GNSS 气象学课程建设与改革

王新志， 金双根

（南京信息工程大学遥感与测绘工程学院，南京210044）

0 引 言

利用全球卫星导航定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）理论和技术来遥感地球大气，进行气象学的理论和方法研究，如测定大气温度、水汽含量、电离层总电子含量（Total Electric Content，TEC）及监测气候变化等，叫做GNSS 气象学（GNSS／METeorology，GNSS／MET）［1-2］。

GNSS／MET是大气探测技术上的一次革新，是一门新的气象学分支［3-4］。相比传统的大气探测手段，GNSS／MET具有全天候连续观测、覆盖面广、高精度和高分辨的特点，在现代气象观测中具有无可比拟的优势［5-6］。2019 年11 月4 日，中国气象局发布了《气象观测技术发展引领计划（2020-2035 年）》（气发［2019］90 号）文件，对基于北斗／GNSS 的水汽观测、探空气象观测、GNSS 掩星／反射信号观测方法、反演方法和技术，开展海浪测高、海洋风场和土壤湿度、植物生长量测量等GNSS／MET 业务化应用进行了专门规划［7］，GNSS／MET未来前景广阔，人才需求量巨大。

依托我校一流学科大气科学，融合GNSS大地测量方面的雄厚实力和人才储备，开设了GNSS／MET课程。目前，能够开出该课程的高校为数不多［8］。该课程的开设对于推动GNSS大气遥感技术人才培养，支撑气象观测技术自动化、信息化和智能化发展意义重大。

1 课程基本情况

1.1 课程发展历程

20 世纪90 年代初，我校意识到GPS 在大气遥感领域的潜在价值，在大气探测等相关专业开设了全球定位系统（GPS）课程，就此拉开了我校GPS／MET相关研究的大幕。2002 年7 月，我校博士学位论文“利用基地GPS资料反演大气参数及其四维变分同化试验研究”顺利通过答辩［9］，标志着我校GPS／MET研究进入了一个新的阶段。此后，多位硕士、博士研究生针对GPS／MET进行了持续研究［10-13］。至今，GNSS／MET在我校的发展已有20 余年。

1.2 课程培养目标

“GNSS气象学”是测绘类专业的专业课程和气象特色课程，2 学分，32 学时（其中讲课24 学时，实习8学时），于大三下学期开课［14］。通过本课程的学习，学生应达到以下3 个方面的目标。

（1）知识目标。了解国内外GNSS／MET 最新发展方向，认知我国GNSS／MET业务化应用的现状及存在的问题，解释地基GNSS、GNSS 无线电掩星和GNSS反射测量进行大气探测的基本原理和方法。

（2）能力目标。运用地基GNSS、GNSS 无线电掩星、GNSS反射测量数据，计算对流层水汽和电离层电子含量（VTEC）等大气参数；结合多年水汽和VTEC值，运用气象理论进行气候变化、空间天气、海冰变化等相关研究与应用。

（3）素质目标。培养学生热爱祖国、无私奉献、不怕吃苦和团结协作的精神。

2 课程建设方案

2.1 课程师资队伍建设

由国际著名GNSS 气象学家、欧洲科学院院士担任该课程总负责人，对标国家一流课程标准，从课程设计、课堂教学、资源建设和教学改革等多个方面对课程进行全方位建设。先后派出课程团队中三位副教授赴中国气象局气象探测中心GNSS／MET 观测与应用创新团队挂职交流，学习GNSS／MET 站网选址、建设、数据采集与处理、成果分析与应用等知识，强化课程理论知识与业务应用相结合；推荐他们分别赴美国国家大气研究中心（NCAR）、澳大利亚新南威尔士大学、加拿大卡尔加里大学等国外高水平大学和科研机构进行访学，学习并研究国际上最新的GNSS／MET 技术。联合中国气象局气象探测中心GNSS／MET 观测与应用创新团队首席科学家及核心成员共同组成“GNSS 气象学”授课团队。

2.2 课程内容建设

“GNSS气象学”是大地测量和大气探测交叉融合的学科，受各种条件限制，国内能独立开设本课程的高校寥寥无几。因而，课程的内容设置也没有范例可供参考。随着GPS、北斗等GNSS 系统、低轨卫星的发展及气象现代化的需求，本课程的内容由最初的地基GPS水汽探测，逐步发展为GNSS 气象学基本知识、地基GNSS气象学、GNSS无线电掩星大气探测、GNSS反射大气测量及我国GNSS／MET 的业务化应用等5 个部分，涵盖了当今GNSS 气象学发展的全部内容和研究热点，课程内容如图1 所示。

图1 “GNSS气象学”课程的主要内容

2.3 教材建设

2014 年，由课程总负责人主编的全英文GNSS／MET教材《GNSS Remote Sensing：Theory，Methods and Applications》（ISBN：9789400774810）由Springer 出版社正式出版。该教材是国际上由Springer出版社出版的第1 本GNSS／MET教材，对普及GNSS／MET相关知识，推动大地测量学和气象学交叉融合意义重大［15］。

2019 年，该团队总结了近年来GNSS／MET方面的最新研究成果，在Springer 出版社出版了全英文GNSS／MET 专著《GNSS Atmospheric Seismology：Theory， Observations and Modelling》 （ISBN：9789811031762）［16］。

