從GPS到GNSS教學的轉變

張全德，劉小陽，錢 安，王秋玲

(防災科技學院，河北 三河 065201)

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從GPS到GNSS教學的轉變

張全德，劉小陽，錢 安，王秋玲

(防災科技學院，河北 三河 065201)

“GPS測量原理及應用”多年來一直是測繪專業的核心課程。隨著GLONASS、BDS、Galileo系統逐漸完善并提供服務，GPS應用已轉換為多系統融合的GNSS應用，而教材更新難以跟上GNSS技術的發展。如何在現有教材的基礎上，將GPS教學轉變為GNSS教學，防災科技學院測繪工程教研組進行了探索和改革：較好地處理了教學與生產應用相結合；增加學習內容而不增加課時；多種形式的授課方法讓學生掌握更多的知識和技能；探索出一條從GPS轉變為GNSS教學之路。

GPS；GNSS；測量原理；生產應用；教學改革

“GPS測量原理及應用”是防災科技學院測繪工程專業本科開設的一門專業核心課。教材選用武漢大學出版社出版，徐紹銓等編著的《GPS測量原理及應用》(2008年7月，第3版)。該教材通俗易懂，適用面廣[1]。課程安排在大三第一學期，共64學時，其中課堂教學54學時，教學實驗10學時。學生成績由平時成績和考試成績構成，其中平時學習成績占30%，期中考試占20%，期末考試占50%，以百分制進行評定。期中、期末均采用閉卷考試，4個學分。

隨著GPS技術的進步和發展，GLONASS日趨完善，BDS已于2012年底開始為亞太地區提供公開服務[2]，Galileo去年已完成18顆星布網并開始服務。GPS一花獨放的時代已經結束。目前，生產單位已廣泛使用多系統、多頻的GNSS接收機。在此背景下，為適應新技術發展趨勢和市場對創新人才的需求，我國許多高校的相關教師對“GPS測量原理及應用”的授課方式和內容進行了革新[3-6]。防災科技學院測繪工程專業教研組也在教學過程中通過探索和改革，嘗試了從GPS到GNSS教學的轉變，較好地處理了教材滯后于GNSS發展的問題、教學內容與生產應用相結合的問題、增加教學內容而不增加課時問題、如何在有限的時間內讓學生掌握更多的知識和技能問題，為培養出生產單位所需要的技術人才，探索出一條從GPS教學轉變為GNSS教學之路。

1 GNSS的發展與教學內容的轉變

1.1 教學內容的擴充與更新

防災科技學院測繪專業沒有開設“空間大地測量理論基礎”之類的課程，為使學生更好地理解和掌握GNSS測量原理，在選用教材的基礎上，適當地增加了一些內容，如天球的基本概念，歲差和章動、極移，開普勒三大定律[7]，MW組合，精密星歷[8]等。此外，根據GPS技術的發展，也不斷地更新教材內容。例如，RINEX3.02版本出來后，在講述RINEX2.1版本時，也講述RINEX3.02版本；在講述GPS設計與實施時，則以現行《全球定位系統(GPS)測量規范》為準，在講述GPS生產作業模式時，則以當前CORS布網模式和RTK作業為重點；在講述GPS技術應用時，則重點介紹國家測繪地理信息局已布設完成的國家GPS大地控制網，以及中國地震局等多個部門聯合布設的“中國地殼運動觀測網絡”和“中國大陸構造環境監測網絡”等重大測繪工程項目。按照學校對學生的培養目標，對采用的教材進行擴充與更新，不僅使教學內容豐富、生動，而且與生產應用結合得更加緊密，讓學生感受到該課程具有豐富的理論知識，有廣泛的實踐基礎和應用前景。

1.2 GNSS系統的講授

為了讓學生全面了解GNSS系統的狀況及發展，在講授第一章GPS系統時擴充如下：①早期的衛星定位技術；②子午衛星導航系統的應用及其缺陷；③GPS系統；④GLONASS系統；⑤Galileo系統；⑥BDS系統；⑦GNSS之間的比較。上述安排基本講明了衛星大地測量發展的歷程及GNSS系統狀況。

講授GLONASS時，主要講述該系統目前狀況，以及系統現代化及發展。講授Galileo時，主要講授該系統的先進性、特點及目前布網情況。在講授我國BDS時，則結合國家有關發展BDS，實施BDS戰略的政策，說明BDS是我國的時空基準[9]，衛星導航定位已列為國家戰略性新興產業，以及《國家衛星導航產業中長期發展規劃》部署的五大工程、產業發展藍圖、2020年產業的總產值達到4000億元的目標等[10]；并將BDS衛星發射的最新動態、當前的運行狀況及2020年實現全球服務進行介紹[2]，使學生得到最新的GNSS發展信息。

