关于《GPS测量与数据处理》课程编程教学的探讨

吕伟才 严超

摘要：GNSS是目前测绘学科中大地测量学的一个重要研究方向，是测绘专业以及相关专业的本科生和研究生的核心课程。随着GNSS技术和计算机技术的迅猛发展，对测绘类人才的数据处理理论能力、编程能力和开发能力要求越来越高，因而需要对测绘专业以及相关专业的GPS测量与数据处理的教学方法进行研究，为我国自主导航定位系统—北斗卫星导航系统的全面推广和应用培养高水平的理论和软件开发技术人才。

关键词：GPS测量与数据处理;测绘专业;编程教学

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）40-0178-02

一、引言

GNSS主要包括美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的BDS系统、欧洲的GALILEO系统，以及美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）、日本的QZSS系统、印度的IRNSS系统等增强系统，还涵盖在建和以后将要建设的其他卫星导航系统。GNSS技术的迅速发展，给我国高校的测绘学科的教学带来了巨大的变革，如何教育学生在计算机技术中实现GNSS数据处理，如何让GNSS技术在本地区的经济发展中扮演重要角色，这些问题不仅仅是测绘领域的从业人员，也是我们作为授业老师应该让测绘专业本科生和研究生应该具备的能力。安徽理工大学测绘学院，从上个世纪90年代就开展了GNSS技术、VB语言、C语言、C++语言等程序开发环境的教学和科研工作，并且在本科生和研究生的培养方案中都涉及了相关课程。目前，我校测绘学院的测绘工程、大地测量学与测量工程两个专业均开设了GPS定位原理与应用和GPS测量与数据处理课程。经过多年的教学与科研实践，总结出了一套课上学习理论课后编程实现的教学新模式，学生在完成GPS教学大纲和C++语言教学大纲的学习任务后，教师依据学生的学习兴趣，让其自主成立GNSS编程小组，将理论付诸实践，既增加了学生的理论水平，也增强了学生的软件开发能力，并培养了学生的科研兴趣。

二、编程教学的基本指导思路

经过本科多年的教学经验，结合GPS测量与数据处理的科研和生产实践，得出了编程教学的基本指导思想。

（一）设置合理全面的课程结构

“拓宽专业知识面，发展与交叉学科相结合方式”是现代高等教育对广大本科专业的基本要求。这就要求授课老师在课程教学中，既要讲授本课堂的教学任务内容，又要向学生渗透测绘领域最基本、最前沿的理论和业务知识。为此授课教师要采取多渠道方式学习和跟踪学科前沿知识，努力扩展自己的专业知识面和交叉学科知识，以便可以及时调整课堂教学重点。针对GPS测量与数据处理这门特殊课程的教学，再伴随着现代网络技术的迅猛发展与普及，其数据处理方法（即编程语言）的改进也迫在眉睫。由以前的VB编程、C语言编程、C++编程等向网络编程转变，这就要对GPS测量与数据处理这门课程教学设置合理的课程结构。为此，我们在课堂教学中就要渗透进网络编程的基础知识，成立GNSS编程兴趣小组，从而活跃课堂教学。

（二）提高课堂教学质量

在教学内容上，优化课程内容体系，难点、重点要花长时间让学生理解。在教学过程中，老师要注重培养学生的创新意识和实践能力，可以把课堂上的内容带进机房讲授，边教边实践，达到所学即所见。

（三）注重课后讨论

“众人拾柴火焰高”，通过课后讨论，让GNSS编程小组可以深刻地理解课堂的理论知识，再通过编程实现，更加深了自己的认知，从而提高了软件开发能力。

（四）定期进行成果汇报

在这部分中，学生和老师身份互换，学生要将其编程成果通过多媒体汇报给大家并展示其相关算法的推导过程。在学生汇报后，老师要根据学生的讲解思路和成果展示，提出存在的问题和看法，指出下一步的发展思路，学生通过老师的意见可以很好地对自己在编程过程中出现的问题进行改正，从而使学生在编程过程中思路更加有的放矢。

三、课程核心内容的确定

根据安徽理工大学对《本科生培养方案》中专业核心课程的安排，并结合教学组的讨论结果，确定本课程的核心内容。

1.导航定位系统简介。了解卫星导航定位系统，尤其要注意美国的GPS和中国的BDS，了解惯性导航系统原理和GNSS/INS组合导航系统。

2.卫星在轨位置的计算。了解GPS定位的时间系统、GPS定位的坐标系统和星历文件格式，掌握GPS卫星瞬时坐标的计算，通过对比，学习BDS卫星瞬时坐标的计算。

3.载波相位观测值周跳探测与修复。了解周跳的产生原因，重点掌握周跳探测与修复的方法，特别要重点掌握电离层残差法与宽巷相位减窄巷伪距法。

4.GPS测量误差来源及其改正。其主要误差由与卫星有关误差、与传播路径有关误差、与接收机有关误差和其他误差四部分组成，学生要掌握各项误差的改正模型。

5.基线向量解算。掌握非差伪距单点定位模型和双差定位模型、GPS定位的载波相位观测方程、载波双差模型，并且要重点掌握载波站际星际双差模型构造及平差方法、模糊度固定方法，重点是直接取整搜索和最小二乘模糊度降相关平差法（LAMBDA算法）。

