淺析《GPS測量原理與應用》的“逆向思維”教學

常　亮，朱衛東，馮貴平

(1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.遠洋漁業協同創新中心，上海201306)

淺析《GPS測量原理與應用》的“逆向思維”教學

常亮1,2，朱衛東1,2，馮貴平1,2

(1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.遠洋漁業協同創新中心，上海201306)

摘要：討論了近年來在《GPS測量原理與應用》課程教學中對“逆向思維”教學方法的初步認識，列舉了幾個“逆向思維”教學實例，總結了課程教學中存在的一些問題，并提出了今后的改進方法。

關鍵詞：GPS；教學；逆向思維

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.023

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：碼： A

文章編號：號： 1008-9268(2015)03-0091-03

收稿日期：2015-02-10

作者簡介

Abstract:This paper discussed the initial understanding on 'reverse thinking' for 'GPS Surveying Principle and Applications' teaching from recently experiments, enumerated several examples on 'reverse thinking' teaching, summarized some problems on presented teaching, and proposed the corresponding improved methods.

0引言

GPS技術誕生于上世紀70年代初期，最早用于導航、收集情報等軍事目的。經過40多年的發展，基于GPS技術的全能性(陸地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、連續性和實時性的導航、定位和定時功能[1]，其應用已廣泛應用于大地測量學、地球動力學、地球物理學、天體力學、載人航天學、全球海洋學和全球氣象學等領域，涵蓋了軍事國防、智能交通、郵電通信、礦業、石油、建筑、農業、氣象、土地管理、環境監測、金融、公安等部門和行業。在測繪領域中,各種等級控制網的建立、變形監測、工程放樣、地形圖測繪等越來越離不開GPS技術的應用,GPS技術為測繪行業帶來了一場深刻的變革[2]。GPS定位技術的日益廣泛應用，使它成為測繪類專業本科生和研究生的一門必修課程[3]，并逐漸成為相關專業的一門技術基礎課。

為滿足人才培養目標需求，各高校的測繪類專業在制訂培養計劃時，都將《GPS測量原理與應用》課程積極設置為必修課。然而，由于GPS測量的理論知識比較深，涉及的知識面廣，而且GPS定位技術本身也在不斷地快速發展中，相關課程內容學生接觸起來往往難以準確理解。因此，在《GPS測量原理與應用》課程的教學中，如何讓學生更好地理解并接受重點教學內容，不斷提高課程的教學質量，是值得教師認真思考的問題。通過本校《GPS測量原理與應用》課程的教學實踐，本文就實際教學中采用的“逆向思維”教學方法的幾個教學應用實例進行介紹，為下一步繼續開展教學改革打下基礎。

1“逆向思維”教學實例

1.1　GPS定位技術的應用

在大多數與GPS相關的教科書中，為了方便讀者首先對GPS有所了解，均是以GPS的歷史發展、系統組成等內容開始。但是通過幾學期的教學實踐，以及通過學生的反饋，在第一節課的教學中采用“逆向思維”，首先以GPS定位技術的應用實例作為開始。

在GPS應用與日常生活緊密結合的今天，每個學生對GPS都有初步認識。選取的GPS應用實例包括：1) GPS在美軍軍事作戰中應用；2) GPS在智能手機及出租車的導航地圖使用；3) GPS在氣象預報中的應用。選取實例1)是因為GPS最初設計是處于軍事目的，通過相關視頻和圖片的介紹，在講授過程中穿插介紹上世紀冷戰時期，美國GPS和俄羅斯GLONASS在各自系統建設中的博弈，這樣既引起了學生的好奇心，又在實成了GPS系統歷史的學習。在實例2)中，選取日常生活中經常遇到的“去哪？”和“怎么去？”來進行介紹。同時，還要給學生們出“難題”：比如針對在城市郊區利用手機定位時定位精度比較差的導致原因，以及出租車通過隧道時無法定位，有沒有解決方法等，方便提前讓學生對課程中涉及的廣域差分、網絡RTK、偽衛星等內容提前有所期待。實例3)主要是選取學生不太了解的應用領域進行介紹，進一步培養學生對本門課程學習的積極性。通過三個實例的介紹，達到讓學生初步了解GPS的目的，同時讓學生意識到GPS的應用遠比自身了解的多，培養學生對接下來內容的學習激情。

資助項目： 上海市‘揚帆計劃’(編號：14YF1410200)； 上海市教育委員會科研創新項目(編號：14YZ118)； 上海高校青年教師培養資助計劃(編號：A1-2035-14-0010-12)； 上海海洋大學博士科研啟動基金項目 (編號：A-0209-13-0105395、A2-0302-14-300065)

聯系人： 常 亮 E-mail：lchang@shou.edu.cn

1.2　GPS觀測的誤差來源

利用GPS進行導航定位的過程中，會受到衛星部分、信號傳播、信號接收和其他影響等誤差[1]，為了精確確定測量目標的位置、速度等信息，需要消除或盡可能減弱這些誤差源的影響。然而，基于“逆向思維”考慮，正是由于GPS測量過程中的這些誤差影響，推進了GPS技術的發展，使得GPS的及其相關的應用越來越廣泛。

