從GPS到GNSS教學(xué)的轉(zhuǎn)變

張全德，劉小陽，錢 安，王秋玲

(防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201)

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從GPS到GNSS教學(xué)的轉(zhuǎn)變

張全德，劉小陽，錢 安，王秋玲

(防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201)

“GPS測量原理及應(yīng)用”多年來一直是測繪專業(yè)的核心課程。隨著GLONASS、BDS、Galileo系統(tǒng)逐漸完善并提供服務(wù)，GPS應(yīng)用已轉(zhuǎn)換為多系統(tǒng)融合的GNSS應(yīng)用，而教材更新難以跟上GNSS技術(shù)的發(fā)展。如何在現(xiàn)有教材的基礎(chǔ)上，將GPS教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)镚NSS教學(xué)，防災(zāi)科技學(xué)院測繪工程教研組進行了探索和改革：較好地處理了教學(xué)與生產(chǎn)應(yīng)用相結(jié)合；增加學(xué)習(xí)內(nèi)容而不增加課時；多種形式的授課方法讓學(xué)生掌握更多的知識和技能；探索出一條從GPS轉(zhuǎn)變?yōu)镚NSS教學(xué)之路。

GPS；GNSS；測量原理；生產(chǎn)應(yīng)用；教學(xué)改革

“GPS測量原理及應(yīng)用”是防災(zāi)科技學(xué)院測繪工程專業(yè)本科開設(shè)的一門專業(yè)核心課。教材選用武漢大學(xué)出版社出版，徐紹銓等編著的《GPS測量原理及應(yīng)用》(2008年7月，第3版)。該教材通俗易懂，適用面廣[1]。課程安排在大三第一學(xué)期，共64學(xué)時，其中課堂教學(xué)54學(xué)時，教學(xué)實驗10學(xué)時。學(xué)生成績由平時成績和考試成績構(gòu)成，其中平時學(xué)習(xí)成績占30%，期中考試占20%，期末考試占50%，以百分制進行評定。期中、期末均采用閉卷考試，4個學(xué)分。

隨著GPS技術(shù)的進步和發(fā)展，GLONASS日趨完善，BDS已于2012年底開始為亞太地區(qū)提供公開服務(wù)[2]，Galileo去年已完成18顆星布網(wǎng)并開始服務(wù)。GPS一花獨放的時代已經(jīng)結(jié)束。目前，生產(chǎn)單位已廣泛使用多系統(tǒng)、多頻的GNSS接收機。在此背景下，為適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展趨勢和市場對創(chuàng)新人才的需求，我國許多高校的相關(guān)教師對“GPS測量原理及應(yīng)用”的授課方式和內(nèi)容進行了革新[3-6]。防災(zāi)科技學(xué)院測繪工程專業(yè)教研組也在教學(xué)過程中通過探索和改革，嘗試了從GPS到GNSS教學(xué)的轉(zhuǎn)變，較好地處理了教材滯后于GNSS發(fā)展的問題、教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)應(yīng)用相結(jié)合的問題、增加教學(xué)內(nèi)容而不增加課時問題、如何在有限的時間內(nèi)讓學(xué)生掌握更多的知識和技能問題，為培養(yǎng)出生產(chǎn)單位所需要的技術(shù)人才，探索出一條從GPS教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)镚NSS教學(xué)之路。

