“GPS原理与应用”课程教学实践与探讨

袁德宝，崔希民，金晶晶，别伟平，宋昆仑

（中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083）

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。目前，其应用领域正在不断地开拓，已遍及国民经济各个部门，并逐步深入人们的日常生活，具有广泛的应用前景［1］。

目前，国内许多高校都开设“GPS原理及应用”和“GPS测量与数据处理”2门课程，由于学时的限制，中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院自2000年以来，分别在地理信息系统工程和测绘工程2个专业只开设了“GPS原理及应用”这门课程，对于如何在有限的学时内让学生很好地掌握“GPS原理及应用”这门课程的内容，同时对“GPS测量与数据处理”这门课程的内容有所了解，提高实践操作能力，需要进一步研究。本文根据连续3年的教学实践及多年工程经验，对该课程在教学内容、实践环节及考核方式方面进行了相关探讨。

1 “GPS原理及应用”课程的开设现状

1.1 课程的开设情况

“GPS原理及应用”是测绘工程专业的专业必修课，讲授28学时，实践12学时。均开设于第5学期，2011版测绘工程专业培养方案对“GPS原理及应用”做了修改，讲授36学时，实践12学时，上机8学时。暑假还有一周的GPS实习。测绘工程专业的学生在学习测量学、误差理论和测量平差后学这门课程，该门课程的开设不仅使学生掌握基本仪器的操作、GPS数据的采集方法以及利用相关数据解算软件对采集的数据进行处理，而且利用GIS软件对采集的GPS数据进行处理分析，拓宽学生的知识结构，加强学生实践技能的培养。

1.2 课程特点

1）多学科融合交叉，内容涉及面广。该课程是由多学科相互渗透而形成的一门新兴科学，课程涉及的知识面广，其内容涵盖测绘及遥感科学、信息科学、天文学、数学、物理学、电子电工学等诸多学科。

2）课程实践性强。该课程要求学生在掌握基本理论的前提下，应具有较强的动手实践能力，通过课堂教学使学生掌握GPS定位技术的基本原理，通过实践环节使学生熟知GPS接收机性能和使用方法及各种定位操作方法，加深对定位原理的理解。通过上机实验使学生掌握GPS静态数据的解算及网平差的方法。培养学生运用理论知识解决工程实际问题的能力，增强学生的实践能力。

3）公式推导多，概念抽象。该课程中坐标系统的转换、伪距观测方程及载波相位观测方程的建立及其线性化，单差、双差及三差观测模型的建立等内容，都涉及大量的公式推导，概念抽象，如：系统的组成、空间坐标系的建立及定位原理的描述等都建立在对空间和不可见卫星信号描述的基础上，相对来说概念抽象，比较难以理解。

2 教学内容体系的构建

2.1 教材的选取

目前，“GPS原理及应用”的相关教材有十余种之多，考虑到专业实际，我们选用的是徐绍铨教授编著的“GPS测量原理及应用”，该教材在介绍GPS卫星测量基本原理、误差来源、技术设计与数据处理的基础上，对GPS测量数据处理，特别是对GPS卫星测量技术在大地控制测量中的应用、GPS在精密工程测量及变形监测中的应用以及地形、地籍及房地产测量中的应用等进行了详细的论述。

2.2 教学内容体系的构建

该课程涉及的知识点多，要在有限的学时内使学生不仅很好地掌握GPS相关的基本概念和原理等知识，更要加强其实践能力的培养，对此，结合专业实际，在实际教学过程中对该课程教学内容进行了研究和梳理，主要从以下5个大的方面讲授本门课程，具体内容如下：

1）GPS卫星定位测量基础。本部分内容在重点讲述GPS定位系统的基础上，补充介绍其他几个卫星导航定位系统，如：俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的GALILEO系统以及我国的北斗卫星导航系统，增强学生对本门课程的兴趣；坐标系统和时间系统主要讲述天球坐标系、地球坐标系统及常用的几种坐标系统及其转换；对于卫星运动及GPS卫星信号部分，主要讲述卫星的无摄运动、受摄运动及GPS信号的组成。

2）定位的基本原理。GPS定位的基本原理作为本门课程的核心内容，主要讲述测码伪距测量原理、载波相位测量原理、静态定位原理、动态定位原理、相对定位原理及差分技术和RT K技术。

3）GPS测量的误差来源。GPS测量的误差来源一章内容主要结合学生“测量学”课程中误差理论的内容，分别讲解与信号传播有关的误差、与卫星有关的问题、与接收机有关的误差及上述误差对GPS定位的影响。使学生掌握每种误差的误差源及每种误差的减弱或消除方法。

在数码王国，每一幅影像都是一片可塑的马赛克，距离被放大了。照片不再自动成为记录的装置，它只能模仿被摄之物，无法“占有被摄对象”[1]24。

4）为了配合“GPS原理与应用”的教学，我校从东方联星公司购买了NewStar150GPS原理实验平台。NewStar150为学生提供开放式的实验环境，使学生在真实设备、真实卫星信号环境下，亲自动手进行实验和编程，理解单向测距原理，掌握GPS测量误差和信号传输误差特性，掌握实时GPS卫星位置及Doppler频移的预测方法等接收机核心技术。通过实验，使学生加深对GPS系统结构、工作原理、工作过程的理解，掌握GPS接收机核心算法导航解算过程。为学生毕业后顺利进入卫星导航领域，从事GPS教学、科研、接收机开发、接收机芯片设计、卫星完好性监测，以及物流、测量、车载GPS系统开发等应用系统开发工作奠定理论基础，积累实践经验。

NewStar150GPS原理实验平台可以做的5个基本实验是：实验1：实时卫星位置解算及结果分析；实验2：实时传输误差计算与特性分析及信噪比与卫星仰角关系；实验3：几何精度因子（DOP）的实时计算与分析；实验4：导航解算（接收机位置、时间）及结果分析；实验5：可视卫星位置预测。

