论文部分内容阅读
【摘 要】分析现有商用GPS对地测量设备在高校教学应用上的不足以及教育部等部门提出地方高校“转型”的趋势，在实现GPS各项功能的基础上，自主开发一整套可拆卸并支持二次开发的GPS对地测量方面的开放式创新实验设备。在满足精度要求和保证设备稳定性的基础上，考虑将此设备推广应用到地质灾害的监测与预警。
【关键词】GPS；对地测量；实验设备；二次开发；灾害监测
0.项目简介
关于GPS定位技术在测绘方面的应用，虽然我国的南方测绘等公司走在了行业的前端，并且已拥有了较成熟的技术手段。对于高校而言，目前用于教学的GPS实验设备几乎都是向专业仪器公司采购的封装好的仪器，但是，目前市面上销售的GPS仪器几乎都是针对商业应用的，就其本身来说不管硬件还是软件都已经完全封装，而且价格昂贵，这样的设备对于学生来说能学到的仅仅只是简单的仪器操作，而对于GPS的定位原理、误差分析、信号处理等知识完全得不到实际的训练，显然这是不利于培养学生的工程实践和创新能力的。
基于现有教学设备的诸多缺点和人才培养的需求，本项目的根本目的就是通过对已有的GPS模块做详细研究，打破现有GPS实验设备完全靠采购，并且完全封装无法知晓内部结构和运行原理的现状，在现有GPS定位原理、数据接收与处理以及精度控制的基础上开发一套适合教学的GPS对地测量的开放式创新实验设备，并且提供二次开发的接口，真正地将GPS实验与实训从只会操作简单仪器基本功能提升到深入理解定位原理，数据接收与处理以及二次开发的层面上，大大提高学生的工程实践能力和创新能力。只有这样，才能更好的促进普通本科高校向职业型、应用技术型高校转型，满足国家对工程技能型人才的需求，扎扎实实做好人才培养的工作。
本项目在实现教学设备的功能后，在保证稳定性的基础上努力提高定位的精确性，以满足地质灾害的监测与预警的要求，争取能够实现产品的商业化和产业化。
1.技术设计
1.1系统设计
根据我们的设想，整套实验设备拟实现两个功能：（1）实时相对定位；（2）将一定时间段的同步观测数据传回数据处理中心，进行精密解算。
主要结构及具体功能如下：
标准站：标准站将已知的测站精密坐标和接收到的卫星信息直接或经过处理后通过自组织无线网络实时发送给流动站接收机（待定点）。
基准站：基准站与标准站一起，连同与其组网的流动站，通过数据处理中心，进行实时相对定位和同步数据精密解算。
数据处理中心：基于自组织无线网络软件进行卫星信号、大地坐标的收集，然后使用GPS测量软件进行坐标解算，再通过自组织无线网络软件将解算后的坐标传送给各流动站。
流动站：主要功能是在待定点上进行GPS观测，同时也接收基准站的信息，然后将整合后的信息发回数据处理中心进行坐标解算。
自组织无线网络软件：实现各种数据在标准站、基准站和流动站之间的传递。
GPS测量软件：通过对标准站、基准站和流动站的数据进行模型分析，误差改正，得到比较精确的坐标值。
1.2技术优势
（1）可以同时实现实时动态测量和静态测量。
（2）具有无线数据传输模块，可对其测量的数据进行实时传输，因为教学往往都在学校范围内，操作范围相对较小，可大大提高工作效率。另外，在考虑将设备应用到灾害监测方面，实时的数据传输与处理，（去掉）能提高检测的效率和数据的准确性。
（3）整套实验设备都是开放的，在硬件方面支持随意拆卸和组装，在软件方面，提供二次开发的接口，鼓励学生研究并设计各类数学模型和数据处理方案。
2.应用范围
在设计之初，我们主要考虑将成果应用在两个方面，首先是教学方面，其次，在不断提高设备的精度和稳定性的基础上，尝试将设备推广应用到地质灾害的监测与预警。
2.1教学应用
这套GPS对地测量仪器，作为半封装设备，学生可以在学习GPS原理的同时，还能在接收信号、分析星历、处理数据、精度分析、选择定位模式，研究提高精度的数学模型等方面得到实践和提高，使学生能够真正的将所学的知识运用到实际当中，因此设备可以广泛应用于各大高校所有涉及GPS原理及应用的专业，如测绘专业的《GPS原理及应用》、《GPS数据处理与开发》等课程的实验和实习当中。
2.2商业推广
近年来，自然灾害频发，因此我们考虑在地质灾害预警这块，因设备可以全天候观测灾害点并将数据实时传送到处理中心，通过分析灾害监测点的位移量可实现灾害监测与预警。
3.预期效益
由于设备是自主研发，在满足教学的基础上，对精度的要求其实远低于商业GPS定位仪器的要求，因此，对于高校来说，可以很大程度上节省在该类设备上的采购支出；在灾害监测与预警方面，发生一次小规模的地质灾害所带来的经济损失都远远大于整个设备的成本和运营费用的总和。所以，项目成果的效益将来自于节约采购支出和降低经济损失。
3.1经济效益
