一、课程案例库基本信息介绍

    项目依托申请人及课程团队成员相关科研项目、科研获奖、学科竞赛、创新创业项目指导等成果，建设了“GNSS近地空间环境监测理论方法与推广应用”科研成果转化《GNSS原理及其应用》教学案例库，该案例库共包括11个典型案例，分别为经典案例（2个）、省部级科研获奖（2个）、国家级和省级科研项目（4个）、校级优秀毕业论文（1个）、省部级创新创业项目（1个）和国家级学科竞赛（1个），相关案例的具体情况见表1，对应的配套教材为李克昭等出版的《GNSS定位原理》^①。

表1.《GNSS原理与其应用》课程案例库建设具体信息统计情况

                  ^① 李克昭、杨力、柴霖等编著，《GNSS定位原理》，煤炭工业出版社，2014

二、科研促进教学案例

（一）案例1

1. 中国北斗导航系统完成全球组网

2020年6月23日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星，暨北斗三号最后一颗全球组网卫星。至此，北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。

2. 案例实际应用效果简介

详细介绍北斗/GNSS系统组成、特点、优势、现代化情况及发展趋势，同学们在该案例的学习中能够：

（1）掌握我国北斗导航系统“三步走”发展战略；

（2）掌握北斗/GNSS系统的组成及各自特点；

（3）了解北斗/GNSS相对于传统定位优势、GNSS应用场景及前景等；

（4）增加同学们的民族自豪感、荣誉感和爱国情怀。

3. 支撑材料

支撑材料包括参考资料和相关视频两部分，其中，主要参考资料为：

[1] 卫星导航的现状、前景和发展趋势，来源于公众号“北斗国际化”.

[2] 曹冲. 全球导航卫星系统发展与中国北斗系统建设[J]. 科学, 2018, 70(3): 4.

[3] 刘艳亮, 张海平, 徐彦田,等. 全球卫星导航系统的现状与进展[J]. 导航定位学报, 2019, 7(1): 5.

[4] 郑华, 张成新. 太空政治时代的国际竞争与合作——基于全球导航卫星系统发展的分析[J]. 上海交通大学学报：哲学社会科学版, 2019, 27(5): 13.

相关视频为：

[1] 北斗三号开通及介绍，来源于网络及后续加工。

[2] 北斗卫星基本原理和组成等，来源于网络及后续加工。

[3] 北斗一代典型应用（汶川地震），来源于网络及后续加工。

（二）案例2

1. 2020珠峰高程测量

2019年10月12日至13日，习近平总书记对尼泊尔进行国事访问期间，两国发布了《中华人民共和国和尼泊尔联合声明》，其中提出：考虑到珠穆朗玛峰是中尼两国友谊的永恒象征，双方愿推进气候变化、生态环境保护等方面合作。双方将共同宣布珠峰高程并开展科研合作。为落实《中华人民共和国和尼泊尔联合声明》，中华人民共和国自然资源部会同外交部、国家体育总局和西藏自治区政府组织了2020珠峰高程测量工作。

为推动珠峰高程测量工作顺利开展，保证测量工作的科学性、高程成果的精确性，自然资源部组织了中国测绘科学研究院、陕西测绘地理信息局以及中国地质调查局等单位的精锐力量，编制珠峰高程测量技术设计书和实施方案。陈俊勇院士、杨元喜院士领衔的测绘科技与管理方面的专家进行了严格审查把关，对“综合运用GNSS卫星测量、精密水准测量、光电测距、雪深雷达测量、重力测量、天文测量、卫星遥感、似大地水准面精化等多种传统和现代测绘技术，精确测定珠峰高程”的技术路线，给予了充分肯定。

2. 案例实际应用效果简介

详细介绍珠峰测量过程中北斗/GNSS平面和高程控制测量，同学们在该案例的学习中能够：

（1）掌握GNSS控制测量，包括GNSS选点、布设、不同级别GNSS测量技术设计等；

（2）掌握高程控制测量，包括一、二和三等水准测量、GNSS水准测量及大地高与正常高转换等；

（3）熟悉GNSS数据处理，包括数据观测、导入和利用相关软件进行坐标解算等；

（4）增加同学们的职业自豪感。

3. 支撑材料

支撑材料包括参考资料和相关视频两部分，其中，主要参考资料为：

[1] 党亚民, 郭春喜, 蒋涛,等. 2020珠峰测量与高程确定[J]. 测绘学报, 2021, 50(4): 556-561.

