāi)發(fā)環(huán)境的教學(xué)和科研工作，并且在本科生和研究生的培養(yǎng)方案中都涉及了相關(guān)課程。目前，我校測(cè)繪學(xué)院的測(cè)繪工程、大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程兩個(gè)專業(yè)均開(kāi)設(shè)了GPS定位原理與應(yīng)用和GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理課程。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)與科研實(shí)踐，總結(jié)出了一套課上學(xué)習(xí)理論課后編程實(shí)現(xiàn)的教學(xué)新模式，學(xué)生在完成GPS教學(xué)大綱和C++語(yǔ)言教學(xué)大綱的學(xué)習(xí)任務(wù)后，教師依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓其自主成立GNSS編程小組，將理論付諸實(shí)踐，既增加了學(xué)生的理論水平，也增強(qiáng)了學(xué)生的軟件開(kāi)發(fā)能力，并培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣。

二、編程教學(xué)的基本指導(dǎo)思路

經(jīng)過(guò)本科多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理的科研和生產(chǎn)實(shí)踐，得出了編程教學(xué)的基本指導(dǎo)思想。

（一）設(shè)置合理全面的課程結(jié)構(gòu)

“拓寬專業(yè)知識(shí)面，發(fā)展與交叉學(xué)科相結(jié)合方式”是現(xiàn)代高等教育對(duì)廣大本科專業(yè)的基本要求。這就要求授課老師在課程教學(xué)中，既要講授本課堂的教學(xué)任務(wù)內(nèi)容，又要向?qū)W生滲透測(cè)繪領(lǐng)域最基本、最前沿的理論和業(yè)務(wù)知識(shí)。為此授課教師要采取多渠道方式學(xué)習(xí)和跟蹤學(xué)科前沿知識(shí)，努力擴(kuò)展自己的專業(yè)知識(shí)面和交叉學(xué)科知識(shí)，以便可以及時(shí)調(diào)整課堂教學(xué)重點(diǎn)。針對(duì)GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理這門(mén)特殊課程的教學(xué)，再伴隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展與普及，其數(shù)據(jù)處理方法（即編程語(yǔ)言）的改進(jìn)也迫在眉睫。由以前的VB編程、C語(yǔ)言編程、C++編程等向網(wǎng)絡(luò)編程轉(zhuǎn)變，這就要對(duì)GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理這門(mén)課程教學(xué)設(shè)置合理的課程結(jié)構(gòu)。為此，我們?cè)谡n堂教學(xué)中就要滲透進(jìn)網(wǎng)絡(luò)編程的基礎(chǔ)知識(shí)，成立GNSS編程興趣小組，從而活躍課堂教學(xué)。

（二）提高課堂教學(xué)質(zhì)量

在教學(xué)內(nèi)容上，優(yōu)化課程內(nèi)容體系，難點(diǎn)、重點(diǎn)要花長(zhǎng)時(shí)間讓學(xué)生理解。在教學(xué)過(guò)程中，老師要注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，可以把課堂上的內(nèi)容帶進(jìn)機(jī)房講授，邊教邊實(shí)踐，達(dá)到所學(xué)即所見(jiàn)。

（三）注重課后討論

“眾人拾柴火焰高”，通過(guò)課后討論，讓GNSS編程小組可以深刻地理解課堂的理論知識(shí)，再通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)，更加深了自己的認(rèn)知，從而提高了軟件開(kāi)發(fā)能力。

（四）定期進(jìn)行成果匯報(bào)

在這部分中，學(xué)生和老師身份互換，學(xué)生要將其編程成果通過(guò)多媒體匯報(bào)給大家并展示其相關(guān)算法的推導(dǎo)過(guò)程。在學(xué)生匯報(bào)后，老師要根據(jù)學(xué)生的講解思路和成果展示，提出存在的問(wèn)題和看法，指出下一步的發(fā)展思路，學(xué)生通過(guò)老師的意見(jiàn)可以很好地對(duì)自己在編程過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改正，從而使學(xué)生在編程過(guò)程中思路更加有的放矢。