（1）应用于高校教学。目前，各大高校所用的GPS设备价格一般在2.6万元以上，而我们的项目成果转化成本在1.2万元左右；另外，我们的设备相对其他设备还具有开源与开放的优势。据不完全统计全国开设测绘专业的高校大约有100所，假设每所学校购买20台静态GPS（每台约2.6万）和一套一拖二的动态GPS（每套约10万），共约6200万，而我们的设备即可以用于静态GPS测量也可以用于动态实时GPS测量的教学工作，按项目转化价格计算，共约2640万元，可节省约3560万元，可见将产生较大的经济效益。
（2）应用于地质灾害监测与预警。经过技术的不断研发与改进，我们的产品将来很有可能进入防灾预警领域，因为我们的产品价格便宜，可以大规模布设控制点，用来监测如山体滑坡等灾害。发生一次大型地质灾害，至少会造成500到1000万的直接经济损失。如果能够预测，将在很大程度上降低经济损失，并保护人民的生命安全。
3.2社会效益
2014年4月，教育部等四部门印发了《关于地方本科高校转型发展的指导意见》，明确提出将加快地方本科高校向应用技术型高校转型。因此，对于普通地方本科高校，学生需要在掌握理论知识的基础上更多的参与实践，而目前高校用于教学的GPS实验（下转第82页）（上接第63页）设备，几乎都是向专业仪器公司采购的封装好的仪器，虽然仪器成熟度较高，实际工程应用中也是采用这样的仪器，但是对于学生来说，针对這样的仪器，学生能学到的也仅仅是仪器的简单操作和使用技巧，对于GPS的定位原理，误差分析，信号处理等知识，几乎得不到训练的。而我们项目的目的是开发一套完整的实验设备，打破现有GPS实验设备完全靠采购，并且完全封装无法知晓内部结构和运行原理的现状，使学生能基于这套实验设备，真正了解GPS的原理及开发应用过程，不仅帮助学生将知识转化为实际的应用，而且在未封装的设备上，我们的研究人员和学生都可以进行二次开发，对于提高学生的项目开发能力，工程实践能力和创新能力都有极大的帮助。所以，我们的这套设备，正好响应了“转型”的要求，培养学生发现问题，解决问题的能力，帮助学生积累工程实践经验，具有较高的社会价值。
这套开放式的创新教学实验设备，将打破现有的GPS实验设备完全靠采购商用仪器且全封装无法知晓内部结构和运行原理的现状。学生通过对实验设备的学习与研究，不仅掌握GPS的原理，还能激发他们进行二次开发，培养创新能力，积累开发与实践能力。近年来，自然灾害频发，给社会带来了巨大的经济损失，也威胁着人们的生命安全，将设备推广到地址灾害监测与预警，相信也将产生巨大的效益。■
【关键词】GPS；对地测量；实验设备；二次开发；灾害监测
0.项目简介
关于GPS定位技术在测绘方面的应用，虽然我国的南方测绘等公司走在了行业的前端，并且已拥有了较成熟的技术手段。对于高校而言，目前用于教学的GPS实验设备几乎都是向专业仪器公司采购的封装好的仪器，但是，目前市面上销售的GPS仪器几乎都是针对商业应用的，就其本身来说不管硬件还是软件都已经完全封装，而且价格昂贵，这样的设备对于学生来说能学到的仅仅只是简单的仪器操作，而对于GPS的定位原理、误差分析、信号处理等知识完全得不到实际的训练，显然这是不利于培养学生的工程实践和创新能力的。
基于现有教学设备的诸多缺点和人才培养的需求，本项目的根本目的就是通过对已有的GPS模块做详细研究，打破现有GPS实验设备完全靠采购，并且完全封装无法知晓内部结构和运行原理的现状，在现有GPS定位原理、数据接收与处理以及精度控制的基础上开发一套适合教学的GPS对地测量的开放式创新实验设备，并且提供二次开发的接口，真正地将GPS实验与实训从只会操作简单仪器基本功能提升到深入理解定位原理，数据接收与处理以及二次开发的层面上，大大提高学生的工程实践能力和创新能力。只有这样，才能更好的促进普通本科高校向职业型、应用技术型高校转型，满足国家对工程技能型人才的需求，扎扎实实做好人才培养的工作。
本项目在实现教学设备的功能后，在保证稳定性的基础上努力提高定位的精确性，以满足地质灾害的监测与预警的要求，争取能够实现产品的商业化和产业化。
1.技术设计
1.1系统设计
根据我们的设想，整套实验设备拟实现两个功能：（1）实时相对定位；（2）将一定时间段的同步观测数据传回数据处理中心，进行精密解算。
主要结构及具体功能如下：
标准站：标准站将已知的测站精密坐标和接收到的卫星信息直接或经过处理后通过自组织无线网络实时发送给流动站接收机（待定点）。
基准站：基准站与标准站一起，连同与其组网的流动站，通过数据处理中心，进行实时相对定位和同步数据精密解算。
数据处理中心：基于自组织无线网络软件进行卫星信号、大地坐标的收集，然后使用GPS测量软件进行坐标解算，再通过自组织无线网络软件将解算后的坐标传送给各流动站。
