从GPS到GNSS教学的转变

张全德，刘小阳，钱 安，王秋玲

(防灾科技学院，河北 三河 065201)



从GPS到GNSS教学的转变

张全德，刘小阳，钱 安，王秋玲

(防灾科技学院，河北 三河 065201)

“GPS测量原理及应用”多年来一直是测绘专业的核心课程。随着GLONASS、BDS、Galileo系统逐渐完善并提供服务，GPS应用已转换为多系统融合的GNSS应用，而教材更新难以跟上GNSS技术的发展。如何在现有教材的基础上，将GPS教学转变为GNSS教学，防灾科技学院测绘工程教研组进行了探索和改革：较好地处理了教学与生产应用相结合；增加学习内容而不增加课时；多种形式的授课方法让学生掌握更多的知识和技能；探索出一条从GPS转变为GNSS教学之路。

GPS；GNSS；测量原理；生产应用；教学改革

“GPS测量原理及应用”是防灾科技学院测绘工程专业本科开设的一门专业核心课。教材选用武汉大学出版社出版，徐绍铨等编著的《GPS测量原理及应用》(2008年7月，第3版)。该教材通俗易懂，适用面广[1]。课程安排在大三第一学期，共64学时，其中课堂教学54学时，教学实验10学时。学生成绩由平时成绩和考试成绩构成，其中平时学习成绩占30%，期中考试占20%，期末考试占50%，以百分制进行评定。期中、期末均采用闭卷考试，4个学分。

随着GPS技术的进步和发展，GLONASS日趋完善，BDS已于2012年底开始为亚太地区提供公开服务[2]，Galileo去年已完成18颗星布网并开始服务。GPS一花独放的时代已经结束。目前，生产单位已广泛使用多系统、多频的GNSS接收机。在此背景下，为适应新技术发展趋势和市场对创新人才的需求，我国许多高校的相关教师对“GPS测量原理及应用”的授课方式和内容进行了革新[3-6]。防灾科技学院测绘工程专业教研组也在教学过程中通过探索和改革，尝试了从GPS到GNSS教学的转变，较好地处理了教材滞后于GNSS发展的问题、教学内容与生产应用相结合的问题、增加教学内容而不增加课时问题、如何在有限的时间内让学生掌握更多的知识和技能问题，为培养出生产单位所需要的技术人才，探索出一条从GPS教学转变为GNSS教学之路。

1 GNSS的发展与教学内容的转变

1.1 教学内容的扩充与更新

防灾科技学院测绘专业没有开设“空间大地测量理论基础”之类的课程，为使学生更好地理解和掌握GNSS测量原理，在选用教材的基础上，适当地增加了一些内容，如天球的基本概念，岁差和章动、极移，开普勒三大定律[7]，MW组合，精密星历[8]等。此外，根据GPS技术的发展，也不断地更新教材内容。例如，RINEX3.02版本出来后，在讲述RINEX2.1版本时，也讲述RINEX3.02版本；在讲述GPS设计与实施时，则以现行《全球定位系统(GPS)测量规范》为准，在讲述GPS生产作业模式时，则以当前CORS布网模式和RTK作业为重点；在讲述GPS技术应用时，则重点介绍国家测绘地理信息局已布设完成的国家GPS大地控制网，以及中国地震局等多个部门联合布设的“中国地壳运动观测网络”和“中国大陆构造环境监测网络”等重大测绘工程项目。按照学校对学生的培养目标，对采用的教材进行扩充与更新，不仅使教学内容丰富、生动，而且与生产应用结合得更加紧密，让学生感受到该课程具有丰富的理论知识，有广泛的实践基础和应用前景。

1.2 GNSS系统的讲授

为了让学生全面了解GNSS系统的状况及发展，在讲授第一章GPS系统时扩充如下：①早期的卫星定位技术；②子午卫星导航系统的应用及其缺陷；③GPS系统；④GLONASS系统；⑤Galileo系统；⑥BDS系统；⑦GNSS之间的比较。上述安排基本讲明了卫星大地测量发展的历程及GNSS系统状况。

讲授GLONASS时，主要讲述该系统目前状况，以及系统现代化及发展。讲授Galileo时，主要讲授该系统的先进性、特点及目前布网情况。在讲授我国BDS时，则结合国家有关发展BDS，实施BDS战略的政策，说明BDS是我国的时空基准[9]，卫星导航定位已列为国家战略性新兴产业，以及《国家卫星导航产业中长期发展规划》部署的五大工程、产业发展蓝图、2020年产业的总产值达到4000亿元的目标等[10]；并将BDS卫星发射的最新动态、当前的运行状况及2020年实现全球服务进行介绍[2]，使学生得到最新的GNSS发展信息。

