【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式：上述四個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)x、y、z 和Vto 為未知參數(shù)，其中di=c△ti (i=4)。di (i=4) 分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4 到接收機(jī)之間的距離?！鱰i (i=4) 分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4 的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。 c 為GPS 信號(hào)的傳播速度（即光速）。四個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下：x、y、z 為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。xi 、yi 、zi (i=4) 分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4 在t 時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。Vt i (i=4) 分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4 的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。Vto 為接收機(jī)的鐘差。由以上四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z 和接收機(jī)的鐘差Vto 。目前GPS 系統(tǒng)提供的定位精度是優(yōu)于10 米，而為得到更高的定位精度，通常采用差分GPS 技術(shù)：將一臺(tái)GPS 接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS 觀測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。 GPS接口在UPNetARM3000 平臺(tái)上所選配的GPS 模塊是GPS15L/H。接口特性如下：RS232 輸出，可輸入RS232 或者具有RS232 極性的TTL 電平?？蛇x的波特率為：300、600、1200、2400、4800、9600、19200。GPS15 與PC 串口的連接見示意圖如下：圖 串口輸出協(xié)議：輸出NEMA0183 格式的ASCII 碼語句，輸出：GPALM，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG（NMEA 標(biāo)準(zhǔn)語句）；PGRMB，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV（GARMIN 定義的語句）。還可將串口設(shè)置為輸出包括GPS載波相位數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。輸入：初始位置、時(shí)間、秒脈沖狀態(tài)、差分模式、NMEA輸出間隔等設(shè)置信息。在缺省的狀態(tài)下，GPS 模塊輸出數(shù)據(jù)的波特率為4800，輸出信息包括：GPRMC、GPGGA、GPGSA、GPGSV、PGRME 等，每秒鐘定時(shí)輸出，如下圖所示。在具體的應(yīng)用場(chǎng)合，有時(shí)會(huì)要求模塊輸出不同的波特率，或輸出其他語句信息，因此，需要通過相應(yīng)軟件修改GPS 模塊的缺省配置。在這里，我們使用模塊自帶的設(shè)置軟件SNSRCFG..exe，見下圖： 本系統(tǒng)的功能框圖如圖所示：圖 系統(tǒng)功能框圖本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是通過 GPS 信號(hào)接收模塊獲取終端當(dāng)前位置的GPS 衛(wèi)星信號(hào)，交由GPS 數(shù)據(jù)處理模塊處理，獲得當(dāng)前位置的準(zhǔn)確定位信息（包括經(jīng)緯度、高度、速度、方向和時(shí)間等）；由GIS 地圖處理模塊負(fù)責(zé)讀取保存在存儲(chǔ)介質(zhì)中的矢量數(shù)字地圖，并進(jìn)行坐標(biāo)、投影等相關(guān)轉(zhuǎn)換處理，最后將地圖繪制到顯示設(shè)備中；GPS 數(shù)據(jù)處理模塊輸出的定位信息可以在數(shù)字地圖上直觀地顯示出當(dāng)前位置，起到可視化定位導(dǎo)航的目的；用戶同時(shí)可以在地圖瀏覽模式下對(duì)地圖進(jìn)行平移和縮放等操作來查看地圖。