1 GNSS的發(fā)展與教學(xué)內(nèi)容的轉(zhuǎn)變

1.1 教學(xué)內(nèi)容的擴充與更新

防災(zāi)科技學(xué)院測繪專業(yè)沒有開設(shè)“空間大地測量理論基礎(chǔ)”之類的課程，為使學(xué)生更好地理解和掌握GNSS測量原理，在選用教材的基礎(chǔ)上，適當?shù)卦黾恿艘恍﹥?nèi)容，如天球的基本概念，歲差和章動、極移，開普勒三大定律[7]，MW組合，精密星歷[8]等。此外，根據(jù)GPS技術(shù)的發(fā)展，也不斷地更新教材內(nèi)容。例如，RINEX3.02版本出來后，在講述RINEX2.1版本時，也講述RINEX3.02版本；在講述GPS設(shè)計與實施時，則以現(xiàn)行《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》為準，在講述GPS生產(chǎn)作業(yè)模式時，則以當前CORS布網(wǎng)模式和RTK作業(yè)為重點；在講述GPS技術(shù)應(yīng)用時，則重點介紹國家測繪地理信息局已布設(shè)完成的國家GPS大地控制網(wǎng)，以及中國地震局等多個部門聯(lián)合布設(shè)的“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”和“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”等重大測繪工程項目。按照學(xué)校對學(xué)生的培養(yǎng)目標，對采用的教材進行擴充與更新，不僅使教學(xué)內(nèi)容豐富、生動，而且與生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)合得更加緊密，讓學(xué)生感受到該課程具有豐富的理論知識，有廣泛的實踐基礎(chǔ)和應(yīng)用前景。

1.2 GNSS系統(tǒng)的講授

為了讓學(xué)生全面了解GNSS系統(tǒng)的狀況及發(fā)展，在講授第一章GPS系統(tǒng)時擴充如下：①早期的衛(wèi)星定位技術(shù)；②子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用及其缺陷；③GPS系統(tǒng)；④GLONASS系統(tǒng)；⑤Galileo系統(tǒng)；⑥BDS系統(tǒng)；⑦GNSS之間的比較。上述安排基本講明了衛(wèi)星大地測量發(fā)展的歷程及GNSS系統(tǒng)狀況。

講授GLONASS時，主要講述該系統(tǒng)目前狀況，以及系統(tǒng)現(xiàn)代化及發(fā)展。講授Galileo時，主要講授該系統(tǒng)的先進性、特點及目前布網(wǎng)情況。在講授我國BDS時，則結(jié)合國家有關(guān)發(fā)展BDS，實施BDS戰(zhàn)略的政策，說明BDS是我國的時空基準[9]，衛(wèi)星導(dǎo)航定位已列為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，以及《國家衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》部署的五大工程、產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍圖、2020年產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值達到4000億元的目標等[10]；并將BDS衛(wèi)星發(fā)射的最新動態(tài)、當前的運行狀況及2020年實現(xiàn)全球服務(wù)進行介紹[2]，使學(xué)生得到最新的GNSS發(fā)展信息。

在講授GNSS之間的比較時，著重講述GNSS技術(shù)相互兼容是今后發(fā)展趨勢[11]，4個系統(tǒng)偽距定位原理和定位算法均相同；均具有相同的中心頻率甚至相重合的帶寬，相同的右旋圓極化方式，可以使用相同的天線、預(yù)選器等；4個系統(tǒng)均為偽隨機擴頻測距信號，可以設(shè)計兼容基帶寬處理芯片，實現(xiàn)對信號的捕獲跟蹤，偽距測量等。此外，衛(wèi)星軌道高度、傾角、運行周期基本一致，有相同的衛(wèi)星位置算法，多普勒頻率相同，載波和碼跟蹤算法一致。目前，最大的區(qū)別是GLONASS采用FDMA衛(wèi)星識別方式，有較復(fù)雜的頻率綜合器。BDS與Galileo有更多的兼容與互操作性，在B1c和B2上均有相同中心頻率，兼容性更強，在接收機制造上更具兼容性等[12]。

在講授GNSS發(fā)展時，著重講述GNSS產(chǎn)業(yè)競爭與合作并存的國際格局及產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的趨勢，使學(xué)生了解GNSS及其產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷前所未有的四大轉(zhuǎn)變：從單一的GPS時代轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲龑嵸|(zhì)性的多星座并存兼容的GNSS新時代，進入衛(wèi)星導(dǎo)航體系全球化和增強多模化的新階段；從以衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用主體轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄎ?、?dǎo)航、授時與移動通信和互聯(lián)網(wǎng)等信息載體融合的新時期，發(fā)展為信息融合化和產(chǎn)業(yè)一體化，以及應(yīng)用智能化的新階段；從經(jīng)銷應(yīng)用產(chǎn)品為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檫\營服務(wù)為主，進入應(yīng)用大眾化和服務(wù)產(chǎn)業(yè)化，以及信息服務(wù)智能化的新階段；從室外導(dǎo)航定位為主轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)外無縫導(dǎo)航定位的新時空服務(wù)體系的新紀元，進入衛(wèi)星導(dǎo)航為基石的多手段融合、天地一體化、服務(wù)泛在化和智能化的新階段[11]。

