“GPS测量原理与应用”课程教学改革实践

王　华，陶庭叶

(1. 广东工业大学土木与交通工程学院测绘工程系，广东 广州 510006；2. 合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)



“GPS测量原理与应用”课程教学改革实践

王华1，陶庭叶2

(1. 广东工业大学土木与交通工程学院测绘工程系，广东 广州 510006；2. 合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

摘要：卫星导航定位是测绘工作中应用最广泛的技术之一，“GPS测量原理与应用”课程也一直是测绘工程专业本科生的主干课，具有理论深、更新快、知识面广、实践性强等特点，对教与学都有很高的要求。本文分析了笔者在广东工业大学与合肥工业大学讲授该课程过程中所发现的一些问题，包括教材更新慢、内容抽象、授课方式以“填鸭式”为主、实践时间不足、程序设计能力弱等。针对这些问题，笔者在教学过程中将学术研究前沿与课本知识有机结合，采取教师授课、学生自主学习交流、穿插专家学术讲座等教学形式，完善实验仪器设备和校内外实习基地，协调与其他课程的内容安排等措施，从教学的内容和模式等方面进行了改革和创新。

关键词：GPS；教学改革；教材更新；实验平台；程序设计

随着我国北斗卫星导航定位系统和欧洲伽利略系统的日臻完善，目前全球基本形成了GPS、GLONASS、北斗、伽利略四大卫星导航系统并存共用的格局。全球导航定位精度不断提高，应用领域日益广阔，GNSS产业已成为继移动通信和互联网之后的第3个发展最快的新兴信息产业。近年来GPS技术越来越广泛地深入到人们的日常生活中，如目前绝大部分汽车和智能手机均配备有GPS定位功能。作为我国战略性新兴产业的重要组成部分，我国政府和领导高度重视卫星导航产业。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》和《信息产业科技发展“十一五”规划和2020 年中长期规划纲要》中均将卫星导航地面系统、接收机、用户终端及其他若干相关的关键技术列为发展重点，预计2020年我国卫星导航产业产值将达到4000亿元。巨大的市场发展前景需要培养大量的高质量导航定位相关人才[1]。

“GPS测量原理与应用”多年来一直是测绘工程专业的主干课程，其理论性和实践性都很强，涉及诸多学科的专业知识，并且全球定位技术发展日新月异。随着北斗等新系统的建设，卫星导航定位的模式发生了较大的变化，应用领域不断扩展。为了适应这一发展趋势和市场对创新型人才的需求，“GPS测量原理与应用”的授课方式和内容都有必要进行一系列的革新。目前，我国很多高校的相关教师针对这一课程进行了较多的改革尝试[2-4]。本文针对笔者分别在广东工业大学和合肥工业大学讲授“GPS测量原理与应用”课程时发现的一些问题，提出相应的改革措施，供同行参考借鉴。

一、教学改革措施

“GPS测量原理与应用”课程要求学生既要掌握GPS的理论基础知识，了解GPS的产生、优点和广泛用途，掌握GPS的组成及信号结构、GPS定位中的误差源、距离测量和定位方法，又要熟悉GPS的实际操作与应用，具备独立运用GPS技术进行科研和生产实践的能力。然而，由于学时短、内容多、理论深、实践强，要想达到这个目标有一些难度。本文结合笔者分别在广东工业大学和合肥工业大学任课的情况，针对目前笔者所在学校“GPS测量原理与应用”课程存在的问题作了如下几个方面改革。

