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GPS定位系統機器功能的實(shí)現(一)
前言
隨著(zhù)國家信息化程度的提高及計算機網(wǎng)絡(luò )和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，電子政務(wù)、電子商務(wù)、數字城市、數字省區和數字地球的工程化和現實(shí)化，需要采集多種實(shí)時(shí)地理空間數據，因此，中國發(fā)展CORS系統的緊迫性和必要性越來(lái)越突出。幾年來(lái)，國內不同行業(yè)已經(jīng)陸續建立了一些專(zhuān)業(yè)性的衛星定位連續運行網(wǎng)絡(luò )，目前，為滿(mǎn)足國民經(jīng)濟建設信息化的需要，一大批城市、省區和行業(yè)正在籌劃建立類(lèi)似的連續運行網(wǎng)絡(luò )系統，一個(gè)新的建網(wǎng)高潮正在到來(lái)。
當前國內不同行業(yè)建設的網(wǎng)站系統基本上還是獨立運行的，很多單位的數據只在本單位甚至是本部門(mén)內共享和利用。目前國內市場(chǎng)上的連續運行參考站的建站方案動(dòng)則百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)的資金投入相對于這些小規模的應用對連續運行參考站的需求而言就顯得投入與產(chǎn)出太過(guò)于失衡，導致許多行業(yè)與單位只能對連續運行參考站系統望而怯步。
GPS即Global Position System—全球定位系統。上個(gè)世紀80年代初，我國一些院校和科研單位已開(kāi)始研究GPS技術(shù)。80年代中期，我國引進(jìn)GPS接收機，并應用于各個(gè)領(lǐng)域。我國GPS監控系統應用走過(guò)了及其緩慢的發(fā)展道路。 1999年—2004年,GPS監控系統市場(chǎng)出現了快速增長(cháng)的勢頭，隨著(zhù)我國GSM數字移動(dòng)通信系統的快速發(fā)展與全國普及，作為系統瓶頸問(wèn)題的通信網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)采用GSM公眾網(wǎng)的短消息服務(wù)，找到了新的出路。而在國外，這方面的研究早已開(kāi)始并取得了一定的成果。像歐美、日本等國，利用GPS技術(shù)的自主導航產(chǎn)品非常普及。世界上有超過(guò)100家的公司正在研制各種各樣的GPS用戶(hù)接收機。其中車(chē)輛應用所占的比重最大。
GPS技術(shù)的成熟與發(fā)展，為各類(lèi)運動(dòng)載體的精密實(shí)時(shí)定位提供了有力保障。如利用GPS對車(chē)輛或船舶進(jìn)行導航和監控[2]。同時(shí)，隨著(zhù)信息技術(shù)的日益發(fā)展，PDA的體積越來(lái)越小巧，集成的功能越來(lái)越強大。PDA正朝著(zhù)計算、通信、網(wǎng)絡(luò )、存儲、娛樂(lè )、電子商務(wù)等多功能的融合的趨勢發(fā)展[3]。目前結合GPS和PDA兩者的優(yōu)勢進(jìn)行應用開(kāi)發(fā)還很少，雖然有一些應用實(shí)例[4]，如在GIS領(lǐng)域，PDA和GPS應用于野外測量中，但它們應用的潛力還遠未被挖掘出來(lái)。本文有機結合GPS和PDA的優(yōu)勢，提出了一種通用靈活的電子導游系統的解決方案，討論系統設計的關(guān)鍵技術(shù)，包括：PDA端電子地圖的繪制、電子地圖的最佳路徑搜索和電子地圖匹配等。
二、系統設計
1、系統概述
先進(jìn)性——在保證系統可靠性和穩定性的前提下，采用當前世界上先進(jìn)的GPS技術(shù)、通訊技術(shù)、軟件設計和開(kāi)發(fā)技術(shù)，以保證系統的性能在較長(cháng)的時(shí)間內不落后，并隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展得到相應的更新。
可靠性——系統設計就是為了更有效的提高在區域內作業(yè)的效率，更合理的應用和利用系統。系統設計以可靠性為前提，否則，不但不能起到應該起到的作用，有可能還帶來(lái)反面的影響。
可拓展性——系統在設計上考慮到產(chǎn)品的可擴展性，獨立的連續運行參考站只需要通過(guò)軟件升級就能接入多基站的連續運行參考站系統。系統可以進(jìn)行整體升級，因此系統在升級時(shí)對終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)是透明的。
高性?xún)r(jià)比——為了極大的降低客戶(hù)的運行成本，在同樣的價(jià)格下，盡量讓客戶(hù)享受做好的服務(wù)和高性能的系統。
易用性——在設計系統時(shí)，盡量使用戶(hù)操作界面友好、簡(jiǎn)單、易用，充分體現人性化。
（1）方案目標與內容
