袁德寶，崔希民，金晶晶，別偉平，宋昆侖

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083）

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。目前，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，已遍及國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，并逐步深入人們的日常生活，具有廣泛的應(yīng)用前景［1］。

目前，國內(nèi)許多高校都開設(shè)“GPS原理及應(yīng)用”和“GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理”2門課程，由于學(xué)時(shí)的限制，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院自2000年以來，分別在地理信息系統(tǒng)工程和測(cè)繪工程2個(gè)專業(yè)只開設(shè)了“GPS原理及應(yīng)用”這門課程，對(duì)于如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生很好地掌握“GPS原理及應(yīng)用”這門課程的內(nèi)容，同時(shí)對(duì)“GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理”這門課程的內(nèi)容有所了解，提高實(shí)踐操作能力，需要進(jìn)一步研究。本文根據(jù)連續(xù)3年的教學(xué)實(shí)踐及多年工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該課程在教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)及考核方式方面進(jìn)行了相關(guān)探討。

1 “GPS原理及應(yīng)用”課程的開設(shè)現(xiàn)狀

1.1 課程的開設(shè)情況

“GPS原理及應(yīng)用”是測(cè)繪工程專業(yè)的專業(yè)必修課，講授28學(xué)時(shí)，實(shí)踐12學(xué)時(shí)。均開設(shè)于第5學(xué)期，2011版測(cè)繪工程專業(yè)培養(yǎng)方案對(duì)“GPS原理及應(yīng)用”做了修改，講授36學(xué)時(shí)，實(shí)踐12學(xué)時(shí)，上機(jī)8學(xué)時(shí)。暑假還有一周的GPS實(shí)習(xí)。測(cè)繪工程專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)測(cè)量學(xué)、誤差理論和測(cè)量平差后學(xué)這門課程，該門課程的開設(shè)不僅使學(xué)生掌握基本儀器的操作、GPS數(shù)據(jù)的采集方法以及利用相關(guān)數(shù)據(jù)解算軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而且利用GIS軟件對(duì)采集的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，拓寬學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)。

1.2 課程特點(diǎn)

1）多學(xué)科融合交叉，內(nèi)容涉及面廣。該課程是由多學(xué)科相互滲透而形成的一門新興科學(xué)，課程涉及的知識(shí)面廣，其內(nèi)容涵蓋測(cè)繪及遙感科學(xué)、信息科學(xué)、天文學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電子電工學(xué)等諸多學(xué)科。

2）課程實(shí)踐性強(qiáng)。該課程要求學(xué)生在掌握基本理論的前提下，應(yīng)具有較強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力，通過課堂教學(xué)使學(xué)生掌握GPS定位技術(shù)的基本原理，通過實(shí)踐環(huán)節(jié)使學(xué)生熟知GPS接收機(jī)性能和使用方法及各種定位操作方法，加深對(duì)定位原理的理解。通過上機(jī)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)的解算及網(wǎng)平差的方法。培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

3）公式推導(dǎo)多，概念抽象。該課程中坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換、偽距觀測(cè)方程及載波相位觀測(cè)方程的建立及其線性化，單差、雙差及三差觀測(cè)模型的建立等內(nèi)容，都涉及大量的公式推導(dǎo)，概念抽象，如：系統(tǒng)的組成、空間坐標(biāo)系的建立及定位原理的描述等都建立在對(duì)空間和不可見衛(wèi)星信號(hào)描述的基礎(chǔ)上，相對(duì)來說概念抽象，比較難以理解。

2 教學(xué)內(nèi)容體系的構(gòu)建

2.1 教材的選取

目前，“GPS原理及應(yīng)用”的相關(guān)教材有十余種之多，考慮到專業(yè)實(shí)際，我們選用的是徐紹銓教授編著的“GPS測(cè)量原理及應(yīng)用”，該教材在介紹GPS衛(wèi)星測(cè)量基本原理、誤差來源、技術(shù)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理，特別是對(duì)GPS衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)在大地控制測(cè)量中的應(yīng)用、GPS在精密工程測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用以及地形、地籍及房地產(chǎn)測(cè)量中的應(yīng)用等進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

2.2 教學(xué)內(nèi)容體系的構(gòu)建

該課程涉及的知識(shí)點(diǎn)多，要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)使學(xué)生不僅很好地掌握GPS相關(guān)的基本概念和原理等知識(shí)，更要加強(qiáng)其實(shí)踐能力的培養(yǎng)，對(duì)此，結(jié)合專業(yè)實(shí)際，在實(shí)際教學(xué)過程中對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了研究和梳理，主要從以下5個(gè)大的方面講授本門課程，具體內(nèi)容如下：

