淺析《GPS測量原理與應(yīng)用》教學(xué)中程序設(shè)計的重要性

常亮　郭立新　馮貴平

【摘 要】討論了近年來在《GPS測量原理與應(yīng)用》課程教學(xué)中進行程序設(shè)計作業(yè)的重要性，并列舉了幾個“逆向思維”教學(xué)實例，總結(jié)了課程教學(xué)中存在的一些問題，并提出了今后的改進方法。

【關(guān)鍵詞】GPS；教學(xué)；程序設(shè)計

0 前言

自20世紀70年代初期全球定位系統(tǒng)（GPS）誕生以來，GPS已廣泛應(yīng)用于大地測量學(xué)、地球動力學(xué)、地球物理學(xué)、天體力學(xué)、載人航天學(xué)、全球海洋學(xué)和全球氣象學(xué)等領(lǐng)域，涵蓋了軍事國防、智能交通、郵電通信、礦業(yè)、石油、建筑、農(nóng)業(yè)、氣象、土地管理、環(huán)境監(jiān)測、金融、公安等部門和行業(yè)[1]。為滿足人才培養(yǎng)目標需求，各高校的測繪類專業(yè)在制訂培養(yǎng)計劃時，都將《GPS測量原理與應(yīng)用》課程放在重要位置。同時，自上海海洋大學(xué)成立海洋測繪專業(yè)以來，《GPS測量原理與應(yīng)用》課程就成為該專業(yè)的一門必修課程。

然而，由于該課程所涉及到的各專業(yè)理論廣泛且復(fù)雜，技術(shù)性強，而且隨著世界各國對衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的重視與投入逐步加大，包括GPS在內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用相關(guān)的知識點更新較快，并與多學(xué)科交叉，導(dǎo)致其在實際教學(xué)中存在一定的難度。因此，在《GPS測量原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)中，如何讓學(xué)生更好地理解相關(guān)理論，提高課程的教學(xué)質(zhì)量，是值得教師認真思考的問題。通過過去幾年上海海洋大學(xué)海洋測繪專業(yè)《GPS測量原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)實踐與嘗試，本文就實際教學(xué)中所實行的程序設(shè)計作業(yè)的重要性進行探討，為進一步提高學(xué)生的接受能力，并下一步繼續(xù)開展教學(xué)改革打下基礎(chǔ)。

1 程序設(shè)計教學(xué)實例

在進行《GPS測量原理與應(yīng)用》課程的講授中，首先會根據(jù)上課班級的學(xué)生總?cè)藬?shù)對學(xué)生進行分組。分組的具體方法可以采取自愿組合的方式，每組3到4人，這樣方便后面進行任務(wù)分配以及對學(xué)生的掌握情況進行考核。

1.1 GPS坐標轉(zhuǎn)換

GPS坐標轉(zhuǎn)換是進行GPS數(shù)據(jù)處理及相關(guān)應(yīng)用的重要步驟。在課堂上進行講授時，學(xué)生往往難以深刻認識到轉(zhuǎn)換過程中所需要注意的問題。例如，在進行WGS84空間直角坐標系到大地坐標系的轉(zhuǎn)換過程中，需要學(xué)生能運用所學(xué)的數(shù)學(xué)知識進行迭代處理，已精確求出對應(yīng)的大地緯度。但是，如果沒有要求學(xué)生實際進行轉(zhuǎn)換，學(xué)生往往由于惰性或其他方面的原因，將這個問題一帶而過。此外，通過坐標轉(zhuǎn)換，還可以考察學(xué)生對相關(guān)知識點的認識與理解能力。比如在利用我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行坐標估計時，為實現(xiàn)其得到的大地坐標系與空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換，這就需要學(xué)生能認識CGCS2000與WGS84之間的聯(lián)系與區(qū)別。

除了空間直角坐標系到大地坐標系之間的轉(zhuǎn)換外，還有空間直角坐標系與站心直角坐標系之間的轉(zhuǎn)換問題。一般地，我們可以選取常用的北東天（NEU）這一特殊的站心直角坐標系為例來進行學(xué)習(xí)。實踐證明，通過給學(xué)生布置程序設(shè)計更能讓學(xué)生加深對坐標轉(zhuǎn)換中具體過程及注意事項的理解。

