导航工程专业卫星导航数据处理方法课程建设与思考

郭斐,刘万科,楼益栋,张小红

(1.武汉大学 测绘学院,武汉 430079;2.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心,武汉 430079)



导航工程专业卫星导航数据处理方法课程建设与思考

郭斐1,刘万科1,楼益栋2,张小红1

(1.武汉大学 测绘学院,武汉 430079;2.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心,武汉 430079)

文章首先简要介绍了武汉大学新增的导航工程专业,然后对导航工程专业下设的一门专业课——卫星导航数据处理方法的建设进行了探讨。重点围绕该课程的教学目标、课程设置、教学方法与手段进行了一些有益的探索与思考。

导航工程专业;卫星导航数据处理方法;课程建设

0　引　言

随着导航技术的快速发展,国民经济及国防安全建设的诸多部门需要一大批能从事导航技术研究、开发、服务的高级专门人才。为了顺应这一新形势,武汉大学等高校陆续开办了导航工程专业。作为一门新兴的学科,导航工程专业的培养目标和课程建设正处于探索阶段,是当前导航人才培养面临的一个重要课题[1]。本文针对我校导航工程专业卫星导航数据处理方法课程的设置与教学方法进行探讨,以供同行参考。

1　导航工程专业

1.1专业介绍

导航工程是航空航天技术、通信技术、计算机技术、电子技术和大地测量技术等多学科交叉的产物,已逐步发展成为一门具有独特研究对象和完整体系的新兴学科。依托武汉大学测绘学科的优势和特色,同时也是为了更好地适应新形势下测绘科学技术与其他学科交叉发展的迫切需求,2011年,我校向教育部成功申请增设导航工程本科专业,并于次年招生。

1.2培养目标

我校导航工程专业培养从事导航定位技术研发及应用的复合型高层次人才。培养的学生应当掌握现代导航工程的理论、技术和方法,具备运用所学的专业知识和技能解决实际问题的能力。学生毕业后能在导航及相关领域的企事业单位从事研发、管理、教学及应用等工作。

2　卫星导航数据处理方法课程建设

2.1课程目标

卫星导航数据处理方法是针对我校导航工程专业所开设的一门专业课,其目的是通过本课程的学习,使学生全面了解并掌握卫星导航定位数据处理的基本理论、数学模型、处理方法,为学生今后从事卫星导航定位数据处理、研发、工程技术应用等奠定理论和方法基础。

2.2课程设置

本课程安排在第六学期,学生在进行本课程学习之前,已完成了导航概论、最优估计、卫星导航原理等专业基础课程,对GNSS卫星导航系统的发展、导航定位的基本概念、基本原理已经有了整体的认识。同步开设的专业课程有传感器技术、惯性导航、组合导航、嵌入式系统与程序设计等。在前导课程的基础之上,卫星导航数据处理方法这门课程侧重于高精度的GNSS数据处理理论、模型与算法。课程总学时数为54学时,其中理论教学36学时,实践教学18学时。课程内容涵盖了GNSS观测方程、误差处理、周跳探测、整周模糊度解算、精密单点定位技术、网络RTK技术、GNSS测速与定姿等内容。

2.3教学方法与手段

卫星导航数据处理理论与方法是一门理论性与实践性都很强的专业课,只有采用科学的、合理的教学方法与手段才能达到良好的教学效果。理论教学过程中,结合讲授法、讨论法、直观演示法、自主学习法,借助黑板和多媒体工具有效呈现课程内容。课堂讲授过程中,对于一些常用的线性组合观测值,如无电离层组合、MW组合,借助粉笔和黑板详细讲授公式的推导过程,加深学生的记忆和理解;对于一些相对抽象的概念,如周跳、模糊度固定、卫星运动轨迹、载体姿态角等则可通过类比法、多媒体图片和动画演示,呈现直观效果,进而增强学生对相关知识点的理解和吸收。针对一些较为复杂和灵活的问题,如导航定位模型中的参数化、数学相关性等问题,采用课堂讨论法,让学生各抒己见,互相启发,分析每种方案的科学性和合理性,最终在教师的指导下,形成最优的解决方案;进而激发学生学习的积极性,活跃学生思想和课堂气氛,培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力。针对数据处理的中间过程和最终定位结果,采用直观演示法。例如在讲解GNSS误差处理时,现场采用GNSS数据处理软件分析各项误差源的数值大小、变化规律及其对定位结果的影响,让学生对误差处理获得感性认识。在导航定位精度评价时,可将地心地固系下抽象的三维坐标转换至更为直观、易于理解的站心直角坐标系(平面与高程方向),加深学生对教学内容的理解。

