淺析《GPS測量原理與應用》教學中程序設計的重要性

常亮　郭立新　馮貴平

【摘 要】討論了近年來在《GPS測量原理與應用》課程教學中進行程序設計作業的重要性，并列舉了幾個“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；程序設計

0 前言

自20世紀70年代初期全球定位系統（GPS）誕生以來，GPS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[1]。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》課程放在重要位置。同時，自上海海洋大學成立海洋測繪專業以來，《GPS測量原理與應用》課程就成為該專業的一門必修課程。

然而，由于該課程所涉及到的各專業理論廣泛且復雜，技術性強，而且隨著世界各國對衛星導航領域的重視與投入逐步加大，包括GPS在內的衛星導航原理與應用相關的知識點更新較快，并與多學科交叉，導致其在實際教學中存在一定的難度。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相關理論，提高課程的教學質量，是值得教師認真思考的問題。通過過去幾年上海海洋大學海洋測繪專業《GPS測量原理與應用》課程的教學實踐與嘗試，本文就實際教學中所實行的程序設計作業的重要性進行探討，為進一步提高學生的接受能力，并下一步繼續開展教學改革打下基礎。

1 程序設計教學實例

在進行《GPS測量原理與應用》課程的講授中，首先會根據上課班級的學生總人數對學生進行分組。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分配以及對學生的掌握情況進行考核。

1.1 GPS坐標轉換

GPS坐標轉換是進行GPS數據處理及相關應用的重要步驟。在課堂上進行講授時，學生往往難以深刻認識到轉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換過程中，需要學生能運用所學的數學知識進行迭代處理，已精確求出對應的大地緯度。但是，如果沒有要求學生實際進行轉換，學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，通過坐標轉換，還可以考察學生對相關知識點的認識與理解能力。比如在利用我國北斗衛星導航系統進行坐標估計時，為實現其得到的大地坐標系與空間直角坐標系的轉換，這就需要學生能認識CGCS2000與WGS84之間的聯系與區別。

除了空間直角坐標系到大地坐標系之間的轉換外，還有空間直角坐標系與站心直角坐標系之間的轉換問題。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習。實踐證明，通過給學生布置程序設計更能讓學生加深對坐標轉換中具體過程及注意事項的理解。

1.2 GPS衛星星歷計算

為了加深學生對GPS衛星坐標的理解，我們通過實驗課的時間，為學生講解了GPS儀器的操作和GPS原始數據的采集方法，并要求學生根據自己采集的廣播星歷，根據書本上提供的GPS衛星坐標計算的原理，自己動身設計GPS衛星的位置計算程序。一方面，培養了學生的動手能力，另一方面，又通過學生進行程序設計，加深了學生對導航文件中設計的參數的理解。此外，在通過導航文件進行參數的提取了，還可以讓學生來認識和理解GPS衛星數據的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生們去完成。在進行GPS偽距單點定位的程序設計時，需要學生對整個GPS數據格式，GPS基本觀測量，GPS衛星精密星歷產品和GPS衛星精密鐘差產品等概念有較為深刻的認識和理解?？紤]到衛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衛星星歷和衛星鐘差進行插值，這無疑增加了對本科生的要求和程序設計的難度。

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

2 尚存在問題

經過幾個學期的程序設計教學摸索，整體上提高了學生在《GPS測量原理與應用》學習中的積極性和主動性，但是我們認為還存在以下幾個問題，需要在后續的教學實踐中進一步改進：

2.1 如何更科學地進行分組已更好地完成程序設計內容

雖然在分組之初我們要求每個組的學生必須承擔一定的任務。然而，在進行程序設計匯報時我們發現，雖然每個組都會完成要求的程序設計，但是在相當多的小組中，僅部分人參與了方案的設計和程序的編寫，另一部分同學則處于游離狀態。

2.2 如何杜絕抄襲網上已有程序的現象

GPS在我國的發展已有幾十個年頭，在相關高等院校的教學也取得了長足發展。同時，在互聯網越來越發達的今天，網上能獲取的與GPS相關的程序代碼也越來越多。在《GPS測量原理與應用》課程的教學中，我們后來發現有一部分同學交來的程序設計作業中有一大部分內容均為網絡獲取得到的，這種現象的出現，嚴重偏離了我們設計這種教學方案的初衷。因此，后續教學中，我們應加強學生對網上抄襲這方面的管理與引導，更好地調動學生的積極性。

3 結論

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程序設計教學方法進行了探討，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。接下來幾年的時間，隨著我國北斗和歐盟GALILEO等GNSS系統的進一步發展與完善，我們還將就改善程序設計教學方法，為提高同學們對多衛星星座在相關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測量原理及應用（第三版）[M].武漢大學出版社，2008.

[責任編輯：王楠]