導航工程專業衛星導航數據處理方法課程建設與思考

郭斐,劉萬科,樓益棟,張小紅

(1.武漢大學 測繪學院,武漢 430079;2.武漢大學 衛星導航定位技術研究中心,武漢 430079)

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導航工程專業衛星導航數據處理方法課程建設與思考

郭斐1,劉萬科1,樓益棟2,張小紅1

(1.武漢大學 測繪學院,武漢 430079;2.武漢大學 衛星導航定位技術研究中心,武漢 430079)

文章首先簡要介紹了武漢大學新增的導航工程專業,然后對導航工程專業下設的一門專業課——衛星導航數據處理方法的建設進行了探討。重點圍繞該課程的教學目標、課程設置、教學方法與手段進行了一些有益的探索與思考。

導航工程專業;衛星導航數據處理方法;課程建設

0　引　言

隨著導航技術的快速發展,國民經濟及國防安全建設的諸多部門需要一大批能從事導航技術研究、開發、服務的高級專門人才。為了順應這一新形勢,武漢大學等高校陸續開辦了導航工程專業。作為一門新興的學科,導航工程專業的培養目標和課程建設正處于探索階段,是當前導航人才培養面臨的一個重要課題[1]。本文針對我校導航工程專業衛星導航數據處理方法課程的設置與教學方法進行探討,以供同行參考。

1　導航工程專業

1.1專業介紹

導航工程是航空航天技術、通信技術、計算機技術、電子技術和大地測量技術等多學科交叉的產物,已逐步發展成為一門具有獨特研究對象和完整體系的新興學科。依托武漢大學測繪學科的優勢和特色,同時也是為了更好地適應新形勢下測繪科學技術與其他學科交叉發展的迫切需求,2011年,我校向教育部成功申請增設導航工程本科專業,并于次年招生。

1.2培養目標

我校導航工程專業培養從事導航定位技術研發及應用的復合型高層次人才。培養的學生應當掌握現代導航工程的理論、技術和方法,具備運用所學的專業知識和技能解決實際問題的能力。學生畢業后能在導航及相關領域的企事業單位從事研發、管理、教學及應用等工作。

2　衛星導航數據處理方法課程建設

2.1課程目標

衛星導航數據處理方法是針對我校導航工程專業所開設的一門專業課,其目的是通過本課程的學習,使學生全面了解并掌握衛星導航定位數據處理的基本理論、數學模型、處理方法,為學生今后從事衛星導航定位數據處理、研發、工程技術應用等奠定理論和方法基礎。

2.2課程設置

本課程安排在第六學期,學生在進行本課程學習之前,已完成了導航概論、最優估計、衛星導航原理等專業基礎課程,對GNSS衛星導航系統的發展、導航定位的基本概念、基本原理已經有了整體的認識。同步開設的專業課程有傳感器技術、慣性導航、組合導航、嵌入式系統與程序設計等。在前導課程的基礎之上,衛星導航數據處理方法這門課程側重于高精度的GNSS數據處理理論、模型與算法。課程總學時數為54學時,其中理論教學36學時,實踐教學18學時。課程內容涵蓋了GNSS觀測方程、誤差處理、周跳探測、整周模糊度解算、精密單點定位技術、網絡RTK技術、GNSS測速與定姿等內容。

2.3教學方法與手段

衛星導航數據處理理論與方法是一門理論性與實踐性都很強的專業課,只有采用科學的、合理的教學方法與手段才能達到良好的教學效果。理論教學過程中,結合講授法、討論法、直觀演示法、自主學習法,借助黑板和多媒體工具有效呈現課程內容。課堂講授過程中,對于一些常用的線性組合觀測值,如無電離層組合、MW組合,借助粉筆和黑板詳細講授公式的推導過程,加深學生的記憶和理解;對于一些相對抽象的概念,如周跳、模糊度固定、衛星運動軌跡、載體姿態角等則可通過類比法、多媒體圖片和動畫演示,呈現直觀效果,進而增強學生對相關知識點的理解和吸收。針對一些較為復雜和靈活的問題,如導航定位模型中的參數化、數學相關性等問題,采用課堂討論法,讓學生各抒己見,互相啟發,分析每種方案的科學性和合理性,最終在教師的指導下,形成最優的解決方案;進而激發學生學習的積極性,活躍學生思想和課堂氣氛,培養學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力。針對數據處理的中間過程和最終定位結果,采用直觀演示法。例如在講解GNSS誤差處理時,現場采用GNSS數據處理軟件分析各項誤差源的數值大小、變化規律及其對定位結果的影響,讓學生對誤差處理獲得感性認識。在導航定位精度評價時,可將地心地固系下抽象的三維坐標轉換至更為直觀、易于理解的站心直角坐標系(平面與高程方向),加深學生對教學內容的理解。

