【正文】 31 圖車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)硬件的整體構(gòu)成圖GPS接收機(jī)與車載計(jì)算機(jī)通過通訊傳輸轉(zhuǎn)換接口相連接，其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖32所示GPS接收機(jī)通訊傳輸轉(zhuǎn)換接口車載計(jì)算機(jī)車載顯示單元圖32 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示圖 GPS接收機(jī)的選用 GPS接收機(jī)的分類GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。根據(jù)使用目的的不同，用戶要求的GPS信號(hào)接收機(jī)也各有差異。一般采用C/A碼偽距測量，單點(diǎn)定位精度較低，一般為士25mm，有SA影響時(shí)為士100mm。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可進(jìn)一步分為:車載型—用于車輛導(dǎo)航定位。航空型—用于飛機(jī)導(dǎo)航定位。②測地型接收機(jī):測地型接收機(jī)主要用于精密大地測量和精密工程測量，定位精度高，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。(2)按接收機(jī)的載波頻率分類①單頻接收機(jī):單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號(hào)，測定載波相位觀測值進(jìn)行定位。②雙頻接收機(jī):雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收L1, L2載波信號(hào)。單雙頻接收機(jī)的性能比較如表31所示表 31 單雙頻接收機(jī)的性能比較表單頻機(jī)雙頻機(jī)技術(shù) 成熟不很成熟產(chǎn)量大（≈100倍）小所需電子元件少多對(duì)微處理器的要求低高昂貴的相關(guān)器和Z碼發(fā)生器不要要P碼影響無有功耗小大（1≈5倍）體積小大（2≈5倍）重量小大（1≈5倍）故障率（MTBF）低高（好幾倍）信息量小多（1倍）解模糊率速度慢快（幾倍）最大量程（Km）20（有CCD技術(shù)者400）500精度5≈10mm+1≈2ppm5mm+1ppm價(jià)格便宜貴（2≈4）倍(3)按接收機(jī)通道數(shù)分類 GPS接收機(jī)能同時(shí)接收多顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱其為天線信號(hào)通道。②序貫通道接收機(jī)。(4)按接收機(jī)工作原理分類①碼相關(guān)型接收機(jī)碼相關(guān)型接收機(jī)是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測值。③混合型接收機(jī)這種儀器是綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。本文設(shè)計(jì)的車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)需要車載型的導(dǎo)航定位接收機(jī)，而且定位精度要求不是很高，因此采用偽距單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位原理實(shí)現(xiàn)車載的定位要求。GARMIN公司生產(chǎn)的GPS25LP接收機(jī)定位精度不是特別的高，但是對(duì)于民用的導(dǎo)航10m的定位精度已經(jīng)完全足夠。Garmin公司生產(chǎn)的GPS25 OEM的內(nèi)部原理框圖如圖33所示。它采用超薄型的設(shè)計(jì)，而且體積小、外形美觀大方，用戶使用方便。其外形如圖34所示。它采用單一士5V供電，內(nèi)置保護(hù)電池，具有RS232, TTL兩種電平，可自動(dòng)輸出NMEA 0183語句，同時(shí)支持RTCM差分輸入，提供1PPS秒脈沖。動(dòng)態(tài)性能:速度:999km/s 。加加速度:60m/s3 。熱啟動(dòng):15sec。動(dòng)搜索:90sec。坐標(biāo)系統(tǒng):102個(gè)預(yù)定義。 圖34 Garmin GPS 25 OEM板②接口性能電氣特性:兩個(gè)RS232兼容TTL串行口。數(shù)據(jù)格式:NMEA0183 ， ASCII。輸出數(shù)據(jù):位置，速度，時(shí)間，機(jī)器/衛(wèi)星狀態(tài),幾何因子及誤差估計(jì)。③電氣特性輸入電壓:+/5%。后備電源:板置3V鋰電池(10年壽命)。④外部接口天線接口:50ohm MCX接頭有源天線(5V)。⑤環(huán)境特性工作溫度:35C+85C。