系統(tǒng)提供圖形用戶界面GUI，在屏幕上以圖形化的方式顯示地圖和數(shù)據(jù)，提供給用戶人機(jī)交互接口。本系統(tǒng)硬件平臺(tái)方案中，采用基于 ARM920T 內(nèi)核的S3C2410 作為系統(tǒng)的嵌入式處理器，其在高性能和低功耗特性方面提供了最佳的性能，它的處理能力能夠滿足GPS/GIS 數(shù)據(jù)處理等復(fù)雜應(yīng)用的要求。且有很好的軟硬件及操作系統(tǒng)支持，提供了全面的、通用的片上外設(shè)，大大降低了系統(tǒng)的成本。存儲(chǔ)設(shè)備中，使用64MB 的SDRAM 作為內(nèi)存儲(chǔ)器，滿足操作系統(tǒng)內(nèi)核及應(yīng)用程序運(yùn)行的空間要求。使用64MB 的NAND FLASH 為外部存儲(chǔ)器，負(fù)責(zé)保存啟動(dòng)代碼、操作系統(tǒng)內(nèi)核映像、根文件系統(tǒng)和其他系統(tǒng)文件?？紤]到數(shù)字地圖和其他資料等外部大容量文件存儲(chǔ)的需要，提供SD 卡、USB 設(shè)備等擴(kuò)展接口，USB Host 接口還可用于向FLASH 中讀寫數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供兩個(gè)RS232 標(biāo)準(zhǔn)的串口，其中串口1 用于連接GPS 接收模塊，獲取GPS 定位數(shù)據(jù)，串口2 用于系統(tǒng)控制臺(tái)調(diào)試功能。使用帶觸摸屏的TFTLCD，顯示定位和地圖信息，提供圖形界面方便用戶控制。系統(tǒng)電源以12 V 電池為主要供電方式，同時(shí)提供交直轉(zhuǎn)換接口、復(fù)位電路。此外還包括CS8900 10M 網(wǎng)卡擴(kuò)展設(shè)備上網(wǎng)功能、用于系統(tǒng)調(diào)試的JTAG 接口及其他各類根據(jù)功能需求擴(kuò)展的外部設(shè)備。本系統(tǒng)硬件平臺(tái)組成如圖所示：圖 依據(jù)功能將系統(tǒng)軟件平臺(tái)層次分為硬件抽象層 HAL/BSP、嵌入式操作系統(tǒng)Kernel、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、中間件層、應(yīng)用平臺(tái)層和應(yīng)用層等。系統(tǒng)軟件平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)組成如圖 所示。圖 BSP 負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化和操作系統(tǒng)內(nèi)核的啟動(dòng)。本文選擇并移植經(jīng)典的開源bootloader和驅(qū)動(dòng)的方案，作為本系統(tǒng)的硬件抽象層，這種方案更靈活高效、功能更強(qiáng)。操作系統(tǒng)內(nèi)核負(fù)責(zé)處理器管理、存儲(chǔ)器管理和進(jìn)程調(diào)度等，其系統(tǒng)調(diào)用為應(yīng)用層提供操作硬件的接口和開發(fā)API。本文選擇嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，它遵循GPL 完全源代碼公開，免費(fèi)成本低，有大量的應(yīng)用軟件和優(yōu)秀的開發(fā)工具支持，內(nèi)核穩(wěn)定而精悍，運(yùn)行所需資源少，方便裁剪定制，支持廣泛的硬件平臺(tái)。目前基于Linux 的嵌入式GPS/GIS 的產(chǎn)品相對(duì)較少，因此是本文研究的一個(gè)重要意義。Linux 內(nèi)核中有很大一部分代碼是各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，它對(duì)大多數(shù)已有的各類硬件設(shè)備提供了廣泛的驅(qū)動(dòng)支持，并且更新很快。我們只需要開發(fā)或移植系統(tǒng)中特定型號(hào)設(shè)備如LCD、觸摸屏、網(wǎng)口等的驅(qū)動(dòng)程序即可，非常方便。中間件層主要有文件系統(tǒng) filesysytem、圖形用戶接口GUI 等。文件系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)中包含的大量各種文件進(jìn)行管理。