5）GPS在相关领域的应用。主要从GPS测量技术在控制测量、精密工程测量及变形监测、城市规划、水土保持生态建设、土地资源调查、地质调查、地形测量、地籍测量及深水测量中的应用讲解，使学生掌握GPS在相关行业中的应用。

其他内容如：GPS信号接收机、GPS数据处理主要通过实践环节进行加强。

2.3 教学手段

本课程采用以下教学手段来达到培养高水平技能型人才的目的。

1）多媒体教学。教学内容直观、生动、丰富、互动。

2）多媒体教室与计算机实训室组合。对复杂而难以掌握的GPS数据处理教学，学生一边看大屏幕听讲，一边动手模仿练习，提高教学效率和质量。

3）与企业联合建立实训基地。实训环境真实，使学生技能与岗位需求实现零距离。

5）请南方公司高水平工程技术人员担任实训指导教师，可给学生传授丰富的实践经验。

3 实践教学内容探讨

充分利用现有的实验设备及软件，让学生有充分的独立动手实践机会，从而切实提高学生的动手操作能力。实验教学中设计了以下内容：

GPS接收机的操作和数据采集；GPS静态相对定位测量；GPS静态相对定位数据处理；GPS RTK实时动态测量；GPS RTK数字测图。结合近3年的教学实践，对于实验教学有以下几点体会。

1）在时间上，做好理论教学与实验教学的合理安排。目前，根据实际学院在GPS实验部分主要设计了5个方面的内容，这几个内容在时间安排上都要合理，一般地，相应课堂教学内容完成后就安排相关实验，学生通过实验对课堂内容加深理解和巩固。

2）在形式上，力求多样化，确保实验环节的效果。对于接收机的认识及操作、静态数据采集、RTK操作通过实验教学录像，让学生对仪器各部件及具体的操作步骤有初步认识的基础上，结合现场演示，现场指导让学生掌握具体的数据采集过程，通过GPS RTK操作，主要让学生掌握基准站的连接、设置，移动站的设置，坐标转换参数的求法，测量和放样等内容；对于数据处理通过制作完成的GPS静态数据解算PPT，让学生掌握数据处理软件的基本功能；通过实验机房，学生亲自上机操作，对静态数据进行解算以及网平差，并学会对数据进行分析，使学生切实掌握实验各环节的内容。另外，邀请仪器厂家技术人员给学生进行相关仪器方面知识的讲座，拓宽学生的知识面。

3）在巩固实习效果方面，通过去实习基地实习提升该门课程的学习效果。在实践教学中，将GPS实习与工程测量学中工程测量实习结合起来，进行为期3周的校外实习，其中GPS控制测量部分，从选点、埋石做起，布设了矿大实习基地E级GPS控制网，按照分级布设的原则，布设了30个控制点，其中：一级控制网10个点，二级控制网20个点，控制面积5km2，要求学生进行观测计划的制定、数据采集、下载数据后进行数据解算。各个环节均按照规范的要求。通过实习使学生系统地掌握GPS的作业过程，提高了在实际工作中分析和解决问题的能力。控制测量结束后，结合RTK指导学生完成基地地形图的测绘任务，完成碎部测量任务。为期3周的实习结束后，学生以组为单位提交以下成果：GPS技术设计书、点位坐标成果、图件资料，以检查学生的实习情况。

4）加强实验教学。在实验的实施中，要求每个学生都认认真真操作，不允许蒙混过关，针对每一节实验课都应提出具体的要求，实验结束之后要求学生撰写实验报告，以加深对实验课内容的理解。

4 学生成绩评价环节

为了切实提高学生的学习效果，加强对学生学习成绩的评定。我们通过期末考试成绩和平时成绩结合的考核模式，即：学生总成绩＝考试成绩（70%）＋平时成绩（30%，考勤、作业、小程序、实验），具体地，实验部分成绩从态度、外业操作熟练程度、实验报告3个方面综合考核。小程序的编写主要结合课堂讲的理论部分配合编程，主要涉及坐标转换及数据采集程序的编写，不仅加深了学生对专业知识的理解，而且锻炼了学生的编程能力 。考试题题型具体为：名词解释、填空、选择题、判断正误、简答、综合题。综合题一般就是根据工程实际进行设计。

5 结束语

“GPS原理及应用”课程理论较深，涉及的知识面广，同时GPS技术又在飞速发展，其应用领域也在不断扩大。因此，任课教师应时时关注GPS技术发展动态，不断学习新知识，勤于思考，丰富课堂教学研究；学校应加强与有关测量仪器公司及生产实践单位的联系，加强实验室和实习基地建设，提高教学效果，确保课程教学的实用性和先进性。

［1］徐绍铨，张华海.GPS测量原理及应用［M］.武汉：武汉大学出版社，2006.

［2］陈军，潘高峰.GPS软件接收机基础［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［3］王惠南.GPS导航原理及应用［M］.北京：科学出版社，2003.

［4］李洪涛，许国吕.GPS应用程序设计［M］.北京：科学出版社，2000.

［5］乔仰文.GPS卫星定位原理及其在测绘中的应用［M］.北京：科学教育出版社，2000.

［6］吴学伟，周国君，于坤.GPS原理与应用课程教学与实践探讨［J］.测绘与空间地理信息，2008，31（5）：89-94.

［7］吴继忠，李明峰，刘三枝.“GPS定位技术及其应用”课程实践教学体系的构建［J］.全球定位系统，2007（3）：38-41.

［8］郭秋英，赵吉涛.“GPS原理及应用”课程教学实践与探讨［J］.测绘工程，2008，17（1）：75-77.