串行數(shù)據(jù)線串行數(shù)據(jù)地址1…4…8910…+5V 圖35 GPS25 OEM板與外界接口的典型連接 GPS接收機(jī)與PC機(jī)間的接口電路 GPS Garmin GPS25 OEM對(duì)外具有輸入輸出接口，擁有并行12個(gè)通道，能夠同時(shí)跟蹤12顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星，具有2個(gè)兼容RS232的雙向數(shù)字通道，能同時(shí)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的NMEA0183數(shù)據(jù)，因此可供二次開發(fā)。前置放大器（可選件）電源GARMIN GPS25 傳感器接 收 發(fā) 送 1 2 1 2 秒脈沖同步信號(hào)系統(tǒng)處理器顯示器鍵盤天線射頻信號(hào)+5V圖 37 GPS25 OEM 板與PC機(jī)典型接口電路圖在本課題的實(shí)際應(yīng)用中，由于只需從GPS接收機(jī)中接收定位數(shù)據(jù)，而不需向外發(fā)送任何數(shù)據(jù)，所以僅選擇1個(gè)通道即可。本課題所采用的GPS接收機(jī)與車載計(jì)算機(jī)之間串行通訊的接口電路圖如圖38所示。本章針對(duì)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際性能需要選取了合適的硬件接收設(shè)備，根據(jù)GPS接收機(jī)的接口特點(diǎn)，對(duì)GPS25 OEM板與PC機(jī)間串行通訊的接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。第4章 接收機(jī)與計(jì)算機(jī)間通訊的連接設(shè)計(jì)第4章 接收機(jī)與計(jì)算機(jī)間通訊的連接設(shè)計(jì)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)功能包括：數(shù)據(jù)跟蹤功能,圖上跟蹤功能,模擬顯示功能,智能查詢功能,路徑尋優(yōu)功能,自動(dòng)存檔功能等功能。 (1)采用地圖匹配技術(shù) 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)借助車載計(jì)算機(jī)和電子地圖，進(jìn)行地圖匹配(簡稱MM )，以進(jìn)一步提高車輛定位精度。(2)地理信息及多媒體技術(shù)有機(jī)結(jié)合車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)將GPS, GIS和多媒體計(jì)算機(jī)三種技術(shù)有機(jī)的組合起來，使得地理信息的顯示更加逼真化、形象化。本課題中車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)軟件部分主要分為三大塊:(1)GPS數(shù)據(jù)的接收和處理:利用GPS接收機(jī)串行口通訊將定位所需的經(jīng)、緯度、移動(dòng)速度、時(shí)間等定位導(dǎo)航信息采集到車載計(jì)算機(jī)中，為車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)準(zhǔn)確的定位導(dǎo)航提供有利的數(shù)據(jù)資源。(2)GPS和GIS(電子地圖)的數(shù)據(jù)通訊和集成:通過OLE(或DDE)等數(shù)據(jù)交換的方法，實(shí)現(xiàn)GPS和GIS兩個(gè)不同系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊，并將這兩個(gè)系統(tǒng)集成化，實(shí)現(xiàn)集成環(huán)境下，電子地圖背景下定位導(dǎo)航信息的實(shí)時(shí)顯示，從而完善整個(gè)系統(tǒng)。 GPS接收機(jī)與車載計(jì)算機(jī)間的串行通訊—NMEA接收輸出語句本設(shè)計(jì)采用的GPS25 OEM板采用NMEA 0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式，可以輸出多種句型，均以字符“$”開頭的ASCII碼字符，其內(nèi)容包含了緯度，經(jīng)度，高程，速度，日期，時(shí)間，航向，衛(wèi)星狀況等信息。程序設(shè)計(jì)中，對(duì)串行口的操作包括:串行口的初始化: 設(shè)置串行口的端口，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位，波特率設(shè)為4800bps。數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)處理過程中，針對(duì)需要的定位信息的要求，設(shè)計(jì)了如下的串行通訊思想:(1)由于接收到的定位數(shù)據(jù)語句很多，而我們僅需要定位語句起始標(biāo)志為$GPRMC”的語句，因此必須對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，才能得到所需的定位語句，因此判斷“$GPRMC”成為過濾的一個(gè)條件。