1. 更新授课内容

目前市面上GPS教材种类繁多，其中武汉大学李征航、黄劲松编著的《GPS测量与数据处理》[5]及魏二虎、黄劲松编著的配套实验实习教材《GPS测量操作与数据处理》[6]被开设测绘工程专业的学校广泛采用。该教材融入了作者在卫星导航定位领域多年的研究和教学经验，内容丰富，理论性和实践性都很强，对于经典的GPS测量和定位原理，如误差源、相对定位、绝对定位等作了详细的介绍。另外，周忠谟[7]、徐绍铨[8]等专家学者编著的教材也比较受欢迎。由于这些教材大多编写于5～10年之前，对于位置服务和高频GPS等新的应用领域和伽利略、北斗等新的导航定位系统介绍得比较少。另外，广东工业大学和合肥工业大学等高校在讲授“GPS测量原理与应用”课程之前，并没有开设相应的“空间大地测量理论基础”之类的课程，因此，学生对于李征航、黄劲松[5]教材中涉及的卫星轨道、信号传播和误差源等知识较难理解，需要授课教师补充很多相关的基础知识。

为了解决上述问题，笔者在教学过程中，以李征航、黄劲松编著的《GPS测量与数据处理》[5]为基础进行讲授。该书从卫星定位原理、GPS外业测量和数据处理3个方面进行了详细介绍。在课时安排上，广东工业大学“GPS测量原理及应用”课程设置了50学时理论课、6学时实验、8学时上机，另外安排了2周的实习。相对于其他学校，广东工业大学的GPS理论课时较多，保证了学生有比较充足的时间进行自主学习和小组讨论。

为了更新教学内容，笔者给学生推荐了国际上最新的GPS综述论文[9]，并结合每一章节的主要知识点，为学生推荐相关的国际期刊发表的论文作为课外阅读资料，如大气延迟误差及其改正方法[10-11]、GPS多路径效应及其在水文等方面的应用[12]、高频GPS定位及其在地震中的应用[13]等。

除此之外，笔者会利用课余时间为学生讲授GPS在地震、形变监测等领域的应用案例，并且每学期会邀请数名在GPS领域有多年研究经验的学者到校进行学术交流，要求本科生参加这些学术讲座，拓宽视野。

2. 丰富教学手段

相对于过去的黑板板书，采用多媒体教学能够在相同的时间内为学生提供更加丰富的学习内容，并且能够做到图文并茂。但是“GPS测量原理与应用”涉及测绘、电子信息等不同学科的专业背景知识，覆盖面非常广，一堂课的课件往往涉及很多新的知识点，“填鸭式”的教学形式很容易使得学生无法跟上教师演示PPT的节奏，从而游离于课程之外。此外，与“测量平差”等能够通过课后作业强化训练的课程不同，“GPS测量原理与应用”更多需要对概念的理解和实践经验，单纯的课堂讲授学生往往难以理解。

另一方面，由于教师已经具有很好的专业基础知识和理解能力，在演示课件时容易不自觉地出现知识点推理的跳跃，学生经常跟不上老师的思路。为了使课件更容易被学生理解和接受，笔者尝试设立一项大学生创新项目，让已经学完GPS课程的优秀学生组成一个兴趣小组，以笔者上课时使用的课件为基础，从学生的角度来收集材料制作课件，收到了非常好的效果。这种形式的优势主要表现在：①兴趣小组中汇集了几位多才多艺的学生，制作出来的多媒体课件图文并茂；②课件的风格由学生设计，更容易被同龄人接受；③课件内容的难度从学生的角度来审视，能做到深入浅出，不会出现跳跃式的公式推导等。

在授课过程中，除教师讲授外，笔者将学生分成若干小组，结合每一章的知识点为每组推荐或让学生自选一篇国际顶级期刊发表的英文GPS学术论文进行课外学习。在每章上完后，为学生预留30min的时间，由小组代表就论文的内容进行15min的演讲，由全班同学就其演讲内容进行提问，并给出改进意见，最后老师进行点评。这种自主学习、模拟学术报告、现场回答问题和点评等环节既丰富了教学内容和教学手段，也提高了学生的自学能力、表达能力、分析能力，同时还增强了学生发现问题的能力。