[2] 陈景涛, 陈真, 柏华岗,等. 2020珠穆朗玛峰高程测量数据获取方案[J].山东科技大学学报:自然科学版，2021, 40(5): 52-58.

相关视频为：

[1] 2020珠峰高程测量，来源于网络及后续处理。

[2] 202005珠峰高程测量测什么，来源于网络及后续处理。

（三）案例3

1.  GNSS近地空间环境监测的理论方法及应用推广

近地空间环境是人类赖以生存和发展的重要圈层，近地空间环境的变化会引发空间天气灾害和气象灾害，对人类的生产、生活甚至生命财产安全带来重大影响。近些年，空间天气和气象灾害频发，每年造成的经济损失高达 GDP 的 1%-3%，但近地空间环境监测技术的发展存在严重滞后，不能实现实时监测和及时预警，这是当前近地空间环境监测面临的主要问题。本项目针对近地空间环境监测的实际需求，提出了一套基于全球导航卫星系统（GNSS）的近地空间环境监测理论方法体系，研发了一套 GNSS 近地空间环境实时监测网络平台，不仅大大提高了我国近地空间环境监测的水平，而且可以利用监测信息实现位置增强服务，不仅具有非常低廉的运维成本，而且产生新的经济效益，解决了实时空间环境监测和位置增强服务的现实问题。

2. 案例实际应用效果简介

详细介绍GNSS定位、误差分析及处理策略，同学们在该案例的学习中能够：

（1）了解影响GNSS高精度定位的主要因素，如测站高度、对流层误差、电离层误差等；

（2）熟悉GNSS对流层延迟模型估计及GNSS 二/三维水汽反演中的关键技术；

（3）熟悉GNSS高精度电离层模型构建及其在改善GNSS定位中的整体流程；

（4）增强同学们的科学精神。

3. 支撑材料

支撑材料包括高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）提名书和科研论文两部分。

（四）案例4

1. 高山峡谷复杂条件监测控制关键技术研究与应用

本项目重点对高山峡谷地区大坝及其附属工程、高边坡、危险滑坡高精度监测与数据处理方法进行了系统研究，在汲取国内外有关大坝、滑坡、特殊边坡及建筑物外部变形监测研究成果的基础上，针对目前高山峡谷或重植被覆盖地区水电工程外部变形监测存在的大坝、附属建筑物与近岸边坡变形监测精度保障困难与效率较低的问题，较系统地研究了高山峡谷区监测基准网与变形监测精度控制技术。研究提出了基于可见卫星边界条件的测前规划设计方法和模型，有效推动了水电工程高山峡谷区GNSS监测精度保障困难等技术问题的解决。突破了长期以来测量机器人自动化变形监测无法实施大气折射改正的技术瓶颈，提出了有效的监测大气折射改正模型，研究了多源数据的高程联合平差定权方法。提出了基于目标点空间坐标和正常高的工程椭球参数确定及基于3项标准的高斯正形投影最优化参数确定方法。发现并研究了隧洞约束环境下大气折射对精密沉降观测质量的影响与对策，填补了微气象环境下精密水准大气折射研究空白。提出了G2R（GNSS+GeoRobit）联合监测关键技术，推动了GNSS与测量机器人全自动化协同监测作业技术的发展。 该技术为高山峡谷区监测提供了一套高效的解决方案，并降低了工作人员在危险区域的暴露频率，保障了监测工作人员与地质灾害影响区域人民群众的生命与财产安全，创造的经济效益、社会效益及环境效益均较显著。