GUI 負(fù)責(zé)GIS 地圖顯示和圖形用戶界面等涉及復(fù)雜圖形圖像處理的應(yīng)用，選擇Trolltech 公司研發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt 版本Qte，它是一個(gè)專門為小型設(shè)備提供圖形用戶界面的應(yīng)用框架和窗口系統(tǒng)，也是完整的自包含的C++ GUI 和基于Linux的嵌入式平臺(tái)開發(fā)工具，提供了豐富的可定制的窗口部件和的圖形界面。應(yīng)用平臺(tái)采用建立在 Qt/E 之上的Qtopia，它是一個(gè)類似桌面系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，為基于Linux 操作系統(tǒng)的智能終端提供了一個(gè)完整的圖形環(huán)境。包括一系列常見的實(shí)用程序，以及核心的應(yīng)用框架和插件系統(tǒng)?？梢允褂闷涮峁┑腁PI 和工具開發(fā)上層的應(yīng)用程序。用戶應(yīng)用程序?qū)迂?fù)責(zé)具體的業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)應(yīng)用功能需求。在本系統(tǒng)中該層最主要的就是實(shí)現(xiàn)GPS 定位信息的接收和處理，以及GIS 數(shù)字地圖兩大核心業(yè)費(fèi)信息功能，并提供圖形用戶界面。5 詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)選用 Compass Systems 公司生產(chǎn)的GM611 型GPS 信號(hào)衛(wèi)星接收機(jī)，它具有標(biāo)準(zhǔn)的NMEA0183 格式的定位數(shù)據(jù)輸出。NMEA0183 協(xié)議是目前GPS 接收機(jī)上使用最廣泛的協(xié)議，大多數(shù)常見的GPS 接收機(jī)、GPS 數(shù)據(jù)處理軟件、導(dǎo)航軟件都遵守或兼容這個(gè)議。GPS 接收機(jī)根據(jù)NMEA0183 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以ASCII 碼的形式將位置、速度等信息通過串口傳送到外部設(shè)備。NMEA0183 協(xié)議定義的語句中最常用兼容性最廣的有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL 等，它們定義了6 種數(shù)據(jù)幀類型，每種數(shù)據(jù)幀都包含了有關(guān)當(dāng)前位置的詳盡的定位信息，通過提取和解析相關(guān)數(shù)據(jù)幀，即可獲取當(dāng)前所在點(diǎn)的位置信息。所有NMEA 數(shù)據(jù)幀格式均以ASCII 碼“$”開始，以回車換行符（即CRLF）結(jié)束，ASCII 碼“$”后是一個(gè)5 字符的標(biāo)志符，信息中的數(shù)據(jù)區(qū)是由ASCII 碼的逗號(hào)來劃分界限，ASCII 碼“*”之后的為校驗(yàn)和。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航功能只需獲得所在位置的經(jīng)度、緯度、速度、方向、時(shí)間等GPS定位數(shù)據(jù)，因此只需對(duì)GPRMC（推薦最小定位信息）數(shù)據(jù)幀進(jìn)行提取和解析。如圖 所示是GPRMC 數(shù)據(jù)幀的格式圖 $GPRMC 幀的格式本系統(tǒng)的 GPS 接收機(jī)通過RS232 標(biāo)準(zhǔn)的接口與開發(fā)板的串口連接，進(jìn)行輸入/輸出通信。因此要獲取GPS 定位數(shù)據(jù)，就要在嵌入式linux 環(huán)境下開發(fā)GPS 應(yīng)用程序，通過串口I/O 操作，與GPS 接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。移植的嵌入式 Linux 內(nèi)核源碼中包含了完整的串口驅(qū)動(dòng)程序，串口驅(qū)動(dòng)程序通過ttyS 設(shè)備進(jìn)行注冊(cè)，其中串口串口2 對(duì)應(yīng)的設(shè)備名依次為“/dev/ttyS0”、“/dev/ttyS1”。對(duì)串口的操作就跟普通文件一樣。GPS 串口I/O 的應(yīng)用開發(fā)流程包含以下幾個(gè)步驟：首先調(diào)用open 函數(shù)打開串口；接下來設(shè)置串口屬性為：波特率4800bps，數(shù)據(jù)位8 位，停止位1位，無校驗(yàn)位；然后調(diào)用read/write 函數(shù)讀寫串口；最后待所有操作結(jié)束后調(diào)用close 函數(shù)關(guān)閉串口。