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GPS定位數據壓縮算法的設計與實(shí)現
摘要：為了解決嵌入式GPS車(chē)載系統存儲空間小、GPS定位數據量大的矛盾，根據GPS定位數據的特點(diǎn)，提出了專(zhuān)用于GPS定全數據壓縮的改進(jìn)型半字節壓縮算法。該算法是一種在原半字節壓縮算法的基礎上改進(jìn)的算法，經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，壓縮比可達50%。若將壓縮預處理也折算法在內，總壓縮比可達80%以上，為車(chē)載系統節省了大量的存儲資源。除此之外，也縮短了GSM信道的占用時(shí)間，大大地緩解了向控制調度中心上傳數據的壓力。嵌入式GPS車(chē)載系統般體積較小，無(wú)存儲量大的硬盤(pán)等設備，系統程序、應用程序一般裝在FLASH或ROM中。由于FLASH或ROM等存儲介質(zhì)的價(jià)格相對臺式機上廣泛使用的硬盤(pán)、光盤(pán)等來(lái)說(shuō)是非常昂貴的，因此，在開(kāi)發(fā)嵌入式系統的軟件產(chǎn)品時(shí)必須將軟件所占的存儲空間限制在一定的范圍內。
在GPS車(chē)載系統的研發(fā)過(guò)程中，
主要需解決的問(wèn)題是：車(chē)載系統為了實(shí)現自導航，必須存儲大量的GPS定位數據（每天需要存儲約6MB）；其二是這些數據還要通過(guò)GSM信道上傳到控制調度中心（若通過(guò)短信業(yè)務(wù)發(fā)送，每次160B，則需要每分上傳6次）。無(wú)疑，數據壓縮是在不增加硬件成本的前提下，從軟件的角度來(lái)充分發(fā)揮系統現有資源的有效辦法。
數據壓縮方法種類(lèi)繁多，可以分為無(wú)損壓縮和有損壓縮兩大類(lèi)。無(wú)損壓縮利用數據的統計冗余進(jìn)行壓縮。數據統計冗余度的理論限制，般為2：1到5：1。這類(lèi)方法廣泛用于文本數據、程序和特殊應用場(chǎng)合的圖像數據（如指紋圖像、醫學(xué)圖像等）的壓縮。有損壓縮方法利用了人類(lèi)視覺(jué)對圖像中的某些頻率成分不敏感的特性，允許壓縮過(guò)程中的損失一定的信息。雖然不能完全恢復原始數據，但是所損失的部分對理解原始圖像的影響較小，卻換來(lái)了大得多的壓縮比。有損壓縮廣泛應用于語(yǔ)音、圖像和視頻數據的壓縮。
目前現在的壓縮算法很多，但不能直接用于嵌入式系統當中，這完全由嵌入式系統的特點(diǎn)所決定。首先，用于嵌入式系統的數據壓縮方法應是無(wú)損壓縮方法。其次，壓縮代碼和解碼所需的信息代碼必須足夠短，否則就會(huì )失去壓縮的意義。還有，嵌入式系統的數據壓縮必須結合具體的數據格式的特點(diǎn)，才能進(jìn)一步提高數據的壓縮比。除此之外，目前的壓縮程序的啟動(dòng)執行必須人為干擾，不能自動(dòng)執行，因為它們是為文件系統設計的，而嵌入式系統的數據壓縮必須能夠自動(dòng)執行。
1 GPS數據格式
GPS OEM板由變頻器、信號通道、
微處理器和存儲單元等組成。GPS OEM板的型號甚多，性能各異，但大多采用美國國家海洋電子協(xié)會(huì )制定的NMEA-0183通信標準格式。本系統選擇的是美國SiRF公司的SiRFstarII OEM板。SiRFstarII OEM板語(yǔ)句的輸入、輸出是通過(guò)RS232串行接口完成的，其通信端口的數據格式應該設置為8個(gè)數據位、1個(gè)起始位和1個(gè)停止位，校驗方式選為無(wú)奇偶校驗，波特率設置為4800波特。NMEA-0183通信標準的輸出數據采用的是ASCII碼，其內容包含了緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛星狀況等信息，語(yǔ)句有六種，包括GGA，GLL、GSA、GSV、RMC和VTG。對于不同的用途，選用的語(yǔ)句記錄也不同，例如嵌入式GPS車(chē)載系統的使用者只關(guān)心其日期和時(shí)間、糾度、面速度信息，因而可以只選用RMC記錄語(yǔ)句。一條$GPRMC語(yǔ)句包括13個(gè)記錄：語(yǔ)句標識頭、世界時(shí)間、定位狀態(tài)、緯度、緯度方位、經(jīng)度、經(jīng)度方位、地面速度、地面路線(xiàn)、日期、磁偏角、校驗和和結束標記，它一共占用70個(gè)字節（其中還包括用于分隔記錄所使用的11個(gè)逗號），例如：
$GPRMC,121530.998,A,4000.0162,N,11619.5476,E,0.00,240.81,160102,,*3B
由此可見(jiàn)，從SiRFstarII OEM板接收下來(lái)的數據流是文本字符串，根據GPS數據格式的特點(diǎn)，本設計中擬采用半字節法完成壓縮及解壓縮的任務(wù)。該方法屬于無(wú)損壓縮技術(shù)，其原理是去除字節中的冗余位，從而達到壓縮目的。然而，這種方法只適用于純數字文本文件的壓縮，顯然GPS定位數據并不是純數字的，還必須在壓縮前進(jìn)行一下壓縮預處理，最后再利用半字節壓縮算法完成數據的壓縮。
2 壓縮預處理
仔細觀(guān)察以上各段數據記錄，可以發(fā)現語(yǔ)句之間的數據段還存在很多冗余。除此之外，這些記錄中所含的信息既有英文字符又有數字，為了后續的壓縮，對語(yǔ)句中的各個(gè)記錄應做如下的預處理：
①語(yǔ)句標識頭（ID）：因為每個(gè)語(yǔ)句的標識頭都一樣，所以該記錄段屬地冗余信息，完全可以去除，在解壓縮時(shí)再在每個(gè)語(yǔ)句前加上該標識頭即可。
②世界時(shí)間（UTC）：該信息段以時(shí)、分、秒、毫秒的格式指示出當時(shí)世界時(shí)間。轉換為北京時(shí)間還需要再加上8小時(shí)。由于車(chē)載系統的定位數據的采集是以秒為單位的，所以毫秒量級的數據對本系統根本無(wú)用，是冗余信息，由于世界時(shí)間是按秒增1，定位數據也是每委員長(cháng)更新一次，所以世界時(shí)間可以在程序的一開(kāi)始采集記錄一下，在解壓縮時(shí)根據語(yǔ)句的指針值再加上起始時(shí)間便可以復原，因此該記錄段在第一次存儲后，以后的語(yǔ)句中的該信息全都是冗余信息。
③定位狀態(tài)（A/V）：占用1個(gè)字節，不進(jìn)行預處理。由于車(chē)載系統處于的地方有可能收不到衛星信號（如隧道中），致使定位信息無(wú)效，因此盡管該字段發(fā)生變化的概率較小，又與其它信息段不相關(guān)，在此仍不能做預處理。
④緯度：占用9個(gè)字節，不進(jìn)行預處理。
⑤緯度：占用10個(gè)字節，不進(jìn)行預處理
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