浅析《GPS测量原理与应用》的“逆向思维”教学

常　亮，朱卫东，冯贵平

(1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.远洋渔业协同创新中心，上海201306)

浅析《GPS测量原理与应用》的“逆向思维”教学

常亮1,2，朱卫东1,2，冯贵平1,2

(1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.远洋渔业协同创新中心，上海201306)

摘要：讨论了近年来在《GPS测量原理与应用》课程教学中对“逆向思维”教学方法的初步认识，列举了几个“逆向思维”教学实例，总结了课程教学中存在的一些问题，并提出了今后的改进方法。

关键词：GPS；教学；逆向思维

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.023

中图分类号：P228.4

文献标志码：码： A

文章编号：号： 1008-9268(2015)03-0091-03

收稿日期：2015-02-10

作者简介

Abstract:This paper discussed the initial understanding on 'reverse thinking' for 'GPS Surveying Principle and Applications' teaching from recently experiments, enumerated several examples on 'reverse thinking' teaching, summarized some problems on presented teaching, and proposed the corresponding improved methods.

0引言

GPS技术诞生于上世纪70年代初期，最早用于导航、收集情报等军事目的。经过40多年的发展，基于GPS技术的全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能[1]，其应用已广泛应用于大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学等领域，涵盖了军事国防、智能交通、邮电通信、矿业、石油、建筑、农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业。在测绘领域中,各种等级控制网的建立、变形监测、工程放样、地形图测绘等越来越离不开GPS技术的应用,GPS技术为测绘行业带来了一场深刻的变革[2]。GPS定位技术的日益广泛应用，使它成为测绘类专业本科生和研究生的一门必修课程[3]，并逐渐成为相关专业的一门技术基础课。

为满足人才培养目标需求，各高校的测绘类专业在制订培养计划时，都将《GPS测量原理与应用》课程积极设置为必修课。然而，由于GPS测量的理论知识比较深，涉及的知识面广，而且GPS定位技术本身也在不断地快速发展中，相关课程内容学生接触起来往往难以准确理解。因此，在《GPS测量原理与应用》课程的教学中，如何让学生更好地理解并接受重点教学内容，不断提高课程的教学质量，是值得教师认真思考的问题。通过本校《GPS测量原理与应用》课程的教学实践，本文就实际教学中采用的“逆向思维”教学方法的几个教学应用实例进行介绍，为下一步继续开展教学改革打下基础。

1“逆向思维”教学实例

1.1　GPS定位技术的应用

在大多数与GPS相关的教科书中，为了方便读者首先对GPS有所了解，均是以GPS的历史发展、系统组成等内容开始。但是通过几学期的教学实践，以及通过学生的反馈，在第一节课的教学中采用“逆向思维”，首先以GPS定位技术的应用实例作为开始。

在GPS应用与日常生活紧密结合的今天，每个学生对GPS都有初步认识。选取的GPS应用实例包括：1) GPS在美军军事作战中应用；2) GPS在智能手机及出租车的导航地图使用；3) GPS在气象预报中的应用。选取实例1)是因为GPS最初设计是处于军事目的，通过相关视频和图片的介绍，在讲授过程中穿插介绍上世纪冷战时期，美国GPS和俄罗斯GLONASS在各自系统建设中的博弈，这样既引起了学生的好奇心，又在实成了GPS系统历史的学习。在实例2)中，选取日常生活中经常遇到的“去哪？”和“怎么去？”来进行介绍。同时，还要给学生们出“难题”：比如针对在城市郊区利用手机定位时定位精度比较差的导致原因，以及出租车通过隧道时无法定位，有没有解决方法等，方便提前让学生对课程中涉及的广域差分、网络RTK、伪卫星等内容提前有所期待。实例3)主要是选取学生不太了解的应用领域进行介绍，进一步培养学生对本门课程学习的积极性。通过三个实例的介绍，达到让学生初步了解GPS的目的，同时让学生意识到GPS的应用远比自身了解的多，培养学生对接下来内容的学习激情。

资助项目： 上海市‘扬帆计划’(编号：14YF1410200)； 上海市教育委员会科研创新项目(编号：14YZ118)； 上海高校青年教师培养资助计划(编号：A1-2035-14-0010-12)； 上海海洋大学博士科研启动基金项目 (编号：A-0209-13-0105395、A2-0302-14-300065)

联系人： 常 亮 E-mail：lchang@shou.edu.cn

1.2　GPS观测的误差来源

利用GPS进行导航定位的过程中，会受到卫星部分、信号传播、信号接收和其他影响等误差[1]，为了精确确定测量目标的位置、速度等信息，需要消除或尽可能减弱这些误差源的影响。然而，基于“逆向思维”考虑，正是由于GPS测量过程中的这些误差影响，推进了GPS技术的发展，使得GPS的及其相关的应用越来越广泛。