(2)定位語句起始標(biāo)志為“$GPRMC39。(3)但是，在數(shù)據(jù)接收的過程中往往會(huì)有兩種情況，一種情況是每幀會(huì)得到一個(gè)以“$GPRMC”開頭的完整語句，另一種情況是上一幀的后半部分再加下一幀的前一部分共同組成一個(gè)完整的以“$GPRMC”開頭的定位語句?；谝陨先c(diǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)串行口數(shù)據(jù)通訊的程序流程圖如下圖41所示。本章對(duì)接收機(jī)與車載計(jì)算機(jī)間的串行通訊作了設(shè)計(jì)，將GPS信號(hào)與電子地圖中的道路相匹配，成功解決了GPS單點(diǎn)定位帶來的精度不高的問題。本章就這一問題，針對(duì)特定的道路網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)出合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用Dijkstra算法設(shè)計(jì)出一種最短路徑的尋優(yōu)方法。 最短路徑最短路徑可用線性規(guī)劃求解，也可處理成動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解，而求解權(quán)值大于零的網(wǎng)絡(luò)圖的最短路徑，公認(rèn)的最好的簡捷有效的方法是由狄克斯持拉( )于1959年提出的經(jīng)典圖論中的Dijkstra算法，也稱標(biāo)號(hào)法。從起點(diǎn)到終點(diǎn)的P標(biāo)號(hào)點(diǎn)序列就代表了所求的最佳路徑。Dijkstra研究的問題就是對(duì)于的帶權(quán)值的圖G和源點(diǎn)Vi和終點(diǎn)Vj，求源點(diǎn)Vi和終點(diǎn)Vj之間的路徑的最短路徑。(2)Dijkstra算法描述如果道路網(wǎng)中的各頂點(diǎn)分別為v, v,K , v, Dijkstra算法不僅可求出從v到v的最短道路，而且可求出從v到各頂點(diǎn)的最短道路。T標(biāo)號(hào)表示從始點(diǎn)到這一點(diǎn)的最短道路長的上界。每一步把某個(gè)點(diǎn)的T標(biāo)號(hào)改變?yōu)镻標(biāo)號(hào)，這樣一旦終點(diǎn)得到P標(biāo)號(hào)，算法停止。在討論過程中，設(shè)l為任意兩頂點(diǎn)v和v間的長度，假定邊長l≥0如果頂點(diǎn)v與v不鄰接，則令1=+∞ (在實(shí)際計(jì)算中，可用任意足夠大的數(shù)代替)，同時(shí)，對(duì)圖中每個(gè)頂點(diǎn)，令l = 0 o求從一個(gè)始點(diǎn)v到一個(gè)終點(diǎn)v的最短道路，詳細(xì)步驟如下:(1)給始點(diǎn)v標(biāo)上P標(biāo)號(hào)，設(shè)距離d(v)=0，給其他各點(diǎn)標(biāo)上T標(biāo)號(hào)，設(shè)d(v)=l(j=2,3,. . . . ..,N)。(3)新計(jì)算具有T標(biāo)號(hào)的其他各點(diǎn)的T標(biāo)號(hào)。一般地，設(shè)P={v│v具有P標(biāo)號(hào)}，T={ v│v具有T標(biāo)號(hào)},令d(v)=min {d(v)} (53)為點(diǎn)的P標(biāo)號(hào)，于是v∈P，把T中的vj的T標(biāo)號(hào)修改為min{d(v)，d(v)+l} (54)重復(fù)上述步驟，直到V∈P，這時(shí)的d(v)就是從v到v的最短道路。算法的正確性是顯然的，因?yàn)?，在任一步，設(shè)P中每一點(diǎn)的P標(biāo)號(hào)是從v到該點(diǎn)的最短道路長，那么只要說明式(53 )中的d(v)正是v到v的最短路徑就行了。標(biāo)號(hào)程序算法流程圖如圖51所示：d(v)=0 d(v)=+,j=2,…NT={v,v…..v}k = 1p = 1 d(x)=min{d(v),d(v)+i}S =min{d(v)} P記下取最小值的第一個(gè)下標(biāo)輸出d(v),j=2,…NT =T\{v}k=k+1k =N 1圖51 標(biāo)號(hào)程序算法流程圖 集成環(huán)境下的路徑尋優(yōu)在GIS中，為了真實(shí)地反映地理實(shí)體，記錄的數(shù)據(jù)不僅要包含實(shí)體的位置、形狀、大小和屬性，還必須反映實(shí)體之間的相互關(guān)系，即拓?fù)潢P(guān)系，它具有在圖形連續(xù)狀態(tài)下變形但其性質(zhì)不變的特性。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是GIS的靈魂和關(guān)鍵，為了使開發(fā)出的GIS盡可能準(zhǔn)確地反映地理空間，能夠較好地滿足GIS用戶各方面的需要，必須建立合適的拓?fù)淠Ｐ?。本文采用的是?dāng)今流行GIS軟件采用的最新數(shù)據(jù)模型—面向?qū)嶓w的數(shù)據(jù)模型。