1）GPS衛(wèi)星定位測(cè)量基礎(chǔ)。本部分內(nèi)容在重點(diǎn)講述GPS定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充介紹其他幾個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，如：俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐洲的GALILEO系統(tǒng)以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)本門課程的興趣；坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)主要講述天球坐標(biāo)系、地球坐標(biāo)系統(tǒng)及常用的幾種坐標(biāo)系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換；對(duì)于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及GPS衛(wèi)星信號(hào)部分，主要講述衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)、受攝運(yùn)動(dòng)及GPS信號(hào)的組成。

2）定位的基本原理。GPS定位的基本原理作為本門課程的核心內(nèi)容，主要講述測(cè)碼偽距測(cè)量原理、載波相位測(cè)量原理、靜態(tài)定位原理、動(dòng)態(tài)定位原理、相對(duì)定位原理及差分技術(shù)和RT K技術(shù)。

3）GPS測(cè)量的誤差來源。GPS測(cè)量的誤差來源一章內(nèi)容主要結(jié)合學(xué)生“測(cè)量學(xué)”課程中誤差理論的內(nèi)容，分別講解與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差、與衛(wèi)星有關(guān)的問題、與接收機(jī)有關(guān)的誤差及上述誤差對(duì)GPS定位的影響。使學(xué)生掌握每種誤差的誤差源及每種誤差的減弱或消除方法。

在數(shù)碼王國，每一幅影像都是一片可塑的馬賽克，距離被放大了。照片不再自動(dòng)成為記錄的裝置，它只能模仿被攝之物，無法“占有被攝對(duì)象”[1]24。

4）為了配合“GPS原理與應(yīng)用”的教學(xué)，我校從東方聯(lián)星公司購買了NewStar150GPS原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。NewStar150為學(xué)生提供開放式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生在真實(shí)設(shè)備、真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境下，親自動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和編程，理解單向測(cè)距原理，掌握GPS測(cè)量誤差和信號(hào)傳輸誤差特性，掌握實(shí)時(shí)GPS衛(wèi)星位置及Doppler頻移的預(yù)測(cè)方法等接收機(jī)核心技術(shù)。通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深對(duì)GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程的理解，掌握GPS接收機(jī)核心算法導(dǎo)航解算過程。為學(xué)生畢業(yè)后順利進(jìn)入衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，從事GPS教學(xué)、科研、接收機(jī)開發(fā)、接收機(jī)芯片設(shè)計(jì)、衛(wèi)星完好性監(jiān)測(cè)，以及物流、測(cè)量、車載GPS系統(tǒng)開發(fā)等應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工作奠定理論基礎(chǔ)，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

NewStar150GPS原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以做的5個(gè)基本實(shí)驗(yàn)是：實(shí)驗(yàn)1：實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置解算及結(jié)果分析；實(shí)驗(yàn)2：實(shí)時(shí)傳輸誤差計(jì)算與特性分析及信噪比與衛(wèi)星仰角關(guān)系；實(shí)驗(yàn)3：幾何精度因子（DOP）的實(shí)時(shí)計(jì)算與分析；實(shí)驗(yàn)4：導(dǎo)航解算（接收機(jī)位置、時(shí)間）及結(jié)果分析；實(shí)驗(yàn)5：可視衛(wèi)星位置預(yù)測(cè)。

5）GPS在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。主要從GPS測(cè)量技術(shù)在控制測(cè)量、精密工程測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃、水土保持生態(tài)建設(shè)、土地資源調(diào)查、地質(zhì)調(diào)查、地形測(cè)量、地籍測(cè)量及深水測(cè)量中的應(yīng)用講解，使學(xué)生掌握GPS在相關(guān)行業(yè)中的應(yīng)用。

其他內(nèi)容如：GPS信號(hào)接收機(jī)、GPS數(shù)據(jù)處理主要通過實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)。

2.3 教學(xué)手段

本課程采用以下教學(xué)手段來達(dá)到培養(yǎng)高水平技能型人才的目的。

1）多媒體教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容直觀、生動(dòng)、豐富、互動(dòng)。

2）多媒體教室與計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室組合。對(duì)復(fù)雜而難以掌握的GPS數(shù)據(jù)處理教學(xué)，學(xué)生一邊看大屏幕聽講，一邊動(dòng)手模仿練習(xí)，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

3）與企業(yè)聯(lián)合建立實(shí)訓(xùn)基地。實(shí)訓(xùn)環(huán)境真實(shí)，使學(xué)生技能與崗位需求實(shí)現(xiàn)零距離。

5）請(qǐng)南方公司高水平工程技術(shù)人員擔(dān)任實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師，可給學(xué)生傳授豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容探討

充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及軟件，讓學(xué)生有充分的獨(dú)立動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，從而切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)了以下內(nèi)容：

GPS接收機(jī)的操作和數(shù)據(jù)采集；GPS靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量；GPS靜態(tài)相對(duì)定位數(shù)據(jù)處理；GPS RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量；GPS RTK數(shù)字測(cè)圖。結(jié)合近3年的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)有以下幾點(diǎn)體會(huì)。

