《GNSS测量与数据处理》课程改革教学大纲.doc

《GNSS测量与数据处理》课程改革教学大纲
课程编码：
9016400103
课程名称：
GNSS测量与数据处理
课程英文名称：
GNSS Surveying and Data Processing
先修课程：
误差理论与测量平差基础、大地测量学基础、空间大地测量学基础
适用专业：
测绘工程
总学时：54
讲课学时： 46
实验学时：4
上机学时：4
总学分：3
讲座
36
小组论文报告与研讨：8
课程论文报告：2
制订单位
测绘学院
修订时间：2013.1.

一、课程的性质和目的
《GNSS测量与数据处理》是测量工程专业的主要专业必修课之一。通过这门课的学习，要使学生了解GPS全球定位系统的构成、时空基准、卫星定轨基础理论，掌握GNSS定位数学模型、定位方法和误差源分类等原理，掌握GNSS控制网的技术设计、施测方法及其数据处理、软件操作过程等，了解GNSS技术的最新发展与应用。
通过讲座教师的课程模块的讲座、助教安排研讨、指导撰写论文、主持小组论文报告和讲座教师组织课程论文报告、实验及生产实践，使学生在毕业后能独立承担GNSS控制网的技术设计和组织外业测量、内业数据处理等工作。通过本课程的各教学环节，培养学生的专业文献检索、独立思考、合作交流、测绘案例分析与解决能力。为专业的研究深造、社会就业奠定专业基础。
二、课程的基本要求
1．理解GNSS的系统组成及各部分功能；
2．了解GNSS的应用领域；
3．理解GNSS测量的坐标系统和时间系统；
4．理解卫星运动的基础知识及GPS信号；
5．掌握GNSS定位方法、数学模型及其线性化
6. 掌握GNSS的误差来源及其削弱方法；
7．掌握GNSS控制网的技术设计、网点布设、观测方法，并运用相关知识达到能够撰写技术设计书和技术总结报告的能力；
8．掌握GPS数据处理的一般步骤和RINEX格式；
9．理解GPS基线解算、周跳探测等预处理工作；
10．掌握GPS坐标系统之间的关系与转换；
11. 掌握GPS控制网的二维、三维平差计算，并综合运用GNSS数据处理方法和程序设计能力，达到熟练操作GNSS数据处理软件的能力，能够对观测数据进行数据处理与精度评定；
12. 掌握GPS高程方法；
13. 了解GNSS技术最新发展与常用GNSS数据处理软件分类、特点。
三、课程内容与要求
表1. 课程内容模块划分与课时安排表
授课章节
主要内容
课时
教学方法
教室
第1部分
绪论
GPS、Galileo、GLONASS和北斗导航二代等全球卫星定位系统的发展历程和应用现状
4
讲座
多媒体CAI教室
第2部分
定位的时空基准和卫星定轨理论、GPS卫星的信号分类；
坐标系统与时间系统
4
讲座
卫星运动的基础知识及卫星坐标计算
GPS卫星的信号分类
4
1、坐标转换：天球-地球坐标系，地心-参心-站心坐标系
2、时间系统转换：年积日，儒略日，GPS周
3、卫星定轨：开普勒三大定律
二体问题、多体问题
广播星历求出卫星瞬时位置
精密星历的插值、拟合方法
2
选择主题做报告：讲清楚
是什么，为什么，怎么做？
推导相关题目的数学模型，
进行程序设计与实现

小组论文报告
第3部分
GPS的误差源；
定位方法：绝对定位、相对定位，定位新技术
GPS的误差源
4
讲座
1、 观测方程
2、 线性组合：一次差、二次差、三次差
3、 整周模糊度的确定、周跳的探测与修复
4、 定位新技术：PPP，Network RTK
8
1、主要误差源的改正措施：卫星钟差、电离层折射、对流层折射
2、不同频率的线性组合：宽巷、窄巷、去电离层组合、去几何关系组合、W-M组合
3、GPS定位新技术的数学模型及应用
2
研讨交流：相关题目的数学模型，程序设计与实现过程，并做PPT报告
要求学生经过文献检索后小组讨论
提交读书报告
实验一：GPS RTK
2
完成实验，提交实验报告
实验场地
第4部分
GPS测量的技术设计及其外业实施
1、 技术设计
2、 外业实施和外业数据检核
6
讲座
多媒体CAI教室
以某一测区为例，做出技术设计报告
2
小组讨论，提交设计方案
实验二：GPS静态控制网观测
2
按照设计方案施测并下载数据保存，提交实验报告
实验场地
第5部分
GPS数据处理
1、 GPS数据格式及数据处理软件介绍
2、 GPS数据预处理
3、 GPS网平差
4、 GPS水准
6
讲座
多媒体CAI教室
实验三：GPS数据软件设计流程及操作演示
2
操作演示，学生上机练习提交处理流程实验报告
多媒体+机房
实验四：GPS静态控制网软件数据处理
2
将实验二的数据软件处理，得出数据处理平差报告
1、 对完成的实验二和实验四，提交技术总结报告
2、 常用GNSS数据处理软件分类、特点
3、 数据处理新方法
2
选做一题，提交报告，并进行小组汇报与讨论