實踐教學是一種復習和鞏固先前理論教學內容的重要教學方式,也是培養學生實際動手能力的有效環節。上機實習統一安排在我院導航工程實驗室進行,實驗室為學生提供了優良的硬件設備和軟件資源。實習內容涉及RINIEX格式文件(包括GNSS觀測文件和導航電文)的讀寫、組合觀測值的構造與計算、普通單點定位與精密單點定位、模糊度解算、靜態與動態相對定位。常用的高精度GNSS數據處理軟件有美國麻省理工學院和加州大學圣地亞哥分校海洋研究所研制的GAMIT、瑞士伯爾尼大學研制的Bernese、美國噴氣動力實驗室研制的GIPSY、武漢大學研制的PANDA以及TriP等軟件[2]。考慮到這些軟件主要面向具有一定經驗的工程技術和科研人員,不適于本科生入門階段的學習,且軟件資源不易獲得。因此,本課程利用兩款開放獲取的GNSS數據處理軟件包開展實踐教學。其中一款是由西班牙加泰羅尼亞理工大學研制的gLAB軟件[3],另外一款則是由日本東京海洋大學研制的RTKLib軟件[4]。兩款軟件均可從官網免費獲取,且提供豐富、友好的交互式界面,甚至還提供基礎程序的源代碼,非常適合本課程的實踐教學。

實踐教學環節,教師應當重視實習內容的準備和結構安排,遵循“循序漸進、深入淺出、啟發學生思維”的原則。上機實習之前,讓學生明確本次實習的目標和任務,教師在場控制學生實習的進度,幫助學生解決實踐過程中遇到的問題。實習的內容(算例)從簡單到復雜,可分為入門算例、進階算例和提高算例三個環節。初始階段的入門算例可圖文并茂,詳細介紹數據處理的流程和步驟。進階實習算例則建議采用問題引導式、啟發式由學生自主完成。提高階段的算例則安排一些難點問題留給學生在課后自行完成。

3　教學總結與思考

1) 區別于衛星導航原理課程

正如前文所述,衛星導航原理是本課程的前導專業基礎課,兩門課程之間有一定的交叉。實際教學過程中,應特別注意兩門課程的內容設置,避免知識點遺漏或過度重疊。經課程組反復討論,衛星導航原理課程重點講授衛星導航系統的組成、信號結構、誤差源、導航定位的基本模型,以及GNSS應用簡介。本課程則側重于實際的數據處理理論、模型與算法,特別是結合當前GNSS多頻多系統的發展與時俱進。

2) 重視教學方法

無論是在理論教學,或實踐教學環節,都需要營造一個開放的學習和交流環境,讓學生成為課堂的主角。由于本課程的理論性較強,涉及許多模型與公式推導,教師應重視課堂板書。此外,教師還應當充分利用多媒體工具和互聯網資源促進學生對課程內容的消化和吸收。

3) 加快面向導航工程專業的教材建設

我校導航工程專業主要依托測繪學院“衛星導航定位系列課程教學團隊”。該團隊是一個國家級教學團隊,由其編寫的《GPS測量與數據處理》很好地滿足了測繪工程專業GPS原理及其應用、GPS測量數據處理這兩門課程的教材需求,并在一定程度上支撐了導航工程專業衛星導航數據處理方法這門課程的授課需求。隨著衛星導航定位技術的發展,亟需一本能夠體現導航工程專業特色且與本課程高度吻合的教材來填補現階段的空白。在課程組的組織與努力下,面向導航工程專業的系列教材(包括衛星導航數據處理方法)編寫工作已逐步開展起來,有望近期出版。

4　結束語

我校導航工程專業自開辦以來,已連續招生4年。面向導航工程專業開設的衛星導航數據處理理論與方法課程也已開課2年,前期已經取得了較好的教學效果,達到了預期的教學目標,并積累了一定的教學經驗。盡管如此,面向導航工程專業的衛星導航數據處理理論與方法課程建設與探討才剛剛起步,未來任重而道遠。

[1]徐曉華,黃勁松,周曉慧,等. 關于建設導航工程專業衛星導航原理課程的思考[J]. 科教導刊,2013(36): 108-109

[2]郭斐. GPS精密單點定位質量控制與分析的相關理論和方法研究[D]. 武漢:武漢大學,2013

[3]SANZ J, ROVIRA-GARCIA A, HERNANDEZ M. The ESA/UPC GNSS-lab tool (gLAB): An advanced educational and professional package for GNSS data processing and analysis[C]//6th ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies Multi-GNSS Navigation Technologies. Noordwijk, the Netherlands. December 2012.

[4]TAKASU T. RTKLIB: Open source program package for RTK-GPS[C]//FOSS4G 2009 Tokyo, Japan, November 2, 2009.

The Practice and Reflectionson the Course Construction of Data Processing Method of Satellite Navigation for the Specialty of Navigation Engineering

GUO Fei1,LIU Wanke1,LOU Yidong2,ZHANG Xiaohong1

(1.SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China; 2.GNSSResearchCenterofWuhanUniversity,Wuhan430079,China)

This paper first introduces the newly established specialty of Navigation Engineering in Wuhan University. Then the practice and some reflections on the course construction of Data Processing Method of Satellite Navigation are discussed from the aspects of teaching objective, curriculum contents, and teaching methods.

Specialty of navigation engineering; data processing method of satellite navigation; course construction

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.026

2016-05-30

武漢大學測繪學院本科專業綜合改革教學研究項目(編號:201210)

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0120-03

郭斐(1984-),男，博士,講師,主要從事GNSS衛星導航定位技術及其應用的教學與研究工作。

聯系人： 郭斐 E-mail: fguo@sgg.whu.edu.cn