上述對GNSS四大系統(tǒng)最新發(fā)展狀況，以及融合發(fā)展趨勢的講授，使學(xué)生全面了解GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)技術(shù)應(yīng)用和動態(tài)，激發(fā)了他們對GNSS學(xué)科學(xué)習(xí)的興趣。

1.3 GNSS接收機的講授

目前，生產(chǎn)單位大部分使用的是多系統(tǒng)、多頻GNSS接收機。為此，在講授第四章GPS接收機基本工作原理時，則改為講授GNSS接收機的工作原理。在介紹國外GNSS接收機時，則結(jié)合學(xué)校實習(xí)使用的南方GNSS接收機，著重介紹國內(nèi)各主要廠商生產(chǎn)的GNSS接收機性能、精度等指標。此外，增加了GNSS接收機的選型與采購等教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)生產(chǎn)對儀器不同要求，講授如何從技術(shù)層面上提出選型的接收機性能和精度指標，進一步拓寬學(xué)生的知識面。

1.4 GNSS應(yīng)用的講授

在國家政策主導(dǎo)、部門持續(xù)發(fā)力、地方積極出臺配套政策的大環(huán)境下，一個廣泛應(yīng)用BDS正在我國興起[13]。2015年我國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達到1735億元，較2014年增長29.2%。BDS應(yīng)用占比進一步提高，市場貢獻率接近20%，BDS兼容應(yīng)用已經(jīng)成為國內(nèi)行業(yè)市場和特殊市場的主流方案。產(chǎn)業(yè)新增投資和新增企業(yè)數(shù)量持續(xù)增加，衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)領(lǐng)域企事業(yè)單位數(shù)量保持在14 000家左右，從業(yè)人員數(shù)量約45萬[14]。為此，在教學(xué)中將GPS技術(shù)的應(yīng)用，改為講授以BDS為主的GNSS技術(shù)應(yīng)用。教學(xué)中引用了大量BDS在交通領(lǐng)域、城市燃氣、給排水、熱力、電力等方面的應(yīng)用，以及在老年關(guān)愛、智能駕考、電動自行車安全綜合治理等方面應(yīng)用實例，使學(xué)生了解BDS在各行業(yè)廣泛應(yīng)用的市場潛力和發(fā)展前景。

2 處理好教學(xué)中的幾個關(guān)系

2.1 授課內(nèi)容與授課方式

把GPS教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)镚NSS教學(xué)，授課內(nèi)容大大增加，使教學(xué)內(nèi)容與課時矛盾顯得比較突出。為了解決好上述矛盾，采用了講座授課與詳細的理論講解相結(jié)合的方式。具體來講，就是要求學(xué)生了解的知識，如四大系統(tǒng)及星基增強系統(tǒng)、GNSS技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用等內(nèi)容基本采取講座授課方式，并以多媒體圖片為主，這樣可在一堂課內(nèi)介紹大量內(nèi)容，讓學(xué)生對GNSS全面了解，并在整體上有所把握。

在衛(wèi)星導(dǎo)航定位理論和數(shù)據(jù)處理方面，GPS最具有代表性。因此在理論教學(xué)中仍以GPS為主，對GPS導(dǎo)航電文的組成及信號結(jié)構(gòu)，GPS衛(wèi)星位置計算，偽距測量、載波相位測量基本原理，差分GPS定位原理，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理，精密單點定位技術(shù)，GPS測量誤差理論、數(shù)據(jù)處理方法等則采用多媒體和板書相結(jié)合的方法進行詳實地講授。對于關(guān)鍵知識點，如偽距觀測方程、相位觀測方程、觀測值求差、無線電離層組合、MW組合等，則在黑板上進行詳細的公式推導(dǎo)，以此加深學(xué)生的理解和記憶。衛(wèi)星導(dǎo)航定位的理論和方法是教學(xué)重點，也是對學(xué)生考核的重點內(nèi)容，要求學(xué)生必須牢固掌握。

