衛(wèi)星導(dǎo)航定位課程教學(xué)研究與實(shí)踐

摘 要：本文針對(duì)非大地測量專業(yè)研究生衛(wèi)星導(dǎo)航定位課程的教學(xué)內(nèi)容和授課模式進(jìn)行了探討，在傳統(tǒng)的課堂授課的基礎(chǔ)上，增加了專題講座與課堂討論，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)踐表明，該方式對(duì)學(xué)生深入掌握衛(wèi)星導(dǎo)航定位概念和原理起到了較好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：課程教學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位 研究 實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

作者簡介：鄢建國（1980-），男，湖北仙桃人，副教授，研究方向?yàn)樾l(wèi)星大地測量。

《衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)》是面向地理信息系統(tǒng)、遙感專業(yè)研究生的一門專業(yè)選修課。該課程內(nèi)容覆蓋面廣，授課內(nèi)容包括衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位基本原理與算法、時(shí)間與坐標(biāo)系統(tǒng)基本理論、導(dǎo)航定位誤差源、周跳與整周模糊度解算，以及測量數(shù)據(jù)模型及其組合。衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用廣泛且發(fā)展迅速，考慮到學(xué)生的專業(yè)背景以及知識(shí)需求，對(duì)課程的教學(xué)模式進(jìn)行了深入思考，以區(qū)別于常規(guī)的逐課講授，達(dá)到最佳的教學(xué)效果。

1 課程的教學(xué)目的

該課程的主要授課對(duì)象為地理信息系統(tǒng)和遙感專業(yè)的研究生，學(xué)習(xí)該課程的目的是加強(qiáng)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的了解與認(rèn)識(shí)，為研究工作中涉及到的導(dǎo)航定位技術(shù)問題提供基礎(chǔ)。基于這一考慮，授課中以基本概念、基本原理為重點(diǎn)，介紹衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)，以及與相關(guān)學(xué)科的結(jié)合。在這一課程的講述中，以最成熟的全球定位系統(tǒng)（GPS， Global Positioning System）為例進(jìn)行了講解。

2課程的主要內(nèi)容

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)內(nèi)容龐大，涉及到了大量的幾何大地測量和天文學(xué)的基本概念，非大地測量專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有一定困難。為了使學(xué)生能較好地掌握授課內(nèi)容，在教學(xué)上依照“以點(diǎn)帶面、前后呼應(yīng)”的原則。依照這一原則，將授課內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分：

1. 衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)。該授課內(nèi)容為一綜述性質(zhì)，目的是擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，同時(shí)激發(fā)學(xué)生對(duì)這一領(lǐng)域的興趣與愛好。在講解是，重點(diǎn)講述了衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在導(dǎo)航和定位兩個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。導(dǎo)航針對(duì)的用戶為低精度用戶，在不同的載荷平臺(tái)，比如手機(jī)、車輛、無人機(jī)等有廣泛的應(yīng)用。以手機(jī)用戶為例，通過實(shí)時(shí)定位，可以和電子地圖結(jié)合起來進(jìn)行導(dǎo)航，這與地理信息系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)生研究方向較為吻合。對(duì)于定位則主要給出了國家陸太網(wǎng)絡(luò)、三峽大壩形變監(jiān)測、地震監(jiān)測等例子，突出了導(dǎo)航定位系統(tǒng)在當(dāng)今地球科學(xué)中的廣泛應(yīng)用和重要地位。最后對(duì)GPS之外的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)，歐洲的GALILEO系統(tǒng)和我國的北斗系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，讓學(xué)生對(duì)當(dāng)前的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有更為深刻的認(rèn)識(shí)；

2. 時(shí)間與坐標(biāo)系統(tǒng)。這一部分是大地測量學(xué)科和天文學(xué)的基本理論知識(shí)，具有重要的地位。對(duì)這一部分的講解主要是彌補(bǔ)非大地測量專業(yè)學(xué)生在該知識(shí)點(diǎn)上的不足。對(duì)于大部分地理信息系統(tǒng)和遙感專業(yè)的學(xué)生來說，接觸到的時(shí)間系統(tǒng)局限于北京時(shí)，坐標(biāo)則為我國北京54或西安80坐標(biāo)系統(tǒng)。在授課中，對(duì)時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的描述，以恒星時(shí)和太陽時(shí)進(jìn)行了分類，給出了平時(shí)間系統(tǒng)和瞬時(shí)時(shí)間系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及基于天文觀測的時(shí)間系統(tǒng)和原子時(shí)標(biāo)的融合。通過這一部分的介紹，學(xué)生能對(duì)時(shí)間系統(tǒng)建立較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的講解類似，在講解中，同時(shí)貫穿描述坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換中需要的轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解，以及衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在其中起到的作用，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)科學(xué)應(yīng)用的感性認(rèn)識(shí)；