GPS定位系統是基于對GPS、PDA和GIS的一種集成運用，是利用PDA的強大功能處理GPS實(shí)時(shí)接收到的數據，再結合電子地圖以實(shí)現各種功能。在GPS定位系統中，PDA對各個(gè)位置的各種數據和信息進(jìn)行組織和管理，并對道路網(wǎng)建立拓撲關(guān)系，以實(shí)現對全局的信息查詢(xún)和最佳路徑的選擇；利用GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并用相關(guān)算法對GPS接收到的數據與電子地圖進(jìn)行匹配，達到精確定位的目的，最終實(shí)現用戶(hù)所需要的功能�！PS定位系統應能提供以下功能：地圖的設置、瀏覽、縮放；基于電子地圖的實(shí)時(shí)定位并顯示在電子地圖上；通過(guò)電子地圖查詢(xún)所有景點(diǎn)位置的詳細信息；用戶(hù)當前位置到其他位置的信息查詢(xún)；導向功能，及時(shí)指出戶(hù)的行進(jìn)方向；準確的時(shí)間日期信息；最短路徑搜索，為用戶(hù)提供一個(gè)目標點(diǎn)到另一目標點(diǎn)的最佳路徑；關(guān)鍵詞查詢(xún)目標詳細信息及其在地圖上的位置。
（2）關(guān)鍵技術(shù)
要實(shí)現上述功能涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有：
(1)如何利用GPS和PDA對景區進(jìn)行坐標采集以及在此基礎上實(shí)現電子地圖的自動(dòng)繪制。如果有基準接收機和用戶(hù)接收機，利用差分的原理就可以采集到很精確的坐標；因為本系統用的是單GPS接收機進(jìn)行坐標采集，為保證其精確度，在誤差分析的基礎上引入了坐標精度因子和衛星可見(jiàn)數加以控制的控制策略。
(2)怎樣得到景區里任意兩個(gè)景點(diǎn)之間的最佳路徑并在電子地圖上顯示出來(lái)。根據景區里景點(diǎn)的多少及分布的不同可以采用不同的算法。因為本系統是以個(gè)別城市和地區為開(kāi)發(fā)實(shí)例，根據城市和地區的建筑規模和分布的特點(diǎn)，采用的算法是在經(jīng)典的Dijkstra算法分析的基礎上，通過(guò)改變下一節點(diǎn)的判斷標準，對算法進(jìn)行了優(yōu)化，提高了效率；
(3)對GPS接收機接收到的數據與PDA上的電子地圖如何進(jìn)行匹配。地圖匹配算法是借助電子地圖庫中的高精度道路信息作為分類(lèi)模板來(lái)進(jìn)行模式識別，根據識別結果來(lái)矯正GPS接收數據的定位誤差。所提出的電子導游系統采用的具體匹配算法是利用歷史行走軌跡對電子地圖庫中的道路線(xiàn)段信息進(jìn)行實(shí)時(shí)模式識別。
（3）系統組成 系統包括：PDA、GPS接收機、PC、GIS、操作系統、MapXMobile控件、電子地圖、ACCESS數據庫、MapInfoProfessional、EmbeddedVisualC++、EmbeddedVisualBasic等。
2、系統原理和結構
（1）系統原理
連續運行參考站系統是建立在GPS硬件的等技術(shù)平臺之上。它將尖端科技領(lǐng)域的衛星定位技術(shù)和地理信息技術(shù)、通信技術(shù)和先進(jìn)的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)有機的結合在一起，新、透明、可視、實(shí)時(shí)、的測量服務(wù)。
GPS系統，采用了世界領(lǐng)先的GPS全球衛星定位技術(shù)、GSM全球移動(dòng)通訊技術(shù)、GIS地理信息處理技術(shù)、大容量數據采集技術(shù)和大容量數據存儲等計算機網(wǎng)絡(luò )通信與數據處理技術(shù)，同時(shí)盡可能多的采集并記錄大量的數據信息，自動(dòng)生成圖形和數據，進(jìn)行統計、比較、分析、列表，從而提高管理工作的效率。能夠實(shí)現對車(chē)、船等移動(dòng)目標的精確定位、跟蹤及控制，具有定位精度高、穩定性強、使用效果好的特點(diǎn)。
GPS系統由三部分組成，即：定位部分、通信部分和監控部分。定位部分主要用來(lái)確定移動(dòng)目標的位置, 通信部分作為用戶(hù)和監控中心溝通的媒介, 而監控部分則為用戶(hù)提供完善的服務(wù)。整個(gè)系統的結構如圖1所示。
圖1 GPS系統整體結構
系統的工作原理是：安裝在目標上的GPS接收機根據收到的衛星信息計算出目標的當前位置，通信控制器從GPS接收機輸出的信號中提取所需要的位置、速度和時(shí)間信息，結合目標身份等信息形成數據包，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道發(fā)往監控中心。監控中心的主站接收子站發(fā)送的數據，并從中提取出定位信息，根據各目標的特征等，在監控中心的電子地圖上顯示出來(lái)。同時(shí)，控制中心的系統管理員可以查詢(xún)各目標的運行狀況，根據交通流量合理調度目標。
（2）系統運作的流程如下：
基準站連續不間斷的觀(guān)測GPS的衛星信號獲取該地區和該時(shí)間段的“局域精密星歷”及其他改正參數，按照用戶(hù)要求把靜態(tài)數據打包存儲并把基準站的衛星信息送往服務(wù)器上GPS軟件的指定位置。
用戶(hù)單元接收定位衛星傳來(lái)的信號，并解算出地理位置坐標。
用戶(hù)單元的數據通訊模塊通過(guò)局域網(wǎng)從服務(wù)器的指定位置獲取基準站提供的差分信息后輸入用戶(hù)單元GPS的OEM板進(jìn)行差分解算。
用戶(hù)單元在野外完成靜態(tài)測量后，可以從基準站軟件下載同步時(shí)間的靜態(tài)數據進(jìn)行基線(xiàn)聯(lián)合解算
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