為便于學(xué)生掌握授課內(nèi)容，每次課后均布置作業(yè)，要求學(xué)生獨立思考并在作業(yè)本上完成，老師對學(xué)生上交的作業(yè)均認真批改并統(tǒng)計，作為學(xué)生平時學(xué)習(xí)成績的依據(jù)之一。通過手寫作業(yè)的方式，使學(xué)生加強對知識點的理解和記憶。

在講授GPS定位理論過程中，也增加了GPS現(xiàn)代化的內(nèi)容[15-16]，介紹了GPSⅡF系列衛(wèi)星更新、下一步GPS Ⅲ衛(wèi)星的特點，以及新增設(shè)的4個信號等內(nèi)容[17]，使學(xué)生對GPS的發(fā)展有全面的了解。

根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，變換不同的授課方式，使學(xué)生總有新鮮感，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，一方面了解到大量嶄新知識，另一方面也掌握了扎實的理論。

2.2 實驗課教學(xué)安排

防災(zāi)科技學(xué)院有20臺供學(xué)生實習(xí)用的GNSS接收機，以及教學(xué)計算機房。充分利用這些硬件條件，安排了10個課時，分4次進行GNSS實驗課教學(xué)。第一次在講完GPS衛(wèi)星定位原理后，每個班分成3人一組，進行2課時的靜態(tài)定位，要求每個學(xué)生掌握GNSS接收機設(shè)置，全班進行同步觀測。第二次2課時，在教學(xué)計算機房對上次實驗課所觀測的數(shù)據(jù)進行處理。第三次2課時，在室外進行RTK測量，要求每個學(xué)生掌握基準站、流動站設(shè)置，并進行RTK測量實習(xí)。第四次在講完GNSS測量的設(shè)計與實施，安排4課時GNSS儀器檢驗。參加實驗的2個班，一個班進行天線相位中心穩(wěn)定性檢驗，另一個班進行短基線檢驗。2個班檢驗數(shù)據(jù)整理匯總后均發(fā)給每位學(xué)生，要求利用課余時間進行解算，在下次上課時由教師將解算結(jié)果發(fā)給學(xué)生進行比對和參考。

2.3 教學(xué)內(nèi)容與技能培養(yǎng)

在GNSS教學(xué)過程中，由于增添了大量的教材上沒有的內(nèi)容，為了使學(xué)生便于學(xué)習(xí)和掌握，每次上課教師都準備了豐富、翔實的課件，下課后允許學(xué)生拷貝作為學(xué)習(xí)參考資料。

為了在較短實驗課內(nèi)讓學(xué)生迅速掌握儀器操作要領(lǐng)和數(shù)據(jù)處理技能，為以后安排的二周GNSS生產(chǎn)實習(xí)打好基礎(chǔ)，在實驗課前將所用GNSS儀器使用說明書、GNSS數(shù)據(jù)處理軟件、GNSS軟件操作說明書、GNSS軟件操作演示視頻等資料提前發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生先看資料，再作試驗，達到了事半功倍的效果。

在校園進行GNSS儀器檢驗時，將GNSS接收機安置構(gòu)成網(wǎng)形，多時段同步觀測。數(shù)據(jù)處理時，要求學(xué)生采用不同高度角、不同的采樣間隔進行數(shù)據(jù)處理比較。同時要求分別對GPS、BDS、GLONASS數(shù)據(jù)進行處理，再綜合采用GPS、BDS、GLONASS數(shù)據(jù)組合方式進行處理。通過對上述計算結(jié)果進行比較、分析，使學(xué)生對不同數(shù)據(jù)處理方案有較深的認識。