如針對GPS受到的電離層延遲誤差，可以采用雙頻電離層改正模型進行消除。反過來，如果可以準確估計GPS電離層受到的電離層延遲影響，就可以將GPS測量技術用于進行與電離層相關的應用中，比如太陽磁暴、地震前后的電離層異常等等。針對GPS受到的對流層延遲誤差，同樣通過“逆向思維”，已知對流層延遲大小，可以進行大氣水汽含量的估計，并進一步用于開展天氣預報、數據同化等氣象學研究。針對GPS多路徑效應，是當前GPS誤差消除的難點，但是反過來GPS多路徑效應可以應用于地表土壤濕度的估計、雪覆蓋厚度估計和海面波浪探測等方面的應用。針對GPS受到的地球潮汐影響，反過來可以利用GPS觀測來進行GPS驗潮，并進一步用于海洋測繪及海洋科學等領域的應用與研究。基于地球自轉對GPS測量的影響，也可以“逆向”的利用這種誤差信息，來進行地球自轉參數等研究。因此，對GPS觀測的誤差來源進行“逆向思維”教學，有助于幫助學生深刻理解各種誤差源的性質特點和作用規律，并進一步拓展在GPS應用領域的知識面。

2存在問題和改進

經過幾個學期的“逆向思維”教學摸索，在《GPS測量原理與應用》的課程教學中提高了學生學習的積極性和主動性，但是通過近幾年選取GPS相關內容作為本科畢業設計內容的本科論文來看，學生在GPS具體理論和應用方面的認識還存在較明顯的不足，這就要求我們進一步開展GPS實習課程的教學改革，以鞏固《GPS測量原理與應用》的課程教學中的理論知識。在后續的課程教學實踐中，還需要進一步改進存在的以下幾個問題：

1) 如何更好地促進對教學內容的認識與理解。比如進行GPS定位原理的講授時，首先介紹后方交會，然后“逆向”地讓學生學習距離計算的方法，這其中就涉及到衛星坐標的計算，雖然課堂上也會講到衛星坐標的計算方法，但是期末檢驗結果表明，學生對衛星坐標計算的理解還不夠深刻。為了更好地理解教學內容，應該布置小心課程設計，比如自己動手完成數據采集，然后布置一個從采集到的導航文件中計算衛星坐標的設計，這樣就能促進學生對知識的理解與吸收。

2) 針對學校海洋背景，如何進一步培養具有“海洋特色”的GPS教學。目前我校有海洋測繪和空間信息與數字技術兩個專業開設了《GPS測量原理與應用》課程，在后續的課程教學過程中，將有針對性的對GPS與海洋相關的應用進行重點講授，如進行海上導航定位，潮汐測量、海岸帶變化觀測等。

3) 校園課程實習設施的建設亟需加強。目前，校園GPS測量控制網的建設尚未落實，直接導致了學生的GPS測量實習目的性不強。為了進一步鞏固課程教學內容，培養學生的專業技能，接下來將積極推進校園GPS測量控制網的布設。

4) 加強對其他全球衛星導航系統(GNSS)的認識與了解。隨著2012年年底我國北斗衛星導航系統實現在亞太地區的覆蓋，俄羅斯不斷加強GLONASS系統的建設和新型衛星的研制，以及歐盟GALILEO計劃的逐步推進，使得GNSS系統進入“百家爭鳴”的時代。可以遇見，在接下來的幾年中，包括我國北斗在內的其他GNSS系統會進一步融入到我們的日常生活和專業應用中。因此，在后續的課程教學中，還需要緊密關注其他系統的狀態，讓學生在學習時了解第一手的新資訊，加強對GNSS系統的全新認識。

3結束語

在本文中，對上海海洋大學《GPS測量原理與應用》課程的教學實踐過程中的“逆向思維”教學方法與認識進行了探討，并針對存在的一些問題進行了總結。其最終目的是為了改善《GPS測量原理與應用》課程的教學效果，提高教學質量，增強與鞏固學生對GPS的認識與理解。隨著包括GPS、俄羅斯GLONASS、我國北斗和歐盟GALILEO的GNSS系統的進一步發展，對該課程的內容特別是與海洋科學相關的應用范圍還需不斷的更新與擴充，將在今后進行更深入的研究和探索。

參考文獻

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

[2]吳繼忠,李明峰,劉三枝. 《GPS定位技術及其應用》課程實踐教學體系的構建[J]. 全球定位系統，2007，32(3):38-41.

[3]張勤，王利. “GPS測量原理與應用”課程教學研究與改革[J]. 高等理科教育，2007(1):112-114.

常亮(1984-)，男，講師，博士，主要從事衛星大地測量等方向研究。

馮貴平(1988-)，男，講師，博士，主要從事衛星重力學等方向研究。

A Brief Analysis on 'Reverse thinking' Teaching for

'GPS Surveying Principle and Applications'

CHANG Liang1,2, ZHU Weidong1,2, FENG Guiping1,2

(1.CollegeofMarineSciences,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China;

2.CollaborativeInnovationCenterforDistant-WaterFisheries,Shanghai201306,China)

Key words: GPS; teaching; reverse thinking