2. 案例实际应用效果简介

详细介绍GNSS外业控制网布设原则、数据采集及内业数据处理方法等，同学们在该案例的学习中能够：

（1）掌握不同等级GNSS控制网布设要求、能够合理利用不同类型GNSS接收机进行数据采集；

（2）掌握利用随机软件对GNSS观测数据进行处理的整体流程及限差要求等；

（3）提高同学们理论联系实际能力。

3. 支撑材料

支撑材料包括中国大坝工程学会技术发明奖推荐书、科研论文、会议论文和发明专利等。

（五）案例5

1. 基于北斗技术（BDS）构建视觉线索辅助对抗空间定向障碍的初步研究

空间定向障碍（spatial disorientation, SD）又称飞行错觉，一直是困扰飞行安全的重要问题，约1/3严重飞行事故与之相关。近年来，随着高性能战机列装部队、实战化训练强度加大以及复杂气象条件下飞行训练频率增高，SD已经成为威胁我军飞行安全的第一原因。北斗卫星导航系统技术在军事领域中意义重大，可应用于军用飞行器高速飞行过程中的实时精准定位，并动态显示飞行区域中天体位置、地形地貌特征与飞行器的相对关系，进而为还原视觉线索辅助飞行员对抗SD的设想提供了技术基础。目前，利用北斗系统辅助飞行员对抗SD的研究尚属空白，为了进一步发挥北斗技术优势并拓展其在军事方面的实际创新应用能力，减少SD和飞行错觉的发生和危害，急需发展一种利用北斗技术辅助飞行员对抗空间定向障碍的方法和思路。

基于上述思想，项目拟在前期课题组申请的专利方法和构建的便携式视性错觉训练模拟系统的基础上，建立一种利用北斗系统构建视觉线索辅助飞行员对抗空间定向障碍的技术和方法。主要思路是通过北斗技术等方式获取飞行航线附近地形地貌等信息，基于北斗技术获取飞行员实时位置信息，并实现标志性天体位置和地形地貌特征的增强现实显示，在视觉条件受限的环境下将视觉空间信息线索呈现在飞行员的头盔或座舱显示器上，来帮助飞行员对抗SD。

2. 案例实际应用效果简介

详细介绍GNSS定位基本原理，包括GNSS标准单点定位（Standard Point Positioning, SPP）和精密单点定位（Precise Point Positioning, PPP）的完整理论与方法，同学们在该案例的学习中能够：

（1）掌握GNSS定位基本原理与方法；

（2）掌握GNSS导航电文、观测数据格式、类型、包含内容等相关知识；

（3）熟悉并理解GNSS SPP和PPP数据处理的整体流程；

（4）增强同学们的价值观。

3. 支撑材料

支撑材料包括学科交叉联合科研项目申请书、SPP定位及展示程序、基于北斗数据的仿实时标准单点定位软件V1.0软件著作权说明书（申请中）和DEM三维地形可视化及飞行轨迹模拟视频。

（六）案例6

1.  Multi-GNSS在全球及亚太地区精度评估与分析

自2020年6月我国北斗三代卫星系统的组网成功，卫星导航开始进入Multi-GNSS时代，但单一卫星系统服务已无法满足用户需求、四系统组合精度问题尚未有明确评估，故对以北斗为主的四大GNSS系统精度评定显得尤为重要。

本项目利用IGS数据中心发布的2021全年精密星历以及各测站准确坐标等信息，基于RTKLIB等软件的二次开发程序进行多系统组合的PPP和SPP 解算，评估四大卫星系统在亚太及全球的定位精度，进而为解决现存问题及北斗现代化定位精度的完善提供可靠依据，也为用户合理使用高精度卫星定位数据提供相应的指导与意见。