1）在時(shí)間上，做好理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的合理安排。目前，根據(jù)實(shí)際學(xué)院在GPS實(shí)驗(yàn)部分主要設(shè)計(jì)了5個(gè)方面的內(nèi)容，這幾個(gè)內(nèi)容在時(shí)間安排上都要合理，一般地，相應(yīng)課堂教學(xué)內(nèi)容完成后就安排相關(guān)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)對(duì)課堂內(nèi)容加深理解和鞏固。

2）在形式上，力求多樣化，確保實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的效果。對(duì)于接收機(jī)的認(rèn)識(shí)及操作、靜態(tài)數(shù)據(jù)采集、RTK操作通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)錄像，讓學(xué)生對(duì)儀器各部件及具體的操作步驟有初步認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)演示，現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)讓學(xué)生掌握具體的數(shù)據(jù)采集過程，通過GPS RTK操作，主要讓學(xué)生掌握基準(zhǔn)站的連接、設(shè)置，移動(dòng)站的設(shè)置，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求法，測(cè)量和放樣等內(nèi)容；對(duì)于數(shù)據(jù)處理通過制作完成的GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)解算PPT，讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)處理軟件的基本功能；通過實(shí)驗(yàn)機(jī)房，學(xué)生親自上機(jī)操作，對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算以及網(wǎng)平差，并學(xué)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使學(xué)生切實(shí)掌握實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)的內(nèi)容。另外，邀請(qǐng)儀器廠家技術(shù)人員給學(xué)生進(jìn)行相關(guān)儀器方面知識(shí)的講座，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。

3）在鞏固實(shí)習(xí)效果方面，通過去實(shí)習(xí)基地實(shí)習(xí)提升該門課程的學(xué)習(xí)效果。在實(shí)踐教學(xué)中，將GPS實(shí)習(xí)與工程測(cè)量學(xué)中工程測(cè)量實(shí)習(xí)結(jié)合起來，進(jìn)行為期3周的校外實(shí)習(xí)，其中GPS控制測(cè)量部分，從選點(diǎn)、埋石做起，布設(shè)了礦大實(shí)習(xí)基地E級(jí)GPS控制網(wǎng)，按照分級(jí)布設(shè)的原則，布設(shè)了30個(gè)控制點(diǎn)，其中：一級(jí)控制網(wǎng)10個(gè)點(diǎn)，二級(jí)控制網(wǎng)20個(gè)點(diǎn)，控制面積5km2，要求學(xué)生進(jìn)行觀測(cè)計(jì)劃的制定、數(shù)據(jù)采集、下載數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。各個(gè)環(huán)節(jié)均按照規(guī)范的要求。通過實(shí)習(xí)使學(xué)生系統(tǒng)地掌握GPS的作業(yè)過程，提高了在實(shí)際工作中分析和解決問題的能力?？刂茰y(cè)量結(jié)束后，結(jié)合RTK指導(dǎo)學(xué)生完成基地地形圖的測(cè)繪任務(wù)，完成碎部測(cè)量任務(wù)。為期3周的實(shí)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生以組為單位提交以下成果：GPS技術(shù)設(shè)計(jì)書、點(diǎn)位坐標(biāo)成果、圖件資料，以檢查學(xué)生的實(shí)習(xí)情況。

4）加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)的實(shí)施中，要求每個(gè)學(xué)生都認(rèn)認(rèn)真真操作，不允許蒙混過關(guān)，針對(duì)每一節(jié)實(shí)驗(yàn)課都應(yīng)提出具體的要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后要求學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以加深對(duì)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容的理解。

4 學(xué)生成績?cè)u(píng)價(jià)環(huán)節(jié)

為了切實(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成績的評(píng)定。我們通過期末考試成績和平時(shí)成績結(jié)合的考核模式，即：學(xué)生總成績＝考試成績（70%）＋平時(shí)成績（30%，考勤、作業(yè)、小程序、實(shí)驗(yàn)），具體地，實(shí)驗(yàn)部分成績從態(tài)度、外業(yè)操作熟練程度、實(shí)驗(yàn)報(bào)告3個(gè)方面綜合考核。小程序的編寫主要結(jié)合課堂講的理論部分配合編程，主要涉及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集程序的編寫，不僅加深了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，而且鍛煉了學(xué)生的編程能力 ?？荚囶}題型具體為：名詞解釋、填空、選擇題、判斷正誤、簡答、綜合題。綜合題一般就是根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

“GPS原理及應(yīng)用”課程理論較深，涉及的知識(shí)面廣，同時(shí)GPS技術(shù)又在飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。因此，任課教師應(yīng)時(shí)時(shí)關(guān)注GPS技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)，勤于思考，豐富課堂教學(xué)研究；學(xué)校應(yīng)加強(qiáng)與有關(guān)測(cè)量儀器公司及生產(chǎn)實(shí)踐單位的聯(lián)系，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)習(xí)基地建設(shè)，提高教學(xué)效果，確保課程教學(xué)的實(shí)用性和先進(jìn)性。

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