流动站：主要功能是在待定点上进行GPS观测，同时也接收基准站的信息，然后将整合后的信息发回数据处理中心进行坐标解算。
自组织无线网络软件：实现各种数据在标准站、基准站和流动站之间的传递。
GPS测量软件：通过对标准站、基准站和流动站的数据进行模型分析，误差改正，得到比较精确的坐标值。
1.2技术优势
（1）可以同时实现实时动态测量和静态测量。
（2）具有无线数据传输模块，可对其测量的数据进行实时传输，因为教学往往都在学校范围内，操作范围相对较小，可大大提高工作效率。另外，在考虑将设备应用到灾害监测方面，实时的数据传输与处理，（去掉）能提高检测的效率和数据的准确性。
（3）整套实验设备都是开放的，在硬件方面支持随意拆卸和组装，在软件方面，提供二次开发的接口，鼓励学生研究并设计各类数学模型和数据处理方案。
2.应用范围
在设计之初，我们主要考虑将成果应用在两个方面，首先是教学方面，其次，在不断提高设备的精度和稳定性的基础上，尝试将设备推广应用到地质灾害的监测与预警。
2.1教学应用
这套GPS对地测量仪器，作为半封装设备，学生可以在学习GPS原理的同时，还能在接收信号、分析星历、处理数据、精度分析、选择定位模式，研究提高精度的数学模型等方面得到实践和提高，使学生能够真正的将所学的知识运用到实际当中，因此设备可以广泛应用于各大高校所有涉及GPS原理及应用的专业，如测绘专业的《GPS原理及应用》、《GPS数据处理与开发》等课程的实验和实习当中。
2.2商业推广
近年来，自然灾害频发，因此我们考虑在地质灾害预警这块，因设备可以全天候观测灾害点并将数据实时传送到处理中心，通过分析灾害监测点的位移量可实现灾害监测与预警。
3.预期效益
由于设备是自主研发，在满足教学的基础上，对精度的要求其实远低于商业GPS定位仪器的要求，因此，对于高校来说，可以很大程度上节省在该类设备上的采购支出；在灾害监测与预警方面，发生一次小规模的地质灾害所带来的经济损失都远远大于整个设备的成本和运营费用的总和。所以，项目成果的效益将来自于节约采购支出和降低经济损失。
3.1经济效益
（1）应用于高校教学。目前，各大高校所用的GPS设备价格一般在2.6万元以上，而我们的项目成果转化成本在1.2万元左右；另外，我们的设备相对其他设备还具有开源与开放的优势。据不完全统计全国开设测绘专业的高校大约有100所，假设每所学校购买20台静态GPS（每台约2.6万）和一套一拖二的动态GPS（每套约10万），共约6200万，而我们的设备即可以用于静态GPS测量也可以用于动态实时GPS测量的教学工作，按项目转化价格计算，共约2640万元，可节省约3560万元，可见将产生较大的经济效益。
（2）应用于地质灾害监测与预警。经过技术的不断研发与改进，我们的产品将来很有可能进入防灾预警领域，因为我们的产品价格便宜，可以大规模布设控制点，用来监测如山体滑坡等灾害。发生一次大型地质灾害，至少会造成500到1000万的直接经济损失。如果能够预测，将在很大程度上降低经济损失，并保护人民的生命安全。
3.2社会效益
2014年4月，教育部等四部门印发了《关于地方本科高校转型发展的指导意见》，明确提出将加快地方本科高校向应用技术型高校转型。因此，对于普通地方本科高校，学生需要在掌握理论知识的基础上更多的参与实践，而目前高校用于教学的GPS实验（下转第82页）（上接第63页）设备，几乎都是向专业仪器公司采购的封装好的仪器，虽然仪器成熟度较高，实际工程应用中也是采用这样的仪器，但是对于学生来说，针对這样的仪器，学生能学到的也仅仅是仪器的简单操作和使用技巧，对于GPS的定位原理，误差分析，信号处理等知识，几乎得不到训练的。而我们项目的目的是开发一套完整的实验设备，打破现有GPS实验设备完全靠采购，并且完全封装无法知晓内部结构和运行原理的现状，使学生能基于这套实验设备，真正了解GPS的原理及开发应用过程，不仅帮助学生将知识转化为实际的应用，而且在未封装的设备上，我们的研究人员和学生都可以进行二次开发，对于提高学生的项目开发能力，工程实践能力和创新能力都有极大的帮助。所以，我们的这套设备，正好响应了“转型”的要求，培养学生发现问题，解决问题的能力，帮助学生积累工程实践经验，具有较高的社会价值。
这套开放式的创新教学实验设备，将打破现有的GPS实验设备完全靠采购商用仪器且全封装无法知晓内部结构和运行原理的现状。学生通过对实验设备的学习与研究，不仅掌握GPS的原理，还能激发他们进行二次开发，培养创新能力，积累开发与实践能力。近年来，自然灾害频发，给社会带来了巨大的经济损失，也威胁着人们的生命安全，将设备推广到地址灾害监测与预警，相信也将产生巨大的效益。■