《GPS原理及其应用》--课程申报网站

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课程的主要历史沿革

    萌芽期：《GPS原理及其应用》课程的起源可以追溯到《卫星大地测量学》课程。卫星大地测量学是20世纪50年代末出现的一门新兴学科。它的出现极大地推动了大地测量的迅猛发展，是经典大地测量发展到现代大地测量的标志。文化大革命结束后，在前任院长、学部委员夏坚白教授和李庆海教授等老一辈大地测量学家的关心、指导和支持下，武汉测绘学院很快就开设了这门课程。课程内容以人卫摄影观测，人卫激光观测和卫星多普勒测量等为主。20世界70年代美国开始研制组建新一代的卫星导航定位系统——全球定位系统（GPS）。由于GPS定位技术具有全天候、高精度、自动化、定位速度快、测站间无需通视，可同时测定点的三维坐标，仪器体积小、重量轻、能耗低、价格便宜等优点，课程组敏锐地觉察到这种新型的卫星定位技术必然会在测量领域内得到广泛应用，成为一种先进而实用的定位方法。因而课程组就密切注意该系统的研制组建过程以及GPS定位技术的发展情况，及时将收集到的资料补充到《卫星大地测量学》中，成为其中的一章，向学生进行介绍。这一时期是本课程的萌芽期。

    成长期：随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的不断拓宽，我们越来越认识到有必要把这部分内容从卫星大地测量中分离出来，单独开设一门课。1987年李征航、王跃虎编写了讲义《全球定位系统及其在测量中的应用》，并率先在国内开设了这门课程。此后又根据学科的发展情况以及我们对课程的内容和要求等问题认识的逐步加深，先后对教材作了多次补充修改，于1990年编写了讲义《GPS卫星定位原理》，1992年编写了教材《全球定位系统原理及其应用》，并对课程内容和学时数作了相应的调整。这一时期是不断对课程（教材）进行补充和修改，使之逐步成熟的时期，不妨将其称为“成长期”。

    成熟和定型期：在历时20年，耗资300亿美元之后，全球定位系统终于1993年建成并正式投入使用。由刘基余、李征航等人编著的教材《全球定位系统及其应用》也已由测绘出版社出版，被多所大学采用作为教材。该教材获全国测绘类优秀教材二等奖和湖北省科技进步奖。为满足不同专业的需要，课题组的老师还先后出版了《GPS测量原理及应用》（徐绍铨，王泽民与外校合编），《GPS导航定位原理与方法》（刘基余），《GPS测量与数据处理》（李征航，黄劲松）等教材，以及实习指导书《GPS测量操作与数据处理》（魏二虎，黄劲松）。本课程的培养目标、教学大纲和教学计划等也基本成熟，定型。当然随着学科的发展及学时数的变化，我们还需要不断地对课程内容及教学计划进行修改和调整。

    近20年来先后主讲本课程的老师有刘基余、施品浩、刘经南、王跃虎、蔡宏翔、向虎雏、桑吉章（上述人员部分已退休，调离课程组或去世）及现课程组成员李征航、黄劲松、魏二虎、姜卫平、张小红、王泽民、苏新洲、徐晓华、罗佳、朱智勤、王甫红、姚宜斌、吴云等人。在此期间，课程组的老师除了为社会培养数以千计的本科生外，还举办了数十期GPS培训班，为生产、科研、教学单位培养了急需的相关人才，为测绘领域普及推广GPS定位技术做了人才上的准备。与此同时课程组人员还积极参与承担了我国重大科研项目和服务于国民经济的重大应用项目，如“国家GPS卫星跟踪网的方案设计”、“国家高精度GPS控制网的布设方案、施测技术和数据处理”、“分布式广域差分GPS定位系统方案研究”、“清江隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统研究”等，并不断将上述成果补充、充实到课程中去。

    本课程的开设，也成为改造和建设传统大地测量专业的一个重要内容。“跟踪学科发展前沿，改造和建设大地测量专业的研究和实践”1997年获湖北省优秀教学成果一等奖，和国家教学成果一等奖，其五位成员徐绍铨，刘基余，刘经南，李征航，王泽民均为本课程组成员，前两位现已退休。本课程于1999年被评为武汉测绘科技大学一类课程，2003年被评为湖北省优质课程，2006年被评为湖北省精品课程。

教学内容

一、课程在本专业中的定位与课程目标

武汉大学是教育部直属的一所重点综合性大学，生源质量好。其本科人才培养目标是：培养适应经济和社会发展需要的厚基础，宽口径，高素质，强能力的创造、创新、创业复合型人才。本课程是理工科专业的一门专业基础课。本课程的目标是：使学生具有较为坚实的理论基础和较宽广的相关知识；具有较强的动手能力，以满足今后专业课程学习的需要，为进一步深造（读研究生、出国学习等）奠定坚实的基础。
本课程主要介绍全球定位系统GPS产生和发展的过程；GPS系统的组成和卫星信号结构；GPS定位中的主要误差源以及消除削弱各种误差影响的方法和措施；测定卫星到接收机间的距离的方法，GPS定位的原理和各种定位模式。通过本课程的理论学习及实践教学，使学生掌握GPS导航定位的基本原理、作业模式和操作方法，为学生毕业后参加生产作业和科学研究打下坚实基础。