GIS 地圖子系統(tǒng)最主要的是實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖的功能。該模塊負(fù)責(zé)讀取保存在存儲(chǔ)介質(zhì)中的數(shù)字地圖，經(jīng)過坐標(biāo)相關(guān)的轉(zhuǎn)換處理，最后將地圖繪制到顯示設(shè)備中。同時(shí)將GPS 定位模塊輸出的定位信息顯示出來，并在地圖上標(biāo)注出當(dāng)前位置，起到可視化定位導(dǎo)航的目的。本文選擇完全開放的交換地圖數(shù)據(jù)格式 MIF（MapInfo Interchange Format）格式作為本系統(tǒng)的地圖數(shù)據(jù)源。MIF 地圖數(shù)據(jù)文件是以純文本方式存儲(chǔ)的，完全開放的明碼形式的數(shù)據(jù)格式，開發(fā)者可以完全地了解和解析其中的任意字段內(nèi)容，對(duì)程序開發(fā)和數(shù)據(jù)交換提供了極大的便利。MIF 格式地圖數(shù)據(jù)的點(diǎn)、線、面要素可以存儲(chǔ)在同一個(gè)文件中。除了各點(diǎn)坐標(biāo)之外，還詳細(xì)記錄了點(diǎn)、線、面要素的形狀和顏色等繪圖特征，圖形繪制效果較好。系統(tǒng)矢量地圖數(shù)據(jù)是由 MIF 格式的文件和MID 格式的文件共同組成。其中，MIF 文件存儲(chǔ)所有空間對(duì)象的圖形數(shù)據(jù)，主要包括每個(gè)點(diǎn)對(duì)象的點(diǎn)位坐標(biāo)、符號(hào)樣式；每個(gè)線對(duì)象的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、線樣式；每個(gè)面對(duì)象的包含的子面?zhèn)€數(shù)、每個(gè)子面的節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、填充模式等內(nèi)容。而MID 文件則按記錄順序保存了每個(gè)空間對(duì)象的所有屬性信息數(shù)據(jù)。這兩個(gè)文件都是文本性質(zhì)的文件，用戶可以方便地通過相應(yīng)的文件讀寫方法實(shí)現(xiàn)對(duì)文件內(nèi)容的讀寫。在詳細(xì)了解地圖數(shù)據(jù)格式的基礎(chǔ)上，可分別讀取 MIF/MID 文件中的各字段信息，構(gòu)造地圖各圖元對(duì)象。為了使地圖圖元要素的圖形信息與屬性信息相匹配，在讀取MIF 文件中要素的圖形數(shù)據(jù)時(shí)，要同時(shí)對(duì)同名的MID 文件中相應(yīng)要素的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。讀取MIF文件中的點(diǎn)信息比較簡(jiǎn)單，只要按順序讀取各坐標(biāo)和屬性即可。而在讀取線狀和面狀圖元時(shí)，需要先判斷有幾個(gè)線段和面塊區(qū)域，然后分別讀取各線段和面塊的各點(diǎn)坐標(biāo)及其屬性。地圖子系統(tǒng)需要建立一個(gè)層次清晰合理的地圖對(duì)象體系結(jié)構(gòu)，包含各類型地圖圖元的圖形和屬性信息，并提供繪制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、幾何操作相關(guān)等方法。如圖 所示為系統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)對(duì)象模型。其中MapLayer 類為地圖圖層（對(duì)應(yīng)MIF 地圖文件），負(fù)責(zé)管理圖層中的所有圖形要素。圖層中包含各種類型的圖元對(duì)象MapObject，圖元又包含圖形幾何數(shù)據(jù)MapGeometry和屬性數(shù)據(jù)MapAttr。幾何數(shù)據(jù)可用于圖元圖形的繪制和幾何操作，屬性數(shù)據(jù)則用于圖元的標(biāo)注和查找。SpatialReferenceSys 定義的是相關(guān)的空間參考系統(tǒng)，投影和坐標(biāo)系等，用于實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和幾何操作等。三種圖元幾何數(shù)據(jù)類型即基本的點(diǎn)、線、面類型，分別為MapPoint、MapPline、MapRegion