2. 案例实际应用效果简介

详细介绍GNSS数据处理整体流程，包括对GNSS伪距观测数据和载波相位观测数据的处理方法、处理差异等，同学们在该案例的学习中能够：

（1）了解GNSS伪距和载波相位观测值的具体含义；

（2）掌握GNSS 伪距和载波相位观测值的特点及其定位精度；

（3）掌握GNSS数据处理的整体流程；

（4）增强同学们的科学精神。

3. 支撑材料

支撑材料包括老员工创新创业训练计划项目申请书和答辩PPT。

（七）案例7

1. 并址站归心基线优化方法及其对ITRF实现的影响研究

国际地球参考框架（ITRF）是全球最高精度的参考框架。其中并址站归心基线作为联系ITRF中各观测技术的主要约束条件，已成为实现ITRF精度提高的主要因素。现有在站心坐标系和独立坐标系中分步解算和构建坐标转换方法难以满足ITRF对归心基线精度的需求。本项目基于多类观测数据，在ITRF中建立多类观测数据进行整体处理的严密平差模型，以消除多类观测数据之间坐标基准不统一、系统性误差、精度差异等影响；提出将归心基线的ITRF坐标作为未知参数，构建归心基线、两轴偏差等未知参数之间的多种约束条件，实现归心基线在ITRF中的整体解算，优化分步解算方法和坐标转换方法；研究GNSS数据处理策略和多种约束条件对归心基线的影响程度，揭示主要因素（新的归心基线、并址站分布、归心基线精度和特定的归心基线）对ITRF实现的影响规律和特征。可为实现更高精度的归心基线和ITRF提供理论基础和科学依据。

2. 案例实际应用效果简介

详细介绍GNSS定位原理与理论基础中时空坐标系统及其相互转换的相关内容，同学们在该案例的学习中能够：

（1）掌握GNSS所使用的时空坐标系统；

（2）掌握不同GNSS时空坐标系的转化及精度评定；

（3）了解其他导航系统时空坐标系等内容；

（4）增强同学们的科学精神。

3. 支撑材料

支撑材料包括国家自然科学基金项目申请书和项目相关科研成果。

（八）案例8

1. 基于多源数据融合和非负不等式约束的全球电离层精细建模研究

电离层是日地空间环境的重要组成部分，监测与研究电离层中的各种现象，进而揭示现象背后的物理机制，具有重要的科学、经济和军事意义，而高精度的全球电离层模型则是研究电离层的基础。现有全球电离层模型存在海洋地区精度和可靠性较低以及部分格网VTEC为负值的缺陷，成为现有电离层研究中亟待解决的重要问题。本项目针对上述问题，综合利用地基GNSS数据、海洋测高卫星、LEO掩星和DORIS系统等多种大地测量手段的观测数据，研究严密的多源数据融合方法，将不同类观测数据间的系统偏差作为参数进行估计，考虑不同观测数据间的精度差异，利用赫尔默特方差分量估计精确定权，并引入非负不等式约束，建立基于多源数据融合和非负不等式约束的高精度高可靠性的全球电离层格网模型，为解决现有模型存在的缺陷做出有益的探索，具有重要意义。

2. 案例实际应用效果简介

详细介绍GNSS定位中与电离层延迟相关的误差，以及消除或削弱该误差的主要方法和措施，同学们在该案例的学习中能够：

（1）掌握电离层延迟的定义、电离层误差产生的原因以及影响其大小的相关因素；

（2）了解电离层误差对GNSS定位的影响特点及其量级大小；

（3）掌握电离层误差消除或削弱的方法和措施；

（4）增强同学们的科学精神。

3. 支撑材料

支撑材料包括国家自然科学基金项目申请书和项目相关科研成果。

（九）案例9

1. 基于多源数据的对流层水汽层析建模及其稳定求解算法研究

多源数据水汽反演是目前水汽层析研究中的热点问题。现有水汽反演中存在因固有multi-GNSS数据利用率低、星站几何结构强度弱等导致的不适定问题，层析模型解算时缺乏多源数据最优权值确定和模型稳定求解的相关算法。本项目引入混合截断因子，研究该因子与层析区域内水汽含量之间的函数关系，建立提高multi-GNSS观测数据利用率的三维水汽反演算法，改善层析法方程的稳定性；联合协整检验思想和改进的方差分量估计方法，评估不同类型数据在层析模型中的权重，发展适用于水汽层析模型的多源数据最优权值确定方法，为层析模型的稳定求解提供精确的权比信息；基于正则化理论，探索利用最小偏差原则和迭代优化思想确定最佳正则化参数的新途径，提出针对多源数据层析模型的正则化稳定求解方法，实现基于多源数据的对流层水汽层析建模及其稳定求解。为极端天气预警和改善数值预报模式初始场奠定理论和应用基础，推动水汽层析技术在气象学领域的发展。

