浅析《GPS测量原理与应用》教学中程序设计的重要性

常亮　郭立新　冯贵平

【摘 要】讨论了近年来在《GPS测量原理与应用》课程教学中进行程序设计作业的重要性，并列举了几个“逆向思维”教学实例，总结了课程教学中存在的一些问题，并提出了今后的改进方法。

【关键词】GPS；教学；程序设计

0 前言

自20世纪70年代初期全球定位系统（GPS）诞生以来，GPS已广泛应用于大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学等领域，涵盖了军事国防、智能交通、邮电通信、矿业、石油、建筑、农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业[1]。为满足人才培养目标需求，各高校的测绘类专业在制订培养计划时，都将《GPS测量原理与应用》课程放在重要位置。同时，自上海海洋大学成立海洋测绘专业以来，《GPS测量原理与应用》课程就成为该专业的一门必修课程。

然而，由于该课程所涉及到的各专业理论广泛且复杂，技术性强，而且随着世界各国对卫星导航领域的重视与投入逐步加大，包括GPS在内的卫星导航原理与应用相关的知识点更新较快，并与多学科交叉，导致其在实际教学中存在一定的难度。因此，在《GPS测量原理与应用》课程的教学中，如何让学生更好地理解相关理论，提高课程的教学质量，是值得教师认真思考的问题。通过过去几年上海海洋大学海洋测绘专业《GPS测量原理与应用》课程的教学实践与尝试，本文就实际教学中所实行的程序设计作业的重要性进行探讨，为进一步提高学生的接受能力，并下一步继续开展教学改革打下基础。

1 程序设计教学实例

在进行《GPS测量原理与应用》课程的讲授中，首先会根据上课班级的学生总人数对学生进行分组。分组的具体方法可以采取自愿组合的方式，每组3到4人，这样方便后面进行任务分配以及对学生的掌握情况进行考核。

1.1 GPS坐标转换

GPS坐标转换是进行GPS数据处理及相关应用的重要步骤。在课堂上进行讲授时，学生往往难以深刻认识到转换过程中所需要注意的问题。例如，在进行WGS84空间直角坐标系到大地坐标系的转换过程中，需要学生能运用所学的数学知识进行迭代处理，已精确求出对应的大地纬度。但是，如果没有要求学生实际进行转换，学生往往由于惰性或其他方面的原因，将这个问题一带而过。此外，通过坐标转换，还可以考察学生对相关知识点的认识与理解能力。比如在利用我国北斗卫星导航系统进行坐标估计时，为实现其得到的大地坐标系与空间直角坐标系的转换，这就需要学生能认识CGCS2000与WGS84之间的联系与区别。

除了空间直角坐标系到大地坐标系之间的转换外，还有空间直角坐标系与站心直角坐标系之间的转换问题。一般地，我们可以选取常用的北东天（NEU）这一特殊的站心直角坐标系为例来进行学习。实践证明，通过给学生布置程序设计更能让学生加深对坐标转换中具体过程及注意事项的理解。

1.2 GPS卫星星历计算

为了加深学生对GPS卫星坐标的理解，我们通过实验课的时间，为学生讲解了GPS仪器的操作和GPS原始数据的采集方法，并要求学生根据自己采集的广播星历，根据书本上提供的GPS卫星坐标计算的原理，自己动身设计GPS卫星的位置计算程序。一方面，培养了学生的动手能力，另一方面，又通过学生进行程序设计，加深了学生对导航文件中设计的参数的理解。此外，在通过导航文件进行参数的提取了，还可以让学生来认识和理解GPS卫星数据的RINEX格式。

1.3 GPS伪距单点定位

在课程进行到后半段时，可以布置这样一个综合性相对高点的题目让学生们去完成。在进行GPS伪距单点定位的程序设计时，需要学生对整个GPS数据格式，GPS基本观测量，GPS卫星精密星历产品和GPS卫星精密钟差产品等概念有较为深刻的认识和理解。考虑到卫星星历的时间分辨率较低，如果进行任意时刻的定位就需要对GPS卫星星历和卫星钟差进行插值，这无疑增加了对本科生的要求和程序设计的难度。

为此，可以首先学生采用国际GNSS服务组织（IGS）提供的间隔15分钟的后处理精密星历产品，并以15分钟的时间间隔来进行伪距单点定位结果估计。相应如果学生能够完整地实现这项程序设计，那么对GPS相关概念的理解，相关问题的认识等会上升到一个新的台阶。

2 尚存在问题

经过几个学期的程序设计教学摸索，整体上提高了学生在《GPS测量原理与应用》学习中的积极性和主动性，但是我们认为还存在以下几个问题，需要在后续的教学实践中进一步改进：

2.1 如何更科学地进行分组已更好地完成程序设计内容

虽然在分组之初我们要求每个组的学生必须承担一定的任务。然而，在进行程序设计汇报时我们发现，虽然每个组都会完成要求的程序设计，但是在相当多的小组中，仅部分人参与了方案的设计和程序的编写，另一部分同学则处于游离状态。

2.2 如何杜绝抄袭网上已有程序的现象

GPS在我国的发展已有几十个年头，在相关高等院校的教学也取得了长足发展。同时，在互联网越来越发达的今天，网上能获取的与GPS相关的程序代码也越来越多。在《GPS测量原理与应用》课程的教学中，我们后来发现有一部分同学交来的程序设计作业中有一大部分内容均为网络获取得到的，这种现象的出现，严重偏离了我们设计这种教学方案的初衷。因此，后续教学中，我们应加强学生对网上抄袭这方面的管理与引导，更好地调动学生的积极性。

3 结论

在本文中，对上海海洋大学《GPS测量原理与应用》课程的教学实践过程中的程序设计教学方法进行了探讨，并针对存在的一些问题进行了总结。其最终目的是为了改善《GPS测量原理与应用》课程的教学效果，提高教学质量，增强与巩固学生对GPS的认识与理解。接下来几年的时间，随着我国北斗和欧盟GALILEO等GNSS系统的进一步发展与完善，我们还将就改善程序设计教学方法，为提高同学们对多卫星星座在相关方面的认识进行更深入的研究和探索。

【参考文献】

[1]徐绍铨，张华海，杨志强，等.GPS测量原理及应用（第三版）[M].武汉大学出版社，2008.

[责任编辑：王楠]