同时着手编写的江苏省高等学校重点教材《GNSS气象学原理与应用》获江苏省教育厅立项。

2.4 GNSS气象学虚拟仿真实验平台

课程教学团队联合中国气象局气象探测中心、广州南方测绘科技股份有限公司共同开发建设了“地基GNSS气象学虚拟仿真实验系统”，还原真实场景，将课堂学习与虚拟仿真相结合，实现随时随地、无缝式教学，促进学习效率提升。系统除服务我校GNSS 气象学课程教学外，还将申报国家虚拟仿真实验教学项目，面向公众、其他高校免费及中国气象局系统GNSS／MET业务培训开放，推广、传播GNSS气象学知识。

2.5 空天地一体化卫星数据分析中心

拥有CORS基准站，配备有GNSS 信号模拟器、高精度GNSS接收机等仪器设备200 余台／套，建设了空天地一体化卫星数据分析中心，实时生成全球水汽、电离层VTEC 等数据产品，满足学生实习与能力培养需要。

2.6 “南信大一号”GNSS大气海洋遥感试验卫星

联合上海航天电子通讯设备研究所和上海航骞智能科技有限公司，将于2020 年5 月前发射“南信大一号”GNSS大气海洋遥感试验卫星，建设气象海洋大数据分析中心。主要利用GNS 掩星和反射信号进行大气和海洋遥感，获取对流层大气温湿压、电离层电子密度和总电子含量以及海面高度和风场等重要信息，为气象、海洋、航运、渔业等行业部门服务，开展基于GNSS掩星和反射信号的GNSS 气象学相关教学和科学研究。

3 课程组织与成绩评定

3.1 课程组织

坚持以学生创新能力培养为导向的教学设计理念，如图2 所示。

图2 课程教学设计理念

①结合气象未来发展与规划，学生思考需要解决的核心问题；② 通过学习，理解关键知识；③ 运用知识，形成初步解决方案；④不同知识交叉、融合、关联；⑤完善解决方案，实现知识的创新应用。以学生为中心，鼓励个性化发展。混合式教学方法贯穿教学活动的各个环节，借助智慧教学平台，采用学生边讲边练，案例点评、平行互动等多种形式，提高授课效率，培养学生创新能力。

3.2 成绩评定

成绩评定由知识目标、能力目标和素质目标3 部分组成，各部分占比如表1 所示。

表1 课程成绩评定具体组成

（1）知识目标评定。由过程性考核和终结性考核两部分组成，过程性考核占40%，终结性考核占60%。过程性考核中，考勤占10%、课堂小测验占15%、课堂讨论占15%。

（2）能力目标评定。由实践实验和GNSS气象学综合设计与应用量部分组成，重点考查学生对知识的运用能力，其中实践实验占40%，综合设计与应用占60%。

（3）素质目标评定。学生分组实习、完成项目设计，根据小组合作情况，考核“不怕吃苦、团结协作”的精神。

4 课程评价与改革成效

4.1 课程评价

课程结束前，教学团队会组织问卷调查、聘请校级和院级督导随机听课、成绩分析等多种形式，收集课程教学形式、内容及方法等各方面的意见。通过集体备课、交流研讨等形式对课堂教学持续改进。

督导由中国工程院院士、国家气象局气象探测中心专家及校兼职指导组成。他们对本课程均作出了一致好评：学科交叉融合，特色鲜明，效果显著；理论与业务相结合，优势互补，成果显著，起到了示范带头作用；教学目标明确，教学内容丰富，增强了民族自豪感和自信心，突破了传统教学方法，取得了系列成绩。

4.2 改革成效

学生参与开发的滑坡地质灾害实时监测与预警系统，已经成功应用于全国近100 个地质灾害监测点；研发的北斗电离层闪烁接收机和电离层闪烁分析系统，已经江苏省自然资源厅CORS中心投入应用近2 年。

近3 年，学生主持或参与的“GNSS 气象学”相关成果获得第三届3S 杯全国大学生物联网技术与应用“三创”大赛一等奖、挑战杯江苏省赛一等奖、江苏省测绘地理信息创新创业大赛一等奖等国家级、省级等各级奖励达20 余项。

5 结 语

GNSS气象学是大气探测与大地测量学科交叉融合而形成的一门新的气象学分支。中国气象局发布的《气象观测技术发展引领计划（2020-2035 年）》（气发［2019］90 号）文件，对GNSS／MET 的发展和业务化应用进行了专门规划，GNSS／MET 在气象观测技术自动化、信息化和智能化发展中将发挥不可替代的作用，人才需求量巨大。我校依托气象学科优势，主动担当，充分发挥大气探测和大地测量方面的技术储备和人才优势，开设了GNSS 气象学课程，培养跨学科人才，提升我国综合气象观测现代化水平。课程团队从课程培养目标、课程建设、课程组织、成绩评定及课程评价等多个方面进行了建设与改革，取得了一定的效果。下一步，课程团队将在全校开设GNSS气象学通修课程，普及GNSS气象学知识；并重点围绕“南信大一号”卫星GNSS气象学教学与研究平台建设开展工作，推动GNSS掩星／反射信号气象探测技术的发展与业务化应用，服务我国气象事业发展。