3. 測量模型與觀測值組合。以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)射的載波和偽距信號(hào)為例，講解了衛(wèi)星導(dǎo)航定位的基本工作原理，讓學(xué)生建立基于衛(wèi)星開展導(dǎo)航定位的基本算法模型。通過偽距給出的簡單定位模型，引入載波相位的測量模型。結(jié)合無線電信號(hào)的傳播特征，給出了周跳和整周模糊度的概念，讓學(xué)生明確了衛(wèi)星導(dǎo)航定位的優(yōu)勢(shì)，以及需要客服的難點(diǎn)。基于單個(gè)衛(wèi)星和測站測量模式的介紹，推廣給出了衛(wèi)星和測站之間的差分組合測量模式，建立了不同組合模式具有的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)，給出了不同頻率和不同測量類型（偽距測量和相位測量）之間的組合。通過這一部分的講解，可以讓學(xué)生建立清晰的定位的概念，同時(shí)引出問題，為后續(xù)授課做好鋪墊；

4. 誤差模型修正以及周跳和整周模糊度解算。在前面授課的基礎(chǔ)上，針對(duì)高精度導(dǎo)航定位，給出了不同類型的誤差，以及相應(yīng)的模型修正。衛(wèi)星導(dǎo)航定位中最主要的誤差源包括接收機(jī)、衛(wèi)星鐘差和傳播路徑時(shí)延。結(jié)合信號(hào)傳播特征，給出了電離層和對(duì)流層的誤差影響特征以及模型修正公式，同時(shí)呼應(yīng)測量值組合中消除電離層的內(nèi)容，通過這種前后呼應(yīng)的授課模式，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的理解和掌握。針對(duì)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)處理中的核心問題，周跳探測與整周模糊度修復(fù)，進(jìn)行了較為細(xì)致的講解。考慮到學(xué)生的背景，側(cè)重講解了解算方法的原理和實(shí)現(xiàn)方式，弱化了復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論部分。

除了以上四個(gè)核心部分之外，還穿插安排了講座報(bào)告，進(jìn)一步拓展學(xué)生的視野。教學(xué)實(shí)踐表明，基于“一點(diǎn)帶面、前后呼應(yīng)”的原則，在授課中通過給出一個(gè)關(guān)鍵的知識(shí)要點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，同時(shí)在不同授課內(nèi)容中前后呼應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)該課程的基本概念、基本原理的順利掌握，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有一清晰的認(rèn)識(shí)，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

3 授課模式改進(jìn)

對(duì)非大地測量專業(yè)的學(xué)生而言，單純的基礎(chǔ)理論授課顯得較為枯燥，對(duì)于知

識(shí)的接受和掌握會(huì)帶來困擾。基于這一考慮，我們?cè)谑谡n中采用了以下兩個(gè)方式來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

1. 結(jié)合授課內(nèi)容和學(xué)生專業(yè)背景，邀請(qǐng)領(lǐng)域?qū)＜易鰣?bào)告

通過邀請(qǐng)領(lǐng)域?qū)＜易鰧ｎ}報(bào)告，是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，了解該領(lǐng)域最前沿的研究問題和研究熱點(diǎn)的重要途徑。考慮到衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在不同領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，我們邀請(qǐng)了研究南極動(dòng)力學(xué)的專家，做衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在南極科學(xué)中的應(yīng)用的報(bào)告。該報(bào)告給出了GPS在南極Dome A地形測量和冰流速測量中的應(yīng)用，以及取得的重要成果，同時(shí)給出了GPS在南極氣象、電離層、遙感影像等中的應(yīng)用，有效地激發(fā)了學(xué)生的興趣。

2. 根據(jù)學(xué)生自己的專業(yè)特點(diǎn)，進(jìn)行課題討論和講解

除了正常的授課，針對(duì)學(xué)生的興趣與關(guān)注點(diǎn)，在課堂上針對(duì)不同的知識(shí)點(diǎn)，開展了廣泛的討論。針對(duì)一個(gè)學(xué)生從事無人機(jī)影像獲取的研究課題，開展討論了衛(wèi)星導(dǎo)航定位在無人機(jī)中的使用，以及如何提高其定位精度，以降低對(duì)地面控制點(diǎn)數(shù)目的需求。通過這一案例討論，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位里面高精度數(shù)據(jù)處理方式和算法的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步鞏固了課堂上所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)。類似的討論還包括資源三號(hào)衛(wèi)星姿態(tài)的處理，該問題不直接涉及到導(dǎo)航定位，但衛(wèi)星定姿問題以用經(jīng)典的大地測量和天文測量手段予以解決。通過這一問題的討論，可以加強(qiáng)對(duì)恒星歷表、坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)等課題講述中涉及到的概念的深化理解。

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