在讲授GNSS之间的比较时，着重讲述GNSS技术相互兼容是今后发展趋势[11]，4个系统伪距定位原理和定位算法均相同；均具有相同的中心频率甚至相重合的带宽，相同的右旋圆极化方式，可以使用相同的天线、预选器等；4个系统均为伪随机扩频测距信号，可以设计兼容基带宽处理芯片，实现对信号的捕获跟踪，伪距测量等。此外，卫星轨道高度、倾角、运行周期基本一致，有相同的卫星位置算法，多普勒频率相同，载波和码跟踪算法一致。目前，最大的区别是GLONASS采用FDMA卫星识别方式，有较复杂的频率综合器。BDS与Galileo有更多的兼容与互操作性，在B1c和B2上均有相同中心频率，兼容性更强，在接收机制造上更具兼容性等[12]。

在讲授GNSS发展时，着重讲述GNSS产业竞争与合作并存的国际格局及产业融合发展的趋势，使学生了解GNSS及其产业正经历前所未有的四大转变：从单一的GPS时代转变为真正实质性的多星座并存兼容的GNSS新时代，进入卫星导航体系全球化和增强多模化的新阶段；从以卫星导航应用主体转变为定位、导航、授时与移动通信和互联网等信息载体融合的新时期，发展为信息融合化和产业一体化，以及应用智能化的新阶段；从经销应用产品为主逐步转变为运营服务为主，进入应用大众化和服务产业化，以及信息服务智能化的新阶段；从室外导航定位为主转变为室内外无缝导航定位的新时空服务体系的新纪元，进入卫星导航为基石的多手段融合、天地一体化、服务泛在化和智能化的新阶段[11]。

上述对GNSS四大系统最新发展状况，以及融合发展趋势的讲授，使学生全面了解GNSS卫星导航与位置服务技术应用和动态，激发了他们对GNSS学科学习的兴趣。

1.3 GNSS接收机的讲授

目前，生产单位大部分使用的是多系统、多频GNSS接收机。为此，在讲授第四章GPS接收机基本工作原理时，则改为讲授GNSS接收机的工作原理。在介绍国外GNSS接收机时，则结合学校实习使用的南方GNSS接收机，着重介绍国内各主要厂商生产的GNSS接收机性能、精度等指标。此外，增加了GNSS接收机的选型与采购等教学内容，根据生产对仪器不同要求，讲授如何从技术层面上提出选型的接收机性能和精度指标，进一步拓宽学生的知识面。

1.4 GNSS应用的讲授

在国家政策主导、部门持续发力、地方积极出台配套政策的大环境下，一个广泛应用BDS正在我国兴起[13]。2015年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到1735亿元，较2014年增长29.2%。BDS应用占比进一步提高，市场贡献率接近20%，BDS兼容应用已经成为国内行业市场和特殊市场的主流方案。产业新增投资和新增企业数量持续增加，卫星导航与位置服务领域企事业单位数量保持在14 000家左右，从业人员数量约45万[14]。为此，在教学中将GPS技术的应用，改为讲授以BDS为主的GNSS技术应用。教学中引用了大量BDS在交通领域、城市燃气、给排水、热力、电力等方面的应用，以及在老年关爱、智能驾考、电动自行车安全综合治理等方面应用实例，使学生了解BDS在各行业广泛应用的市场潜力和发展前景。

2 处理好教学中的几个关系

2.1 授课内容与授课方式

把GPS教学转变为GNSS教学，授课内容大大增加，使教学内容与课时矛盾显得比较突出。为了解决好上述矛盾，采用了讲座授课与详细的理论讲解相结合的方式。具体来讲，就是要求学生了解的知识，如四大系统及星基增强系统、GNSS技术在各行业中的应用等内容基本采取讲座授课方式，并以多媒体图片为主，这样可在一堂课内介绍大量内容，让学生对GNSS全面了解，并在整体上有所把握。

在卫星导航定位理论和数据处理方面，GPS最具有代表性。因此在理论教学中仍以GPS为主，对GPS导航电文的组成及信号结构，GPS卫星位置计算，伪距测量、载波相位测量基本原理，差分GPS定位原理，GPS卫星导航原理，精密单点定位技术，GPS测量误差理论、数据处理方法等则采用多媒体和板书相结合的方法进行详实地讲授。对于关键知识点，如伪距观测方程、相位观测方程、观测值求差、无线电离层组合、MW组合等，则在黑板上进行详细的公式推导，以此加深学生的理解和记忆。卫星导航定位的理论和方法是教学重点，也是对学生考核的重点内容，要求学生必须牢固掌握。

为便于学生掌握授课内容，每次课后均布置作业，要求学生独立思考并在作业本上完成，老师对学生上交的作业均认真批改并统计，作为学生平时学习成绩的依据之一。通过手写作业的方式，使学生加强对知识点的理解和记忆。

在讲授GPS定位理论过程中，也增加了GPS现代化的内容[15-16]，介绍了GPSⅡF系列卫星更新、下一步GPS Ⅲ卫星的特点，以及新增设的4个信号等内容[17]，使学生对GPS的发展有全面的了解。