在講授GNSS之間的比較時，著重講述GNSS技術相互兼容是今后發展趨勢[11]，4個系統偽距定位原理和定位算法均相同；均具有相同的中心頻率甚至相重合的帶寬，相同的右旋圓極化方式，可以使用相同的天線、預選器等；4個系統均為偽隨機擴頻測距信號，可以設計兼容基帶寬處理芯片，實現對信號的捕獲跟蹤，偽距測量等。此外，衛星軌道高度、傾角、運行周期基本一致，有相同的衛星位置算法，多普勒頻率相同，載波和碼跟蹤算法一致。目前，最大的區別是GLONASS采用FDMA衛星識別方式，有較復雜的頻率綜合器。BDS與Galileo有更多的兼容與互操作性，在B1c和B2上均有相同中心頻率，兼容性更強，在接收機制造上更具兼容性等[12]。

在講授GNSS發展時，著重講述GNSS產業競爭與合作并存的國際格局及產業融合發展的趨勢，使學生了解GNSS及其產業正經歷前所未有的四大轉變：從單一的GPS時代轉變為真正實質性的多星座并存兼容的GNSS新時代，進入衛星導航體系全球化和增強多模化的新階段；從以衛星導航應用主體轉變為定位、導航、授時與移動通信和互聯網等信息載體融合的新時期，發展為信息融合化和產業一體化，以及應用智能化的新階段；從經銷應用產品為主逐步轉變為運營服務為主，進入應用大眾化和服務產業化，以及信息服務智能化的新階段；從室外導航定位為主轉變為室內外無縫導航定位的新時空服務體系的新紀元，進入衛星導航為基石的多手段融合、天地一體化、服務泛在化和智能化的新階段[11]。

上述對GNSS四大系統最新發展狀況，以及融合發展趨勢的講授，使學生全面了解GNSS衛星導航與位置服務技術應用和動態，激發了他們對GNSS學科學習的興趣。

1.3 GNSS接收機的講授

目前，生產單位大部分使用的是多系統、多頻GNSS接收機。為此，在講授第四章GPS接收機基本工作原理時，則改為講授GNSS接收機的工作原理。在介紹國外GNSS接收機時，則結合學校實習使用的南方GNSS接收機，著重介紹國內各主要廠商生產的GNSS接收機性能、精度等指標。此外，增加了GNSS接收機的選型與采購等教學內容，根據生產對儀器不同要求，講授如何從技術層面上提出選型的接收機性能和精度指標，進一步拓寬學生的知識面。

1.4 GNSS應用的講授

在國家政策主導、部門持續發力、地方積極出臺配套政策的大環境下，一個廣泛應用BDS正在我國興起[13]。2015年我國衛星導航與位置服務產業總體產值達到1735億元，較2014年增長29.2%。BDS應用占比進一步提高，市場貢獻率接近20%，BDS兼容應用已經成為國內行業市場和特殊市場的主流方案。產業新增投資和新增企業數量持續增加，衛星導航與位置服務領域企事業單位數量保持在14 000家左右，從業人員數量約45萬[14]。為此，在教學中將GPS技術的應用，改為講授以BDS為主的GNSS技術應用。教學中引用了大量BDS在交通領域、城市燃氣、給排水、熱力、電力等方面的應用，以及在老年關愛、智能駕考、電動自行車安全綜合治理等方面應用實例，使學生了解BDS在各行業廣泛應用的市場潛力和發展前景。

2 處理好教學中的幾個關系

2.1 授課內容與授課方式

把GPS教學轉變為GNSS教學，授課內容大大增加，使教學內容與課時矛盾顯得比較突出。為了解決好上述矛盾，采用了講座授課與詳細的理論講解相結合的方式。具體來講，就是要求學生了解的知識，如四大系統及星基增強系統、GNSS技術在各行業中的應用等內容基本采取講座授課方式，并以多媒體圖片為主，這樣可在一堂課內介紹大量內容，讓學生對GNSS全面了解，并在整體上有所把握。

在衛星導航定位理論和數據處理方面，GPS最具有代表性。因此在理論教學中仍以GPS為主，對GPS導航電文的組成及信號結構，GPS衛星位置計算，偽距測量、載波相位測量基本原理，差分GPS定位原理，GPS衛星導航原理，精密單點定位技術，GPS測量誤差理論、數據處理方法等則采用多媒體和板書相結合的方法進行詳實地講授。對于關鍵知識點，如偽距觀測方程、相位觀測方程、觀測值求差、無線電離層組合、MW組合等，則在黑板上進行詳細的公式推導，以此加深學生的理解和記憶。衛星導航定位的理論和方法是教學重點，也是對學生考核的重點內容，要求學生必須牢固掌握。