6.GPS网平差以及成果转换。掌握GPS网空间无约束平差及其质量评价，了解GPS网坐标系统转换和高程系统转换。

7.GPS监测网数据处理方法。掌握Kalman滤波方法，了解似单差方法和小波分析理论。

8.VRS技术与PPP技术简介。掌握GPS差分定位技术，了解VRS基本原理，掌握精密单点定位技术、定位精度及其应用。

9.GPS/INS组合导航基本原理与应用。掌握GPS/INS组合导航及其应用。

四、编程任务及目的

1.安装VS2010，让学生熟悉编程环境。

2.RINEX格式中N文件读取。在此过程中，学生熟悉了N文件的格式和编程语言中的if语句和switch等分支语句、for循环语句和while等循环语句、类及容器的基本概念。

3.使用已读取的N文件，计算卫星坐标，其目的是让学生学习基本的数学公式编程。

4.RINEX格式O文件读取。通过查找相关资料，学生了解了GPS中常用的观测数据并练习复杂文件的读取。

5.文件匹配。根据O文件中的时间，在N文件中查询所需的导航星历。完成此任务，学生基本上掌握了多文件操作、较为复杂的选择和循环语句使用。

6.GPS单点定位。掌握GPS伪距观测方程、伪距定位中误差方程构造、最小二乘原理编程、矩阵计算函数库使用。

7.GPS伪距双差定位。掌握GPS伪距双差模型构造、误差方程组构造、熟悉最小二乘及矩阵运算库使用。

8.GPS载波双差（基线解算模型）。了解GPS基线解算模型构造、误差方程组构造，了解附有系统参数的误差方程构造及平差方法，通过编程语言让这些算法实现并验证其正确性。

9.模糊度搜索方法。在编程时，主要实现直接取整法和LAMBDA算法。

10.熟悉kalman滤波在GNSS数据处理中的应用。

11.实现GPS/BDS/GLONASS三系统的融合解算基线，并且测试数据的稳定性。

12.设计精密单点定位（ppp）中的各项系统误差，在各项系统误差处理的基础上，实现PPP的滤波。

五、关于教学方法与学生考核成绩的改革探讨

（一）教学方法

在课堂上，根据GPS测量与数据处理的课程具有定位方式的数学模型等公式推导和定位精度分析、涉及到的原理图及公式较多的特点，并结合CAI（ComputerAssisted Instruction）课件多媒体方式在现在教学中起到的良好的教学效果，遂采用多媒体课件加板书相结合的教学方式。在编程教学上，让没有编程基础的学生，先从win32控制台应用程序开始，让他们先完成时间转换程序和坐标转换程序任务，通过这一任务，使他们学会了基本的编程语言。在上一阶段任务完成后，再让学生通过MFC程序完成RINEX文件的读取，实现绝对定位与相对定位等程序。实践证明，通过先易后难、先基础后进阶的循序渐进的编程过程，可以为学生在编程道路上打好开端，为以后的软件开发打下牢固的编程基础。

（二）学生考核成绩

根据安徽理工大学教务处规定，大学课程的考评成绩=期末考试成绩×70%+平时成绩×30%。平时成绩包括学生的作业完成率、实验报告、课堂互动、出勤率等方面。实践环节凸显实践教学对测绘工程专业教育的重要性，但现行的学生成绩考评机制却忽略了这一环节，出现了学生在平时敷衍、考前突击的现象，导致学生成绩不理想，反映不出学生的真实水平，埋没了部分学生的编程优势，使其能力得不到发挥。为此，考核成绩=期末考试×50%+编程任务考核×20%+实践成绩×20%+平时成绩×10%[2]。借此评价指标可获得学生相应的考核成绩，能更加公平地评价学生的真实学习情况及自身能力。

六、总结

《GPS测量与数据处理》是测绘工程及相关专业的一门核心专业课程，在具有测绘工程专业的院校，几乎都开设了此课程，因此教育同行一直都很重视该课程的教学方法和教学效果。本文根据该课程的多年授课经验，以安徽理工大学对本科生的实践与开发培养方案为导向，结合当前GNSS技术发展的现状，并针对目前《GPS测量与数据处理》课程教学环节中存在的不足，在如何能够合理安排教学内容，如何确定编程任务，运用什么样的教学方法和学生考评机制等问题提出了自己的观点，希望借此能对该课程的教学改革起到促进作用，同时也期望通过该课程的教学探讨提高学生的理论知识和软件开发能力。

参考文献：

[1]余学祥，王坚，刘绍堂，等.GPS测量与数据处理[M].徐州中国矿业大学出版社，2013.

[2]王胜利，赵兴旺.关于《卫星定位原理与应用》课程兴趣教学的探讨[J].科技视野，2014，33：186-187.