3 結(jié) 語

將“GPS測量原理及應(yīng)用”講授轉(zhuǎn)變?yōu)椤癎NSS測量原理及應(yīng)用”，不僅增添了新的教學(xué)內(nèi)容，而且也增加了教學(xué)的難度，要求授課教師要全面掌握GNSS的理論和發(fā)展動態(tài)，依據(jù)教學(xué)大綱梳理出整個GNSS授課系統(tǒng)，明確授課重點，并將所授課的內(nèi)容讓學(xué)生們感興趣，聽得懂，記得住，能掌握。防災(zāi)科技學(xué)院測繪工程教研組本著教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)應(yīng)用相結(jié)合、與GNSS技術(shù)進步相結(jié)合，教學(xué)服務(wù)于國家發(fā)展戰(zhàn)略和經(jīng)濟建設(shè)的需要，經(jīng)過實踐和探討在教學(xué)轉(zhuǎn)變過程中取得了一些經(jīng)驗，以供同行探討。

[1] 徐紹銓，張華海，楊志強，等.GPS測量原理及應(yīng)用[M].3版.武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.

[2] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范(1.0)[S].北京：中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2013.

[3] 劉智敏，陽凡林，獨知行.衛(wèi)星定位原理及應(yīng)用的教學(xué)改革與實踐[J].測繪工程，2010，19(3)：77-88.

[4] 李黎，龍四春，張金平，等.GPS測量原理與應(yīng)用課程教學(xué)改革探討[J].當代教育理論與實踐，2014，6(5):118-119.

[5] 匡翠林，戴吾蛟，蔡昌盛，等.《GPS定位原理與應(yīng)用》課程教學(xué)改革——面向卓越工程師教育[J].礦山測量，2013，19(8)：94-97.

[6] 王華，陶庭葉.“GPS測量原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革實踐[J].測繪通報，2016(6)：138-140.

[7] 周忠謨，易杰軍，周琪.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，1997：14-47.

[8] 李征航，黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社,2005:202-215.

[9] 曹沖，景貴飛，苗前軍，等.中國新時空服務(wù)體系概論 [M]. 北京:科學(xué)出版社, 2015:37-60.

[10] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會.中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)年鑒(2013) [M]. 北京: 中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會，2014: 18-24.

[11] 曹沖.北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深度研究剖析[C]∥衛(wèi)星導(dǎo)航定位與北斗系統(tǒng)應(yīng)用(2016). 北京:測繪出版社, 2016:3-8.

[12] 潘劍波，王紅濤.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的比較與分析[C]∥衛(wèi)星導(dǎo)航定位與北斗系統(tǒng)應(yīng)用(2016).北京:測繪出版社, 2016:3-8.

[13] 張全德，范京生.我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展[J] .導(dǎo)航定位學(xué)報，2016，4(3):82-88.

[14] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會.中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(2015年度) [M].北京: 中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會，2016:20-21.

[15] 陳俊勇.面向 21 世紀的 GPS[J]. 測繪通報, 2000(3): 15-18.

[16] 陳俊勇.GPS技術(shù)進展及其現(xiàn)代化[J].大地測量與地球動力學(xué)，2010，30(3):1-4.

[17] 劉春保.從《GPS系統(tǒng)星座更新、補充》報告看GPS系統(tǒng)未來發(fā)展[J].國際太空，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

張全德，劉小陽，錢安，等.從GPS到GNSS教學(xué)的轉(zhuǎn)變[J].測繪通報，2017(7)：143-146.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0242.

2017-04-13

防災(zāi)科技學(xué)院第九批重點建設(shè)課程項目(150767)

張全德(1953—)，男，教授級高級工程師，主要從事大地測量項目設(shè)計、組織、實施，以及GNSS教學(xué)、推廣應(yīng)用等。E-mail:qdzhang518@aliyun.com; zhangqd@nsdi.gov.cn

G64

A

0494-0911(2017)07-0143-04