3. 改善仪器和实习基地，加强实践环节

在广东工业大学和合肥工业大学均开设两周的GPS实习课，在此期间，一周安排静态测量，另一周安排RTK测量。但是受学校仪器设备的影响，实际上每个小组真正做GPS静态和动态的外业时间各只有1天，而且一般5个学生为一组，部分学生在静态实习中不需要进行迁站等操作，很多实践环节需要注意的问题并没有在实习中遇到，导致经验积累不足。另外，GPS数据处理能力是学习GPS课程的核心，短暂的实习时间和校园小范围内的观测数据无法真正提高学生的数据处理能力。

为了提高学生的实践能力，必须不断改善测量仪器，完善校内外实习基地，规范测量流程，并为学生提供充分的实习实践机会。近几年，广东工业大学与广州中海达卫星导航技术股份有限公司密切合作，在广东工业大学建立了GPS单基准站，大大提高了GPSRTK测量的效率；并且购买了10台GPS接收机，保证在实验时每个小组能够有一台GPS接收机，而实习时两组同时作业，一组动态、一组静态，每个同学能独立操作一台GPS接收机。

广东工业大学地处广州，为测量仪器公司的集散地，包括广州中海达、南方测绘等著名的测绘企业。为了充分发挥区域优势，利用好社会资源，与这些企业建立了良好的合作交流机制，并建立了几个比较成熟的校外实习基地，经常为感兴趣的学生提供到企业实习的机会。在参与企业工程实践的过程中，学生的动手能力和对GPS理解的深度不断提高。

4. 建设实验演示平台

目前大部分学校使用的GPS接收机或0EM模块都是封装好的产品，学生接触不到其工作过程及工作原理，只能从书本上了解抽象的理论及公式，无法对GPS形成真正的认识，反过来又制约我国GPS产业从业人员，影响我国GPS产业的发展。在GPS教学过程中，学生普遍遇到的问题是：基本原理没有很好掌握，如不了解卫星信号的获取过程、不清楚各种误差的规律、定位过程认识模糊等。因此，亟需一套教学实验平台展示GPS相关原理和定位过程。

虽然国内的一些公司推出了类似的教学平台，可提供实验和编程，展示单向测距原理、GPS测量误差、信号传输误差特性、GPS卫星轨道计算方法等技术。但这些实验系统单机价格较高，如果学生数量较多，需要购置多台设备，需要的经费投入较多。

笔者通过对GPS卫星坐标计算、各种误差计算、定位原理等实验内容的统一整合，构建了GPS实践教学的内容和实践性教学模式，根据实验内容开发了一套适用于GPS教学的实验平台软件系统。系统旨在演示GPS相关原理，能基本满足GPS教学需要。系统利用已有的标准化格式的数据能够开展以下实验：①卫星坐标计算；②选择不同的卫星对定位结果的影响；③电离层延迟影响及规律；④定位原理的验证；⑤提供编程接口，实现实验者手动编程。

5. 提高研发能力

市场对高水平的GPS程序员需求旺盛，而且通过程序设计也能增进学生对GPS理论和算法的理解。以广东工业大学为例，为了考虑学生就业面等因素，在教学大纲中开设的课程名目繁多，除了数字测图、测量平差、遥感、GPS、GIS等测绘核心课之外，还开设了土木工程、工程地质等其他专业的课程。但是“GPS测量原理与应用”课程主要强调基本理论和外业测量，没有任何GPS程序设计方面的课程和实践环节，与市场有一定的脱节。

由于课时数的限制，“GPS测量原理与应用”课程本身已经无法安排程序设计的时间。为了提高学生的GPS程序设计能力，优化了GPS理论课与“测量程序设计”课程的内容安排，在“测量程序设计”课程中，除了安排一部分常规测量数据处理内容外，还增加了GPS数据处理算法部分，从而进一步加深了学生对GPS概念的理解，提高了程序设计的能力。此外，还为有兴趣作GPS研发的同学介绍到相关企业进行研发实习，从而进一步提高了学生的研发能力。