三、課程核心內(nèi)容的確定

根據(jù)安徽理工大學(xué)對(duì)《本科生培養(yǎng)方案》中專業(yè)核心課程的安排，并結(jié)合教學(xué)組的討論結(jié)果，確定本課程的核心內(nèi)容。

1.導(dǎo)航定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介。了解衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，尤其要注意美國(guó)的GPS和中國(guó)的BDS，了解慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理和GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

2.衛(wèi)星在軌位置的計(jì)算。了解GPS定位的時(shí)間系統(tǒng)、GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)和星歷文件格式，掌握GPS衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)的計(jì)算，通過(guò)對(duì)比，學(xué)習(xí)BDS衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)的計(jì)算。

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

4.GPS測(cè)量誤差來(lái)源及其改正。其主要誤差由與衛(wèi)星有關(guān)誤差、與傳播路徑有關(guān)誤差、與接收機(jī)有關(guān)誤差和其他誤差四部分組成，學(xué)生要掌握各項(xiàng)誤差的改正模型。

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

6.GPS網(wǎng)平差以及成果轉(zhuǎn)換。掌握GPS網(wǎng)空間無(wú)約束平差及其質(zhì)量評(píng)價(jià)，了解GPS網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

7.GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)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(shù)與PPP技術(shù)簡(jiǎn)介。掌握GPS差分定位技術(shù)，了解VRS基本原理，掌握精密單點(diǎn)定位技術(shù)、定位精度及其應(yīng)用。

9.GPS/INS組合導(dǎo)航基本原理與應(yīng)用。掌握GPS/INS組合導(dǎo)航及其應(yīng)用。

四、編程任務(wù)及目的

1.安裝VS2010，讓學(xué)生熟悉編程環(huán)境。

2.RINEX格式中N文件讀取。在此過(guò)程中，學(xué)生熟悉了N文件的格式和編程語(yǔ)言中的if語(yǔ)句和switch等分支語(yǔ)句、for循環(huán)語(yǔ)句和while等循環(huán)語(yǔ)句、類及容器的基本概念。

3.使用已讀取的N文件，計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)，其目的是讓學(xué)生學(xué)習(xí)基本的數(shù)學(xué)公式編程。

4.RINEX格式O文件讀取。通過(guò)查找相關(guān)資料，學(xué)生了解了GPS中常用的觀測(cè)數(shù)據(jù)并練習(xí)復(fù)雜文件的讀取。

5.文件匹配。根據(jù)O文件中的時(shí)間，在N文件中查詢所需的導(dǎo)航星歷。完成此任務(wù)，學(xué)生基本上掌握了多文件操作、較為復(fù)雜的選擇和循環(huán)語(yǔ)句使用。

6.GPS單點(diǎn)定位。掌握GPS偽距觀測(cè)方程、偽距定位中誤差方程構(gòu)造、最小二乘原理編程、矩陣計(jì)算函數(shù)庫(kù)使用。

7.GPS偽距雙差定位。掌握GPS偽距雙差模型構(gòu)造、誤差方程組構(gòu)造、熟悉最小二乘及矩陣運(yùn)算庫(kù)使用。

8.GPS載波雙差（基線解算模型）。了解GPS基線解算模型構(gòu)造、誤差方程組構(gòu)造，了解附有系統(tǒng)參數(shù)的誤差方程構(gòu)造及平差方法，通過(guò)編程語(yǔ)言讓這些算法實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證其正確性。

9.模糊度搜索方法。在編程時(shí)，主要實(shí)現(xiàn)直接取整法和LAMBDA算法。

10.熟悉kalman濾波在GNSS數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用。

11.實(shí)現(xiàn)GPS/BDS/GLONASS三系統(tǒng)的融合解算基線，并且測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

12.設(shè)計(jì)精密單點(diǎn)定位（ppp）中的各項(xiàng)系統(tǒng)誤差，在各項(xiàng)系統(tǒng)誤差處理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)PPP的濾波。