2. 案例实际应用效果简介

详细介绍GNSS定位中与对流层延迟相关的误差，以及消除或削弱该误差的主要方法和措施，同学们在该案例的学习中能够：

（1）掌握对流层延迟的定义、对流层误差产生的原因以及影响其大小的相关因素；

（2）了解对流层误差对GNSS定位的影响特点及其量级大小；

（3）掌握对流层误差消除或削弱的方法和措施；

（4）增强同学们的科学精神。

3. 支撑材料

支撑材料包括国家自然科学基金项目申请书和项目相关科研成果。

（十）案例10

1. 北斗/GNSS短临极端灾害天气预警研究

水汽是描述大气干湿状况的基本特征参数之一，在地球能量平衡和水汽循环中扮演着极为重要的角色，对天气和气候具有重要影响。近年来，随着极端气候事件的频发，尤其是极端降雨，给人类社会、经济造成严重的影响和损害，因此，极端降雨预测引起了世界各国众多行业的密切关注。暴雨是气象灾害中最严重、最常发生的灾害之一，长期连续性的大雨、暴雨容易引起水道急流、山洪暴发、河水泛滥等洪涝灾害的发生。1998年发生在中国长江流域的洪水造成4150人失联，1.8亿人受灾，是中国北部地区近40年来最严重的一次洪水事件，其原因在于1998年夏季该地区降雨量高于历史同期降雨水平；2015年6月，中国华东地区特别是长江三角洲地区出现连续的强降雨事件，导致下半年洪水泛滥以及巨大的经济损失，据民政部门统计，仅在6月21-30日期间，该地区就有4万多所房屋倒塌，538万人受灾。

因此，在有效时间内对降雨尤其是暴雨进行准确预报可在最大程度上减轻降雨对人类社会、经济造成的损害。而PWV的准确探测可为降雨预报和数值天气预报提供实时依据，对防灾减灾具有重大意义。因此，获取实时高精度髙时间分辨率的PWV能为降雨预报提供更多、更高精度的气象信息。

2. 案例实际应用效果简介

除PNT典型应用之外，介绍GNSS在短临降雨预警中的应用。同学们在该案例的学习中能够：

（1）了解GNSS的典型应用：定位（Positioning）、导航（Navigation）和授时（Timing）；

（2）了解并熟悉GNSS在短临降雨预警方面的创新应用；

（3）增强同学们的科研兴趣、拓展同学们的知识面。

3. 支撑材料

支撑材料包括北斗/GNSS短临极端灾害天气预警研究技术报告书、答辩PPT、软件使用说明、软件源码、可执行文件和演示视频等。

（十一）案例11

1.  GNSS辅助数值预报模式反演高时空分辨率PWV研究

数值预报模式是在一定的初始条件下通过数值计算，定量客观地对未来时刻天气状态进行预报的重要工具。然而，大气运动的复杂性导致模式的初始场存在较大的不确定性，已成为提高模式数值预报能力的制约因素。为克服模式的局限性，需结合一定的观测资料通过资料同化技术来改善模式的初始场，进而对模式的预报性能有所提高。基于全球导航卫星系统进行反演得到的大气可降水量（PWV）被同化进数值预报模式，可以有效提高模式初始场对于水汽分布的描述能力，以改进模式预报的准确性。为定量评估同化 GNSS PWV 对数值预报模式反演高时空分辨率 PWV 的影响，本研究基于天气研究与预报模式（Weather Research and Forecast, WRF）及其三维变分同化系统，利用宁波市 GNS站点、无线电探空站点以及气象站点的数据资料采用多种同化方案进行WRF 预报研究。

2. 案例实际应用效果简介

除PNT典型应用之外，介绍GNSS在辅助数值预报模式反演高精度PWV中的应用。同学们在该案例的学习中能够：

（1）了解利用数值预报模式同化数值预报参数的整体流程；

（2）了解并熟悉GNSS在辅助数值预报模式方面的创新应用；

（3）提高同学们的学习兴趣、增强同学们的创新意识。

3. 支撑材料

支撑材料包括优秀本科毕业设计（论文）全文和对应答辩PPT，对应题目为：GNSS辅助数值预报模式反演高时空分辨率PWV研究。

三、致谢

    本项目由英国威廉希尔公司官网“本科教学案例库”建设项目（重点）支持，项目名称：“GNSS近地空间环境监测理论方法与推广应用”科研成果转化教学案例-《GNSS原理及其应用》。