二、知识模块顺序及对应的学时

GPS原理及其应用》理论课堂教学（共36学时）
第一章	绪论（4学时）
	GPS的产生、发展，GPS在各领域中的应用，美国政府的GPS政策，其他卫星导航定位系统的概况
第二章	全球定位系统的组成和信号结构（8学时）
	全球定位系统的组成，卫星的信号结构，卫星位置计算
第三章	GPS定位中的误差源（10学时）
	误差分类，钟误差，相对论效应，卫星星历误差，电离层延迟，对流层延迟，多路径误差，其他误差改正
第四章	距离测量与GPS定位（14学时）
	利用测距码测定卫地距，载波相位测量，观测值的线性组合，周跳探测及修复，整周模糊度的确定，单点定位，相对定位，差分GPS

说明：按本科培养方案，数据采集和数据处理将在“GPS数据处理”中介绍。

三、课程重点、难点及解决办法

1.课程的重点

子午卫星系统的局限性，美国政府的GPS政策，GPS系统的组成及信号结构，电离层延迟，对流层延迟及多路径误差，如何用测距码来测定伪距，载波相位测量，观测值的线性组合，周跳的探测及修复，整周模糊度的确定，单点定位，相对定位，差分GPS。

2.课程难点

GPS卫星的信号结构，利用测距码进行伪距测量，载波相位测量，观测值的线性组合，周跳的探测及修复，整周模糊度的确定。

3.解决办法

由于学生此前对扩频技术，码分多址技术，卫星星历，码相关技术等并不了解，因而在上课时必须适当补充一些必要的背景知识。
运用多媒体、录像资料，交互式软件等多种教学手段，通过较为形象和直观的方法，使学生理解一些难懂的原理和复杂的过程。
课堂上进行深入浅出的讲解，课后再通过作业和实习等手段来加深学生对难点问题的理解。

四、实践教学的设计思想与效果

1、实践教学的设计思想

GPS原理及其应用是测绘类专业的一门应用型专业基础课程，也是一门实践性很强的课程，实践教学是该课程的重要教学环节，其重点在于培养学生的实际动手能力和理论联系实际的能力。通过实践教学环节，不但能够让学生掌握基本的软、硬件使用操作方法和GPS测量项目的作业流程，而且能够加深学生对所学专业理论知识的理解。理论和实践的紧密结合和相互渗透，是本课程的特色之一。

2、实践教学效果

（1）实践教学具备的平台

通过重点学科建设和211工程的资金以及国内外各大接收机生产厂商的捐助，学校拥有供课程组使用的各种类型的GPS接收机近50台，并且配备了几乎所有主流的GPS数据处理软件。课程组编写了实习教材和实习教学大纲。实习指导教师为每一期实习编写了详细的实习任务指导书，并制作了相关的教学课件。这些都为本课程的实践教学提供了良好的平台。

（2）实践教学的环节

实践教学的环节包括课间实习和集中实习两部分。课间实习穿插于课堂教学之中，通过教师对有关仪器、软件等的讲解与演示，帮助学生理解课堂教学所学的理论知识。如：通过GPS接收机操作的演示，让学生了解相关的仪器设备；通过进行卫星可见性预报和观测时段表编制等，深化学生对GPS卫星星座的认识；通过数据处理软件的使用，加深学生对GPS定位原理的理解等。集中实习安排在学生完成理论课学习之后，具体内容和过程完全按照GPS测量工程的要求进行，分为设计、观测、处理和总结等四个阶段。通过集中实习，使学生系统地掌握GPS测量作业的流程，并将理论课上所学的知识用于解决在实习中所遇到的具体问题。

（3）实践教学效果

多年的实践教学表明，实践教学不仅有助于学生深入理解课堂所学的基本理论和方法，掌握GPS测量的基本技能，而且激发了学生的学习热情和积极性，明显提高了教学质量，是培养知识面宽、动手能力强、能很快适应社会需求的高素质学生的有效途径。

教学条件

1. 教材与相关资料

     课程组成员结合多年来在本领域的科研和教学经验，参考了国内外大量的资料，编著出版了“GPS测量原理与数据处理”、“GPS测量原理及应用”、“GPS导航定位原理与方法”和“GPS测量操作与数据处理”等多种教材，分别用于理论课和实践课教学。教材引入了课程所涉及领域的最新内容，如欧洲Galileo、中国北斗、网络RTK、连续运行参考站等。
     除了实习教材外，还专门针对学校所拥有的软、硬件设施，编写了实习补充资料，详细介绍软、硬件操作流程，可供学生在独立练习时参考。
     学校图书馆收藏了大量的国内外相关教材、专著和期刊，可供学生课后阅读参考。同时，学校还订购了大量的网上电子资源，学生可通过网络访问。另外，还通过网站，结合授课内容，向学生提供经典的网上资源，供学生课后自学参考。