五、關(guān)于教學(xué)方法與學(xué)生考核成績(jī)的改革探討

（一）教學(xué)方法

在課堂上，根據(jù)GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理的課程具有定位方式的數(shù)學(xué)模型等公式推導(dǎo)和定位精度分析、涉及到的原理圖及公式較多的特點(diǎn)，并結(jié)合CAI（ComputerAssisted Instruction）課件多媒體方式在現(xiàn)在教學(xué)中起到的良好的教學(xué)效果，遂采用多媒體課件加板書(shū)相結(jié)合的教學(xué)方式。在編程教學(xué)上，讓沒(méi)有編程基礎(chǔ)的學(xué)生，先從win32控制臺(tái)應(yīng)用程序開(kāi)始，讓他們先完成時(shí)間轉(zhuǎn)換程序和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序任務(wù)，通過(guò)這一任務(wù)，使他們學(xué)會(huì)了基本的編程語(yǔ)言。在上一階段任務(wù)完成后，再讓學(xué)生通過(guò)MFC程序完成RINEX文件的讀取，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位與相對(duì)定位等程序。實(shí)踐證明，通過(guò)先易后難、先基礎(chǔ)后進(jìn)階的循序漸進(jìn)的編程過(guò)程，可以為學(xué)生在編程道路上打好開(kāi)端，為以后的軟件開(kāi)發(fā)打下牢固的編程基礎(chǔ)。

（二）學(xué)生考核成績(jī)

根據(jù)安徽理工大學(xué)教務(wù)處規(guī)定，大學(xué)課程的考評(píng)成績(jī)=期末考試成績(jī)×70%+平時(shí)成績(jī)×30%。平時(shí)成績(jī)包括學(xué)生的作業(yè)完成率、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課堂互動(dòng)、出勤率等方面。實(shí)踐環(huán)節(jié)凸顯實(shí)踐教學(xué)對(duì)測(cè)繪工程專業(yè)教育的重要性，但現(xiàn)行的學(xué)生成績(jī)考評(píng)機(jī)制卻忽略了這一環(huán)節(jié)，出現(xiàn)了學(xué)生在平時(shí)敷衍、考前突擊的現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生成績(jī)不理想，反映不出學(xué)生的真實(shí)水平，埋沒(méi)了部分學(xué)生的編程優(yōu)勢(shì)，使其能力得不到發(fā)揮。為此，考核成績(jī)=期末考試×50%+編程任務(wù)考核×20%+實(shí)踐成績(jī)×20%+平時(shí)成績(jī)×10%[2]。借此評(píng)價(jià)指標(biāo)可獲得學(xué)生相應(yīng)的考核成績(jī)，能更加公平地評(píng)價(jià)學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)情況及自身能力。

六、總結(jié)

《GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理》是測(cè)繪工程及相關(guān)專業(yè)的一門(mén)核心專業(yè)課程，在具有測(cè)繪工程專業(yè)的院校，幾乎都開(kāi)設(shè)了此課程，因此教育同行一直都很重視該課程的教學(xué)方法和教學(xué)效果。本文根據(jù)該課程的多年授課經(jīng)驗(yàn)，以安徽理工大學(xué)對(duì)本科生的實(shí)踐與開(kāi)發(fā)培養(yǎng)方案為導(dǎo)向，結(jié)合當(dāng)前GNSS技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，并針對(duì)目前《GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理》課程教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的不足，在如何能夠合理安排教學(xué)內(nèi)容，如何確定編程任務(wù)，運(yùn)用什么樣的教學(xué)方法和學(xué)生考評(píng)機(jī)制等問(wèn)題提出了自己的觀點(diǎn)，希望借此能對(duì)該課程的教學(xué)改革起到促進(jìn)作用，同時(shí)也期望通過(guò)該課程的教學(xué)探討提高學(xué)生的理論知識(shí)和軟件開(kāi)發(fā)能力。

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