交通圖主要由眾多街道相交、相連而構(gòu)成，并組成縱橫交織、錯(cuò)綜復(fù)雜的城市交通網(wǎng)絡(luò)圖。 (1)路或街道交叉點(diǎn)表—Roadnodes表:其結(jié)構(gòu)如表51所示。, 2, 3, 4等。obj字段可用來標(biāo)識(shí)出相應(yīng)的地圖對(duì)象(此處為點(diǎn)對(duì)象)，通過“obj”字段就把表中各交叉點(diǎn)記錄與其對(duì)應(yīng)的圖形對(duì)象建立了聯(lián)系。其中“obj”字段關(guān)聯(lián)的地圖對(duì)象為地圖中的折線對(duì)象(用折線表示路或街道)，roadnumber為路或街道編號(hào)，name為其名稱。 表52 road表ObjroadnumberName———(3)路段與路段(或街道與街道)的關(guān)系表—Roadline表:一條路或街道總是由若干段組成，此表就是用來存儲(chǔ)各條路或街道上其路段與該路或街道的關(guān)系。PathbyID為兩交叉點(diǎn)之間最短路徑，可用最短路徑經(jīng)過的各交叉點(diǎn)的編號(hào)組成的字符序列表示，如“_1_ 2 _ 3_ 4等a routine是由最短路徑所經(jīng)過的各路名組成的字符序列，如中山路解放南路正東路運(yùn)河路。 以上3張表均定義為MapInfo表(MapInfo具有內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫引擎。根據(jù)上述定義的Road表，roadnodes表以及roadline表，利用前面介紹的標(biāo)號(hào)法可自動(dòng)生成roadnodes表中任意兩交叉點(diǎn)的最短路徑及其長度，并存在shortest表中，以備日后查詢。為說明道路網(wǎng)中應(yīng)用標(biāo)號(hào)法來求從v到v間的最短道路及其長度，以一個(gè)11個(gè)頂點(diǎn)的簡單的道路網(wǎng)為例，求從v到v間的最短道路，過程如下圖所示：如圖53所示，各道路長己標(biāo)注。圖54 v的T標(biāo)號(hào)改為P標(biāo)號(hào)可見，頂點(diǎn)v的T標(biāo)號(hào)是所有T標(biāo)號(hào)中最小的，所以，把v的T標(biāo)號(hào)改為P標(biāo)號(hào)，把與頂點(diǎn)v鄰接的頂點(diǎn)v的T標(biāo)號(hào)改為10= min {∞,1 + 9}，其余不變，如圖55。同理，把頂點(diǎn)v的T標(biāo)號(hào)改為P標(biāo)號(hào)，把與其鄰接的頂點(diǎn)v，v的T標(biāo)號(hào)改為6和5，其余不變，如圖57。下頁依次為圖55（v），56（v），57（v），58（v）T改為P標(biāo)號(hào)：圖55 v的T標(biāo)號(hào)改為P標(biāo)號(hào)圖56 v的T標(biāo)號(hào)改為P標(biāo)號(hào)以此類推，如下頁圖58,圖 59和圖510等所示，最終頂點(diǎn)v標(biāo)上P標(biāo)號(hào)，算法結(jié)束。圖中的粗線為從v到v的最短路徑。打開roadline表，計(jì)算每兩個(gè)交叉點(diǎn)的實(shí)際距離，即求得任意兩個(gè)交叉點(diǎn)間的權(quán)值weight 。最短路徑算法流程圖如圖513所示。同時(shí)，本章采用Dijkstra法，對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的公路道路網(wǎng)進(jìn)行最短路徑尋優(yōu)，預(yù)先生成了最短路徑的尋優(yōu)表。結(jié)論結(jié) 論本文主要研究了和設(shè)計(jì)了一種基于GPS的車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)。本課題是一個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目，結(jié)合工程的實(shí)際，對(duì)在系統(tǒng)實(shí)施過程中遇到的幾個(gè)問題提出了切實(shí)可行的解決辦法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，收到了很好的效果。根據(jù)人眼對(duì)刷新頻率的要求，定位數(shù)據(jù)的刷新一般采用每兩秒鐘一次，這樣既動(dòng)態(tài)的接收了定位數(shù)據(jù)，又不使司機(jī)眼花繚亂。 (3)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)重要功能就是利用地理信息系統(tǒng)的空間優(yōu)勢快速生成通往目的地的最短行車路線。同時(shí)，提出了采用Dijkstra法，對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的公路道路網(wǎng)進(jìn)行最短路徑尋優(yōu)的方法，并預(yù)先生成了最短路徑的尋優(yōu)表。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文