文献检索：GNSS的发展与应用
1、 GNSS技术最新发展，尤其BDS
2、 按海陆空应用领域不同分类
3、 按军、民、科研领域分类
4、 按定位、导航、授时、气象等分类
5、 GNSS课程知识点汇集
2
要求学生选做一题，提前准备好，经过文献检索后，提交读书报告： GNSS的发展与应用
并进行课程论文报告

选作：
1、几种GPS软件学习与对比分析
2、GPS数据处理编程实现

合 计
54

第1部分：4学时讲座
第1章 绪论
1、学习目的和要求
通过学习本章，了解GNSS发展历史及应用状况，掌握GPS的组成。了解GPS现代化、GLONASS、GALILEO和北斗二代的发展。
2、课程内容
（1）Transit、GPS等卫星空间定位技术的兴起及其特点
（2）GPS的组成及其功能
（3）美国政府对GPS用户的限制性政策与用户的措施
（4）其他GNSS的发展，俄罗斯的GLONASS, 欧盟建设中的Galileo，中国的Compass
3、考核知识点和考核要求
（1）识记：常规测量方法的局限性，GNSS定位技术的发展史；GPS现代化技术及其数据处理方法
（2）领会：GPS的组成、功能，对用户的限制性政策及用户的措施；GLONASS、GALILEO和北斗二代的目前状况和发展
第2部分：8学时讲座+2学时报告
第2章 GNSS导航定位时空基准
1、学习目的和要求
在已学《卫星大地测量学》的基础上，以卫星定位系统所涉及的几种坐标系和时间系统进行分类，掌握各种坐标系统的表达及转换，掌握时间系统的概念。
2、课程内容
（1）坐标系统的类型
（2）协议天球坐标系ECSF或CIS
（3）协议地球坐标系ECEF或CTS
（4）地球坐标系的其它表达形式：天文坐标系，参心大地坐标系，站心坐标系等
（5）大地测量基准
（6）时间系统：世界时，力学时和原子时；其他时间概念：年积日，GPS周，MJD；
3、考核知识点和考核要求
（1）识记：岁差、章动、极移的概念；坐标系统的分类: CIS, CTS,WGS-84,CGCS2000；时间系统-UTC、TAI和GPST的含义及相互关系；年积日，GPS周，MJD的含义，及与公历之间的转换；
（2）领会：CIS与CTS的关系及不同坐标系统的转换；编程实现不同时间的转化
第3章 GNSS卫星运动和卫星信号
1、学习目的和要求
通过学习，了解卫星的受摄和无摄运动，掌握GNSS卫星的星历和卫星空间位置坐标计算；掌握GPS卫星的测距码信号、导航电文(数据码)、卫星信号的构成。
2、课程内容
（1）概述
（2）卫星的无摄运动
（3）卫星的受摄运动
（4）GNSS卫星的星历、GPS卫星的导航电文(数据码)
（5）GNSS测距码信号
（6）GLONASS和GALILEO卫星信号的构成
（7）GPS卫星的坐标计算
3、考核知识点和考核要求
（1）识记：卫星的无摄和受摄运动，其他卫星的测距码信号构成
（2）领会：GPS卫星的星历、GNSS信号分类，GPS卫星的坐标计算
第3部分：12学时讲座+2学时报告+2学时实验
第4章 GPS定位中的误差源
1、学习目的和要求
通过学习，了解GPS定位的误差源分类，掌握卫星钟差、卫星星历误差、电离层折射误差、对流层折射误差、多路径延迟等改正方法，理解其他误差及其改正方法。
2、课程内容
（1）GPS误差源分类、削弱方法与措施：GNSS观测量的误差来源分类：与卫星有关的误差来源及其影响，与信号传播有关的误差来源及其影响，与用户接收机有关的误差来源及其影响
（2）卫星钟差
（3）卫星星历误差
（4）电离层折射误差
（5）对流层折射误差
（6）多路径延迟
（7）其他误差改正
3、考核知识点和考核要求
（1）识记：卫星钟差、卫星星历误差、电离层折射误差、对流层折射误差、多路径延迟改正方法
（2）领会：误差源的分类；其他误差及其改正方法。
第5章 距离测量与定位方法
1、学习目的和要求
通过学习， 掌握GNSS定位方法，包括单点定位、相对定位，测码伪距、测相伪距的静态定位、动态定位；掌握相位观测量线性组合的模型和特点；了解整周模糊度的解算和周跳的探测修复，理解差分GPS、NETWORK RTK、CORS。
2、课程内容
（1）测码伪距观测方程
（2）测相伪距观测方程
（3）同一频率观测量线性组合：单差、双差、三差
（4）其他常用的线性组合观测值
（4）整周模糊度的确定与周跳分析
（5）网络RTK及CORS
（6）差分GPS
3、考核知识点和考核要求
（1）识记：整周模糊度的解算和周跳的探测修复；宽巷、窄巷、去电离层组合观测值; 差分GPS、NETWORK RTK、CORS;
（2）领会：测码伪距、测相伪距观测方程的列立；不同定位方式的特点；同一频率相位观测量线性组合的模型和特点；了解差分GNSS的发展及其应用。
第4部分：6学时讲座+2学时报告+2学时实验
第7-9章 GNSS定位的技术设计、外业观测方法
1、学习目的和要求
通过学习，了解GNSS网设计的依据、步骤，掌握GNSS网设计的基准设计、图形设计、特征条件方法。了解GPS测量的外业观测过程。运用技术设计方法、结合实验2、4进行技术设计报告与技术总结报告的撰写。
2、课程内容
（1）技术设计的依据
（2）GNSS网的精度和密度设计
（3）GNSS网的基准设计
（4）GNSS测量中的图形设计
（5）GNSS网的特征条件
（6）选点与埋石
（7）GPS接收机的选用及仪器检验
（8）数据采集
（9）观测成果的外业检核
（10）成果验收和上交资料
3、考核知识点和考核要求
（1）识记：GPS网技术设计的依据、步骤，掌握观测计划调度表的拟定。
（2）领会：GNSS网设计的基准设计、图形设计、特征条件方法和外业观测记录的填写。
第5部分：6学时讲座+4学时报告+4学时实验
第10-12章 GNSS测量数据处理
1、学习目的和要求
通过学习，了解GPS测量内业过程和几种数据处理软件，掌握GPS测量的观测数据处理和网平差内容、GPS高程测量。
2、课程内容
（1）GPS测量的数据格式
（2）观测成果的外业检核
（3）GNSS观测数据预处理
（4）GNSS网平差
（5）GPS水准
（6）GNSS数据处理软件
3、考核知识点和考核要求
（1）识记： GNSS常用数据处理软件处理模型及方法步骤；掌握基线向量解算及结果分析，GNSS网平差模型及精度分析，GPS数据处理软件操作方法。掌握几种高程系统的概念及其相互关系，掌握GPS水准的多项式曲面拟合法、重力场模型与GPS水准相结合测定法。
（2）领会： GPS水准的发展；GNSS观测数据处理、网平差的几种数据处理软件对比。
四、课程学时分配
序次
主要内容
讲座
报告
实验
小计
(课堂+实验)
1
绪论
4