1.2 GPS衛(wèi)星星歷計算

為了加深學(xué)生對GPS衛(wèi)星坐標的理解，我們通過實驗課的時間，為學(xué)生講解了GPS儀器的操作和GPS原始數(shù)據(jù)的采集方法，并要求學(xué)生根據(jù)自己采集的廣播星歷，根據(jù)書本上提供的GPS衛(wèi)星坐標計算的原理，自己動身設(shè)計GPS衛(wèi)星的位置計算程序。一方面，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，另一方面，又通過學(xué)生進行程序設(shè)計，加深了學(xué)生對導(dǎo)航文件中設(shè)計的參數(shù)的理解。此外，在通過導(dǎo)航文件進行參數(shù)的提取了，還可以讓學(xué)生來認識和理解GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的RINEX格式。

1.3 GPS偽距單點定位

在課程進行到后半段時，可以布置這樣一個綜合性相對高點的題目讓學(xué)生們?nèi)ネ瓿伞Ｔ谶M行GPS偽距單點定位的程序設(shè)計時，需要學(xué)生對整個GPS數(shù)據(jù)格式，GPS基本觀測量，GPS衛(wèi)星精密星歷產(chǎn)品和GPS衛(wèi)星精密鐘差產(chǎn)品等概念有較為深刻的認識和理解。考慮到衛(wèi)星星歷的時間分辨率較低，如果進行任意時刻的定位就需要對GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差進行插值，這無疑增加了對本科生的要求和程序設(shè)計的難度。

為此，可以首先學(xué)生采用國際GNSS服務(wù)組織（IGS）提供的間隔15分鐘的后處理精密星歷產(chǎn)品，并以15分鐘的時間間隔來進行偽距單點定位結(jié)果估計。相應(yīng)如果學(xué)生能夠完整地實現(xiàn)這項程序設(shè)計，那么對GPS相關(guān)概念的理解，相關(guān)問題的認識等會上升到一個新的臺階。

2 尚存在問題

經(jīng)過幾個學(xué)期的程序設(shè)計教學(xué)摸索，整體上提高了學(xué)生在《GPS測量原理與應(yīng)用》學(xué)習(xí)中的積極性和主動性，但是我們認為還存在以下幾個問題，需要在后續(xù)的教學(xué)實踐中進一步改進：

2.1 如何更科學(xué)地進行分組已更好地完成程序設(shè)計內(nèi)容

雖然在分組之初我們要求每個組的學(xué)生必須承擔(dān)一定的任務(wù)。然而，在進行程序設(shè)計匯報時我們發(fā)現(xiàn)，雖然每個組都會完成要求的程序設(shè)計，但是在相當(dāng)多的小組中，僅部分人參與了方案的設(shè)計和程序的編寫，另一部分同學(xué)則處于游離狀態(tài)。

2.2 如何杜絕抄襲網(wǎng)上已有程序的現(xiàn)象

GPS在我國的發(fā)展已有幾十個年頭，在相關(guān)高等院校的教學(xué)也取得了長足發(fā)展。同時，在互聯(lián)網(wǎng)越來越發(fā)達的今天，網(wǎng)上能獲取的與GPS相關(guān)的程序代碼也越來越多。在《GPS測量原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)中，我們后來發(fā)現(xiàn)有一部分同學(xué)交來的程序設(shè)計作業(yè)中有一大部分內(nèi)容均為網(wǎng)絡(luò)獲取得到的，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，嚴重偏離了我們設(shè)計這種教學(xué)方案的初衷。因此，后續(xù)教學(xué)中，我們應(yīng)加強學(xué)生對網(wǎng)上抄襲這方面的管理與引導(dǎo)，更好地調(diào)動學(xué)生的積極性。

3 結(jié)論

在本文中，對上海海洋大學(xué)《GPS測量原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)實踐過程中的程序設(shè)計教學(xué)方法進行了探討，并針對存在的一些問題進行了總結(jié)。其最終目的是為了改善《GPS測量原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，增強與鞏固學(xué)生對GPS的認識與理解。接下來幾年的時間，隨著我國北斗和歐盟GALILEO等GNSS系統(tǒng)的進一步發(fā)展與完善，我們還將就改善程序設(shè)計教學(xué)方法，為提高同學(xué)們對多衛(wèi)星星座在相關(guān)方面的認識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(yīng)用（第三版）[M].武漢大學(xué)出版社，2008.

[責(zé)任編輯：王楠]