2. 实践教学条件

(1) 实习场地
武汉大学占地约5600亩，区域内平地、山丘、湖泊等各种地形丰富，校内和周边路网也较为复杂。我们的实习场地就选在整个校园及周边地区。在这种环境中进行GPS测量定位实习，可提高学生应付作业过程中突发事件（如无法按时到达指定地点、观测条件不佳、电源问题、数据链中断等）的能力，整个实习过程更为贴近工程实际。

(2) 仪器设备
学校拥有各种类型的GPS接收机近50台，其中许多为最新型的仪器，包括双频双系统的接收机，可以满足4~5个小班的学生同时进行静态测量、动态测量的实习和课后自行练习的需要。
除了以上仪器设备外，还几乎拥有目前所有主流的GPS数据处理软件，可供学生在实习期间和课后自行练习时使用。

3. 网络教学环境
学校具有良好的网络设施，每个学生宿舍也都安装有电话，学生可在图书馆、学院学生机房通过校园网或在宿舍通过拨号上网的方式访问所提供的网络服务。我们目前提供的网络资源包括：课件、电子图书、网上交流等。

教学方法与教学手段

1. 教学方法

    (1) 理论与实际相结合。根据本课程的内容涉及目前科技和应用的前沿这一情况，在授课过程中穿插大量工程、系统建设和系统应用的实例，如结合教师的科研项目和工程实践，适时穿插介绍一些有趣且有意义的内容，包括在外业观测过程中如何应对突发事件，在数据处理过程如何发现质量存在问题的数据，如何通过适当的方法改善处理结果的质量等。另外，还结合最新的进展和事件介绍课程的内容，如通过海湾战争、科索沃战争介绍GPS的军事应用、GPS信号的干扰与抗干扰技术等，激发了学生对课程的学习兴趣。
    (2) 引入最新资料。由于以GPS为代表的卫星导航系统仍在不断地发展，我们在教学过程中，随时根据授课内容引入最新的资料。如在介绍GPS的组成时，就向学生介绍最近的卫星星座及卫星的工作状态等，使学生感到教学内容非常贴近现实。
    (3) 演示和参观。在首次上课时，安排GPS观测及数据处理流程的演示，使学生一开始就对GPS测量的流程有一个一般性的认识。思维活跃的学生还会提出疑问，同时，教师也提出一些问题供学生思考，从而使学生带着这些疑问来听后面的课程，并在听课过程中逐渐得到解答。
    (4) 形式多样的讨论。在课堂上常安排与学生进行讨论，内容包括对本课程的认识、感兴趣的问题等，播放GPS基本原理及应用的录像短片，使学生对学习的内容有一个直观的认识。
    (5) 激发学生的主观能动性。鼓励能力强的学生编程实现算法，将他们所学的计算机知识与本课程的专业理论相结合。既让学生在达成目标后获得成就感，又消除了他们对原理、理论和算法的神秘感和畏惧感。
    (6) 开设延伸课程。针对不同专业方向的学生开设相应的延伸课程，作为本课程内容的深化和补充。如针对测绘工程开设的“GPS测量数据处理”，针对卫星导航定位专业方向学生开设的“卫星导航定位程序设计”。延伸课程解决了本课程课时的限制，使对本课程所述内容有进一步了解或学有余力的学生能够了解更细致、更深入的内容。

2. 教学手段

    (1) 多媒体课件、教学录像和交互式软件的灵活运用。授课老师自己编制多媒体课件，收集相关的录像、影片和与实践教学有关的交互式软件，在课堂上加以运用，或提供给学生课后自学，使复杂的原理通过生动的多媒体课件来展现。
    (2) 网络的灵活运用。我们通过网络向学生提供丰富的学习资源，包括课件、电子图书和相关链接等。同时，授课教师也通过网络为学生答疑解惑，缩短了教师与学生之间的距离，增加了相互交流的机会。
    (3) 贴近实际的演示和实习过程。无论是演示还是实习，均采用实测数据按照工程实践要求进行。如在实习中，要求学生按工程要求自行完成各个环节（设计、踏勘、选点、施测、处理、质量控制、总结）。提高了学生的动手能力，加深了学生对理论知识的理解和测量作业流程、方法的掌握，培养了学生解决实际问题的能力。
    (4) 灵活多样的考题。在理论课的考试中，我们的考题形式灵活多样，摒弃一味对基本概念的简单记忆，将知识点融入对理论的具体应用，增加了考题的深度和广度，着重考察学生的理解和应用能力。如在考查学生对周跳这一知识点的掌握程度时，不是以名词解释或叙述题的形式进行考查，而是给出一组观测数据，要求学生判断发生了周跳的观测值，这要求学生既要掌握周跳概念也要掌握探测周跳的方法。
    (5) 客观且具督促作用的考试、考核。理论课的成绩由两部分组成，一部分为期末考试成绩，另一部分为平时作业和测验成绩。在实践教学环节中，也对学生的实习情况进行多方面考核，内容包括实习情况、报告、面试。以上这些考试和考核方式，既客观全面地评估了学生的学习情况，也起到了督促学生认真完成学习过程的作用。

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