4
2
GNSS定位的时空基准和卫星定轨理论、GPS卫星信号分类
8
2

10
3
GPS的误差源；定位方法：绝对定位、相对定位，定位新技术
12
2
2
14+2
4
GPS测量的技术设计及其外业实施
6
2
2
8+2
5
GPS数据处理
6
4
4
10+4
总计
36
10
8
46+8=54
五、　实验名称与学时安排
序号
章目名称
学时分配
1
GPS动态相对定位（GPS RTK）
2
2
GPS静态相对定位
2
3
GPS数据处理软件介绍（上机）
2
4
GPS数据处理软件操作（上机）
2
合计

8
六、考试与考核
讲座责任制的授课模式由讲座教师、助教组成授课小组，讲座教师由专职教师或客座教授担任，助教由博士、硕士研究生组成。讲座内容要涵盖课程的知识点，将教材中缺乏的、科研和生产实际中已经应用的最新科研成果、测绘新技术和新方法纳入到讲座中。每个专业班级分成3-5人一组的课程学习小组，助教协助任课教师指导实验操作、上机辅导、答疑、批改实验报告与作业、安排研讨、指导读书报告的撰写、主持小组论文报告，讲座教师组织课程论文报告。
课程成绩由3部分构成，一是课程考试成绩，占总成绩的65%，采用闭卷考试的形式；二是课程讨论综合测评成绩，占总成绩的25%；三是教学实验，占总成绩的10%。
课程讨论综合讨论的具体办法如下：
3-5人为一个小组，每班设助教一名。要求每次发言人报告的是小组团结协作的成果；每生一次作报告机会，约6分钟左右。助教和主讲教师共同打分作为此生的报告成绩的70%，同组其他成员的单次报告成绩的均分，占此生的报告成绩的30%。
平时成绩及实验由助教和主讲教师打分，要求此分数分布必须为正态分布，客观反映优良中及情况。
七、教材及参考书
教　材：李征航，黄劲松. GPS测量与数据处理（第二版）[M].武汉：武汉大学出版社，2011
参考书：
1、Guochang Xu(许国昌)著，李强等译，GPS理论、算法与应用（第2版）[M]. 北京：清华大学出版社，2011
2、徐爱功，韩晓冬，崔希民等，全球卫星导航定位系统原理与应用. 北京：中国矿业大学出版社，2009
3、独知行，刘智敏. GPS测量实施与数据处理[M]. 北京：测绘出版社，2010
4、周忠谟, 易杰军, 周琪. GPS卫星测量原理与应用（修订版）[M]. 北京：测绘出版社, 1997
5、徐绍铨，张华海，杨志强等. GPS测量原理及应用（第三版）[M].武汉：武汉大学出版社，2008
6、党亚民，秘金钟，成英燕. 全球导航卫星系统原理与应用. 北京：测绘出版社, 2007
撰稿人：刘智敏
审稿人：
7