二、尚待改进的工作

广东工业大学与合肥工业大学测绘工程专业具有较多的共同点，如共同隶属于工业大学的土木学院；与武汉大学等将测绘细分为大地测量、工程测量、导航工程、遥感、地理信息等不同[14]，其在办学方向上只有测绘工程一个专业。为了拓宽学生的就业面，在课程设置上需要兼顾土木、水利、建筑、规划等学科的课程，同时又要涵盖测绘所有方向的课程，因此学生的课程安排太多，课程之间衔接不一定合理，如在“GPS测量原理与应用”之前没有“空间大地测量理论基础”，在其后也没有“GPS程序设计”等课程。因此，如何合理设置相关课程，使“GPS测量原理与应用”能够比较自然和谐地融入整个课程体系中是今后仍需要改进的地方。

三、结束语

本文结合笔者多年担任“GPS测量原理与应用”课程的实践经验，发现通过将前沿学术论文、学术讲座和现有教材有机结合，能够较好地改进课程内容老旧的问题；通过将学生自主学习和研讨与教师授课相结合能够最大限度地调动学生的学习积极性；通过完善测量仪器和实习基地、校企联合培养，能够提高学生的实践能力。由于所在院系和学科的特点，课程体系在一定程度上存在大而全的问题，如何科学合理地设置与“GPS测量原理与应用”相关的课程是今后努力改进的地方。

参考文献：

[1]楼益栋，郑刚. 卫星导航专业研究生培养模式研究 [J]. 科技创业月刊，2014(8): 137-139.

[2]刘智敏，阳凡林，独知行. 卫星定位原理及应用的教学改革与实践 [J]. 测绘工程，2010, 19(3)：77-80.

[3]李黎，龙四春，张金平，等.GPS原理与应用课程教学改革探讨 [J]. 当代教育理论与实践，2014, 6(5)：118-119.

[4]匡翠林，戴吾蛟，蔡昌盛，等．《GPS定位原理与应用》课程教学改革——面向卓越测绘工程师教育[J]．矿山测量，2013，19(8)：94-97．

[5]李征航，黄劲松．GPS测量与数据处理[M]．2版.武汉：武汉大学出版社，2010.

[6]魏二虎，黄劲松.GPS测量操作与数据处理[M]. 武汉：武汉大学出版社，2010.

[7]周忠谟，易杰军，周琪．GPS卫星测量原理与应用[M].修订版．北京：测绘出版社，1997．

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

[9]BLEWITTG.GPSandSpaceBasedGeodeticMethods,TreatiseonGeophysics[M].Oxford,UK：AcademicPress，2007.

[10]BEVISM,BUSINGERS,HERRINGTA,etal.GPSMeteorology:RemoteSensingofAtmosphericWaterVaporUsingtheGlobalPositioningSystem[J].J.Geophys.Res., 1992, 97(104):15787-15801.

[11]LARSONKM,SMALLEE,GUTMANNED,etal.UseofGPSReceiversasaSoilMoistureNetworkforWaterCycleStudies[J].Geophys.Res.Lett., 2008(25)：L24405.DOI:10.1029/2008GL036013.

[12]SCHARROOR,SMITHWHF.AGlobalPositioningSystem-basedClimatologyfortheTotalElectronContentintheIonosphere[J].J.Geophys.Res., 2010, 115(A10)：A10318.DOI:10.1029/2009JA014719.

[13]LOUY,ZHANGW,SHIC,etal.High-rate(1-Hzand50-Hz)GPSSeismology:Applicationtothe2013Mw6.6LushanEarthquake[J].JournalofAsianEarthSciences, 2014, 79(A):426-431.

[14]许才军．测绘工程专业课程创新体系初探[J]．测绘通报，2007(11)：74-77．

Reform of the Curriculum of GPS Surveying and Its Applications

WANG Hua，TAO Tingye

收稿日期：2015-05-13

作者简介：王华(1978—)，男，教授，研究方向为InSAR、大陆形变与地震周期。E-mail：ehwang@163.com

中图分类号：G64

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)06-0138-04

引文格式： 王华，陶庭叶. “GPS测量原理与应用”课程教学改革实践[J].测绘通报，2016(6)：138-141.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0210.