如针对GPS受到的电离层延迟误差，可以采用双频电离层改正模型进行消除。反过来，如果可以准确估计GPS电离层受到的电离层延迟影响，就可以将GPS测量技术用于进行与电离层相关的应用中，比如太阳磁暴、地震前后的电离层异常等等。针对GPS受到的对流层延迟误差，同样通过“逆向思维”，已知对流层延迟大小，可以进行大气水汽含量的估计，并进一步用于开展天气预报、数据同化等气象学研究。针对GPS多路径效应，是当前GPS误差消除的难点，但是反过来GPS多路径效应可以应用于地表土壤湿度的估计、雪覆盖厚度估计和海面波浪探测等方面的应用。针对GPS受到的地球潮汐影响，反过来可以利用GPS观测来进行GPS验潮，并进一步用于海洋测绘及海洋科学等领域的应用与研究。基于地球自转对GPS测量的影响，也可以“逆向”的利用这种误差信息，来进行地球自转参数等研究。因此，对GPS观测的误差来源进行“逆向思维”教学，有助于帮助学生深刻理解各种误差源的性质特点和作用规律，并进一步拓展在GPS应用领域的知识面。

2存在问题和改进

经过几个学期的“逆向思维”教学摸索，在《GPS测量原理与应用》的课程教学中提高了学生学习的积极性和主动性，但是通过近几年选取GPS相关内容作为本科毕业设计内容的本科论文来看，学生在GPS具体理论和应用方面的认识还存在较明显的不足，这就要求我们进一步开展GPS实习课程的教学改革，以巩固《GPS测量原理与应用》的课程教学中的理论知识。在后续的课程教学实践中，还需要进一步改进存在的以下几个问题：

1) 如何更好地促进对教学内容的认识与理解。比如进行GPS定位原理的讲授时，首先介绍后方交会，然后“逆向”地让学生学习距离计算的方法，这其中就涉及到卫星坐标的计算，虽然课堂上也会讲到卫星坐标的计算方法，但是期末检验结果表明，学生对卫星坐标计算的理解还不够深刻。为了更好地理解教学内容，应该布置小心课程设计，比如自己动手完成数据采集，然后布置一个从采集到的导航文件中计算卫星坐标的设计，这样就能促进学生对知识的理解与吸收。

2) 针对学校海洋背景，如何进一步培养具有“海洋特色”的GPS教学。目前我校有海洋测绘和空间信息与数字技术两个专业开设了《GPS测量原理与应用》课程，在后续的课程教学过程中，将有针对性的对GPS与海洋相关的应用进行重点讲授，如进行海上导航定位，潮汐测量、海岸带变化观测等。

3) 校园课程实习设施的建设亟需加强。目前，校园GPS测量控制网的建设尚未落实，直接导致了学生的GPS测量实习目的性不强。为了进一步巩固课程教学内容，培养学生的专业技能，接下来将积极推进校园GPS测量控制网的布设。

4) 加强对其他全球卫星导航系统(GNSS)的认识与了解。随着2012年年底我国北斗卫星导航系统实现在亚太地区的覆盖，俄罗斯不断加强GLONASS系统的建设和新型卫星的研制，以及欧盟GALILEO计划的逐步推进，使得GNSS系统进入“百家争鸣”的时代。可以遇见，在接下来的几年中，包括我国北斗在内的其他GNSS系统会进一步融入到我们的日常生活和专业应用中。因此，在后续的课程教学中，还需要紧密关注其他系统的状态，让学生在学习时了解第一手的新资讯，加强对GNSS系统的全新认识。

3结束语

在本文中，对上海海洋大学《GPS测量原理与应用》课程的教学实践过程中的“逆向思维”教学方法与认识进行了探讨，并针对存在的一些问题进行了总结。其最终目的是为了改善《GPS测量原理与应用》课程的教学效果，提高教学质量，增强与巩固学生对GPS的认识与理解。随着包括GPS、俄罗斯GLONASS、我国北斗和欧盟GALILEO的GNSS系统的进一步发展，对该课程的内容特别是与海洋科学相关的应用范围还需不断的更新与扩充，将在今后进行更深入的研究和探索。

参考文献

[1]徐绍铨，张华海，杨志强，等. GPS测量原理及应用[M]. 3版.武汉：武汉大学出版社，2008.

[2]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，2007，32(3):38-41.

[3]张勤，王利. “GPS测量原理与应用”课程教学研究与改革[J]. 高等理科教育，2007(1):112-114.

常亮(1984-)，男，讲师，博士，主要从事卫星大地测量等方向研究。

冯贵平(1988-)，男，讲师，博士，主要从事卫星重力学等方向研究。

A Brief Analysis on 'Reverse thinking' Teaching for

'GPS Surveying Principle and Applications'

CHANG Liang1,2, ZHU Weidong1,2, FENG Guiping1,2

(1.CollegeofMarineSciences,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China;

2.CollaborativeInnovationCenterforDistant-WaterFisheries,Shanghai201306,China)

Key words: GPS; teaching; reverse thinking