為便于學生掌握授課內容，每次課后均布置作業，要求學生獨立思考并在作業本上完成，老師對學生上交的作業均認真批改并統計，作為學生平時學習成績的依據之一。通過手寫作業的方式，使學生加強對知識點的理解和記憶。

在講授GPS定位理論過程中，也增加了GPS現代化的內容[15-16]，介紹了GPSⅡF系列衛星更新、下一步GPS Ⅲ衛星的特點，以及新增設的4個信號等內容[17]，使學生對GPS的發展有全面的了解。

根據不同的教學內容，變換不同的授課方式，使學生總有新鮮感，調動了學生學習的興趣，一方面了解到大量嶄新知識，另一方面也掌握了扎實的理論。

2.2 實驗課教學安排

防災科技學院有20臺供學生實習用的GNSS接收機，以及教學計算機房。充分利用這些硬件條件，安排了10個課時，分4次進行GNSS實驗課教學。第一次在講完GPS衛星定位原理后，每個班分成3人一組，進行2課時的靜態定位，要求每個學生掌握GNSS接收機設置，全班進行同步觀測。第二次2課時，在教學計算機房對上次實驗課所觀測的數據進行處理。第三次2課時，在室外進行RTK測量，要求每個學生掌握基準站、流動站設置，并進行RTK測量實習。第四次在講完GNSS測量的設計與實施，安排4課時GNSS儀器檢驗。參加實驗的2個班，一個班進行天線相位中心穩定性檢驗，另一個班進行短基線檢驗。2個班檢驗數據整理匯總后均發給每位學生，要求利用課余時間進行解算，在下次上課時由教師將解算結果發給學生進行比對和參考。

2.3 教學內容與技能培養

在GNSS教學過程中，由于增添了大量的教材上沒有的內容，為了使學生便于學習和掌握，每次上課教師都準備了豐富、翔實的課件，下課后允許學生拷貝作為學習參考資料。

為了在較短實驗課內讓學生迅速掌握儀器操作要領和數據處理技能，為以后安排的二周GNSS生產實習打好基礎，在實驗課前將所用GNSS儀器使用說明書、GNSS數據處理軟件、GNSS軟件操作說明書、GNSS軟件操作演示視頻等資料提前發給學生，讓學生先看資料，再作試驗，達到了事半功倍的效果。

在校園進行GNSS儀器檢驗時，將GNSS接收機安置構成網形，多時段同步觀測。數據處理時，要求學生采用不同高度角、不同的采樣間隔進行數據處理比較。同時要求分別對GPS、BDS、GLONASS數據進行處理，再綜合采用GPS、BDS、GLONASS數據組合方式進行處理。通過對上述計算結果進行比較、分析，使學生對不同數據處理方案有較深的認識。

3 結 語

將“GPS測量原理及應用”講授轉變為“GNSS測量原理及應用”，不僅增添了新的教學內容，而且也增加了教學的難度，要求授課教師要全面掌握GNSS的理論和發展動態，依據教學大綱梳理出整個GNSS授課系統，明確授課重點，并將所授課的內容讓學生們感興趣，聽得懂，記得住，能掌握。防災科技學院測繪工程教研組本著教學內容與生產應用相結合、與GNSS技術進步相結合，教學服務于國家發展戰略和經濟建設的需要，經過實踐和探討在教學轉變過程中取得了一些經驗，以供同行探討。

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The Transition from the GPS to GNSS Teaching

ZHANG Quande，LIU Xiaoyang，QIAN An，WANG Qiuling

(Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201,China)

Over years, “GPS measuring principle and application” has been the core of the surveying and mapping professional courses. As the GLONASS, BDS, Galileo system gradually afford the service，single GPS system has turned many GNSS navigation and positioning system of system integration. Teaching material update is hard to keep up with the development of the GNSS technology.On the basis of the existing teaching materials，how to turn GPS teaching into GNSS. Surveying and Mapping Engineering Research Group of the Institute of Disaster Prevention has carried on the exploration and reform. It is better to deal with the combination of teaching and production, increase the learning content without increasing class hours. A variety of teaching methods are proposed to enable students to master more knowledge and skills. This paper tries to find a shift from GPS for GNSS teaching way.

GPS; GNSS; measuring principle；production applications；teaching reform

張全德，劉小陽，錢安，等.從GPS到GNSS教學的轉變[J].測繪通報，2017(7)：143-146.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0242.

2017-04-13

防災科技學院第九批重點建設課程項目(150767)

張全德(1953—)，男，教授級高級工程師，主要從事大地測量項目設計、組織、實施，以及GNSS教學、推廣應用等。E-mail:qdzhang518@aliyun.com; zhangqd@nsdi.gov.cn

G64

A

0494-0911(2017)07-0143-04