根据不同的教学内容，变换不同的授课方式，使学生总有新鲜感，调动了学生学习的兴趣，一方面了解到大量崭新知识，另一方面也掌握了扎实的理论。

2.2 实验课教学安排

防灾科技学院有20台供学生实习用的GNSS接收机，以及教学计算机房。充分利用这些硬件条件，安排了10个课时，分4次进行GNSS实验课教学。第一次在讲完GPS卫星定位原理后，每个班分成3人一组，进行2课时的静态定位，要求每个学生掌握GNSS接收机设置，全班进行同步观测。第二次2课时，在教学计算机房对上次实验课所观测的数据进行处理。第三次2课时，在室外进行RTK测量，要求每个学生掌握基准站、流动站设置，并进行RTK测量实习。第四次在讲完GNSS测量的设计与实施，安排4课时GNSS仪器检验。参加实验的2个班，一个班进行天线相位中心稳定性检验，另一个班进行短基线检验。2个班检验数据整理汇总后均发给每位学生，要求利用课余时间进行解算，在下次上课时由教师将解算结果发给学生进行比对和参考。

2.3 教学内容与技能培养

在GNSS教学过程中，由于增添了大量的教材上没有的内容，为了使学生便于学习和掌握，每次上课教师都准备了丰富、翔实的课件，下课后允许学生拷贝作为学习参考资料。

为了在较短实验课内让学生迅速掌握仪器操作要领和数据处理技能，为以后安排的二周GNSS生产实习打好基础，在实验课前将所用GNSS仪器使用说明书、GNSS数据处理软件、GNSS软件操作说明书、GNSS软件操作演示视频等资料提前发给学生，让学生先看资料，再作试验，达到了事半功倍的效果。

在校园进行GNSS仪器检验时，将GNSS接收机安置构成网形，多时段同步观测。数据处理时，要求学生采用不同高度角、不同的采样间隔进行数据处理比较。同时要求分别对GPS、BDS、GLONASS数据进行处理，再综合采用GPS、BDS、GLONASS数据组合方式进行处理。通过对上述计算结果进行比较、分析，使学生对不同数据处理方案有较深的认识。

3 结 语

将“GPS测量原理及应用”讲授转变为“GNSS测量原理及应用”，不仅增添了新的教学内容，而且也增加了教学的难度，要求授课教师要全面掌握GNSS的理论和发展动态，依据教学大纲梳理出整个GNSS授课系统，明确授课重点，并将所授课的内容让学生们感兴趣，听得懂，记得住，能掌握。防灾科技学院测绘工程教研组本着教学内容与生产应用相结合、与GNSS技术进步相结合，教学服务于国家发展战略和经济建设的需要，经过实践和探讨在教学转变过程中取得了一些经验，以供同行探讨。

[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] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统公开服务性能规范(1.0)[S].北京：中国卫星导航系统管理办公室，2013.

[3] 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)：77-88.

[4] 李黎，龙四春，张金平，等.GPS测量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.

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

[6] 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)：138-140.

[7] 周忠谟，易杰军，周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京：测绘出版社，1997：14-47.

[8] 李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M]. 武汉：武汉大学出版社,2005:202-215.

[9] 曹冲，景贵飞，苗前军，等.中国新时空服务体系概论 [M]. 北京:科学出版社, 2015:37-60.

[10] 中国卫星导航定位协会.中国卫星导航与位置服务产业年鉴(2013) [M]. 北京: 中国卫星导航定位协会，2014: 18-24.

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[12] 潘剑波，王红涛.北斗卫星导航系统与其他卫星导航系统的比较与分析[C]∥卫星导航定位与北斗系统应用(2016).北京:测绘出版社, 2016:3-8.

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[14] 中国卫星导航定位协会.中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书(2015年度) [M].北京: 中国卫星导航定位协会，2016:20-21.

[15] 陈俊勇.面向 21 世纪的 GPS[J]. 测绘通报, 2000(3): 15-18.

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[17] 刘春保.从《GPS系统星座更新、补充》报告看GPS系统未来发展[J].国际太空，2016(4):25-29.

The Transition from the GPS to GNSS Teaching

ZHANG Quande，LIU Xiaoyang，QIAN An，WANG Qiuling

(Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201,China)

Over years, “GPS measuring principle and application” has been the core of the surveying and mapping professional courses. As the GLONASS, BDS, Galileo system gradually afford the service，single GPS system has turned many GNSS navigation and positioning system of system integration. Teaching material update is hard to keep up with the development of the GNSS technology.On the basis of the existing teaching materials，how to turn GPS teaching into GNSS. Surveying and Mapping Engineering Research Group of the Institute of Disaster Prevention has carried on the exploration and reform. It is better to deal with the combination of teaching and production, increase the learning content without increasing class hours. A variety of teaching methods are proposed to enable students to master more knowledge and skills. This paper tries to find a shift from GPS for GNSS teaching way.

GPS; GNSS; measuring principle；production applications；teaching reform

张全德，刘小阳，钱安，等.从GPS到GNSS教学的转变[J].测绘通报，2017(7)：143-146.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0242.

2017-04-13

防灾科技学院第九批重点建设课程项目(150767)

张全德(1953—)，男，教授级高级工程师，主要从事大地测量项目设计、组织、实施，以及GNSS教学、推广应用等。E-mail:qdzhang518@aliyun.com; zhangqd@nsdi.gov.cn

G64

A

0494-0911(2017)07-0143-04