实践教学是一种复习和巩固先前理论教学内容的重要教学方式,也是培养学生实际动手能力的有效环节。上机实习统一安排在我院导航工程实验室进行,实验室为学生提供了优良的硬件设备和软件资源。实习内容涉及RINIEX格式文件(包括GNSS观测文件和导航电文)的读写、组合观测值的构造与计算、普通单点定位与精密单点定位、模糊度解算、静态与动态相对定位。常用的高精度GNSS数据处理软件有美国麻省理工学院和加州大学圣地亚哥分校海洋研究所研制的GAMIT、瑞士伯尔尼大学研制的Bernese、美国喷气动力实验室研制的GIPSY、武汉大学研制的PANDA以及TriP等软件[2]。考虑到这些软件主要面向具有一定经验的工程技术和科研人员,不适于本科生入门阶段的学习,且软件资源不易获得。因此,本课程利用两款开放获取的GNSS数据处理软件包开展实践教学。其中一款是由西班牙加泰罗尼亚理工大学研制的gLAB软件[3],另外一款则是由日本东京海洋大学研制的RTKLib软件[4]。两款软件均可从官网免费获取,且提供丰富、友好的交互式界面,甚至还提供基础程序的源代码,非常适合本课程的实践教学。

实践教学环节,教师应当重视实习内容的准备和结构安排,遵循“循序渐进、深入浅出、启发学生思维”的原则。上机实习之前,让学生明确本次实习的目标和任务,教师在场控制学生实习的进度,帮助学生解决实践过程中遇到的问题。实习的内容(算例)从简单到复杂,可分为入门算例、进阶算例和提高算例三个环节。初始阶段的入门算例可图文并茂,详细介绍数据处理的流程和步骤。进阶实习算例则建议采用问题引导式、启发式由学生自主完成。提高阶段的算例则安排一些难点问题留给学生在课后自行完成。

3　教学总结与思考

1) 区别于卫星导航原理课程

正如前文所述,卫星导航原理是本课程的前导专业基础课,两门课程之间有一定的交叉。实际教学过程中,应特别注意两门课程的内容设置,避免知识点遗漏或过度重叠。经课程组反复讨论,卫星导航原理课程重点讲授卫星导航系统的组成、信号结构、误差源、导航定位的基本模型,以及GNSS应用简介。本课程则侧重于实际的数据处理理论、模型与算法,特别是结合当前GNSS多频多系统的发展与时俱进。

2) 重视教学方法

无论是在理论教学,或实践教学环节,都需要营造一个开放的学习和交流环境,让学生成为课堂的主角。由于本课程的理论性较强,涉及许多模型与公式推导,教师应重视课堂板书。此外,教师还应当充分利用多媒体工具和互联网资源促进学生对课程内容的消化和吸收。

3) 加快面向导航工程专业的教材建设

我校导航工程专业主要依托测绘学院“卫星导航定位系列课程教学团队”。该团队是一个国家级教学团队,由其编写的《GPS测量与数据处理》很好地满足了测绘工程专业GPS原理及其应用、GPS测量数据处理这两门课程的教材需求,并在一定程度上支撑了导航工程专业卫星导航数据处理方法这门课程的授课需求。随着卫星导航定位技术的发展,亟需一本能够体现导航工程专业特色且与本课程高度吻合的教材来填补现阶段的空白。在课程组的组织与努力下,面向导航工程专业的系列教材(包括卫星导航数据处理方法)编写工作已逐步开展起来,有望近期出版。

4　结束语

我校导航工程专业自开办以来,已连续招生4年。面向导航工程专业开设的卫星导航数据处理理论与方法课程也已开课2年,前期已经取得了较好的教学效果,达到了预期的教学目标,并积累了一定的教学经验。尽管如此,面向导航工程专业的卫星导航数据处理理论与方法课程建设与探讨才刚刚起步,未来任重而道远。

[1]徐晓华,黄劲松,周晓慧,等. 关于建设导航工程专业卫星导航原理课程的思考[J]. 科教导刊,2013(36): 108-109

[2]郭斐. GPS精密单点定位质量控制与分析的相关理论和方法研究[D]. 武汉:武汉大学,2013

[3]SANZ J, ROVIRA-GARCIA A, HERNANDEZ M. The ESA/UPC GNSS-lab tool (gLAB): An advanced educational and professional package for GNSS data processing and analysis[C]//6th ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies Multi-GNSS Navigation Technologies. Noordwijk, the Netherlands. December 2012.

[4]TAKASU T. RTKLIB: Open source program package for RTK-GPS[C]//FOSS4G 2009 Tokyo, Japan, November 2, 2009.

The Practice and Reflectionson the Course Construction of Data Processing Method of Satellite Navigation for the Specialty of Navigation Engineering

GUO Fei1,LIU Wanke1,LOU Yidong2,ZHANG Xiaohong1

(1.SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China; 2.GNSSResearchCenterofWuhanUniversity,Wuhan430079,China)

This paper first introduces the newly established specialty of Navigation Engineering in Wuhan University. Then the practice and some reflections on the course construction of Data Processing Method of Satellite Navigation are discussed from the aspects of teaching objective, curriculum contents, and teaching methods.

Specialty of navigation engineering; data processing method of satellite navigation; course construction

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.026

2016-05-30

武汉大学测绘学院本科专业综合改革教学研究项目(编号:201210)

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0120-03

郭斐(1984-),男，博士,讲师,主要从事GNSS卫星导航定位技术及其应用的教学与研究工作。

联系人： 郭斐 E-mail: fguo@sgg.whu.edu.cn