PDA環(huán)境下GPS信號(hào)的接收和處理方法

引言
3PS即全球定位系統(tǒng)，主要有三大組成部分――空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。其中(GPS空間星座部分、地面監(jiān)控部分均為美國(guó)所控制；(GPS的用戶設(shè)備主要由接收機(jī)硬件和處理軟件組成。用戶通過用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終實(shí)現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。目前，許多GPS廠商遵循NMEAO183協(xié)議針對(duì)PDA掌上電腦開發(fā)許多導(dǎo)航型GPS。

GPS通過串口與PDA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，利用(3PS傳來的數(shù)據(jù)，可以在PDA上得到物體的實(shí)時(shí)位置、速度等參數(shù)。通過與GIS系統(tǒng)的集成，可以在PDA上實(shí)現(xiàn)數(shù)字導(dǎo)航，很直觀地在地圖上了解所處的位置等信息。下面具體說明如何實(shí)現(xiàn)GPS與PDA的串口通信。

1 串行通信
每個(gè)Pocket PC都配有一個(gè)串行端口，以便PocketPC與外部串行設(shè)備之間進(jìn)行通信。串行端口的本質(zhì)功能是作為芯片和串行設(shè)備之間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從芯片經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行的位將被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。Windows CE使用了通信驅(qū)動(dòng)程序Comm．drv，以便使用標(biāo)準(zhǔn)的Windows API函數(shù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)程序通常由串口設(shè)備制造商提供，以便將硬件與Windows CE連接。在程序設(shè)計(jì)中，模擬了一個(gè)COM6串口。先使用Comm6．PoxtOpen打開串口，設(shè)置Comm控件的屬性，Timer觸發(fā)OnComm接收GPS信號(hào)的事件，實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的實(shí)時(shí)接收。GPS提供串行通信接口，串行通信參數(shù)為：波特率=57 600 bps，數(shù)據(jù)位=8位，開始位=1位，停止位=1位，無奇偶校驗(yàn)。

2 GPS數(shù)據(jù)格式
NMEA0183協(xié)議是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(NationaIMarine Electronlcs Association)制定的GPS接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。NMEA0183定義了若干代表不同含義的語句，每個(gè)語句實(shí)際上是一個(gè)ASCII碼串。這種碼直觀，易于識(shí)別和應(yīng)用。在試驗(yàn)中，不需要了解NMEA0183通信協(xié)議的全部信息，僅需要從中挑選出需要的那部分定位數(shù)據(jù)，其余的信息忽略掉。

GPS與掌上電腦通信時(shí)，通過串口每秒鐘發(fā)送10條數(shù)據(jù)。實(shí)際導(dǎo)航應(yīng)用讀取GPS的空間定位數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)需要每隔幾秒鐘更新一次經(jīng)緯度和時(shí)問數(shù)據(jù)，不必頻繁地更新數(shù)據(jù)，否則，會(huì)浪費(fèi)掌上設(shè)備有限的電能。如果和衛(wèi)星通信正常，可以接收到的數(shù)據(jù)格式如下：$GPGGA，l>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，10>，u>，12>*hhcR>LF>。其具體信息如表l所列。

一個(gè)完整的NEMA0183語句是從起始符“$GPGGA”到終止符“CR>LF>”為止的一段字符串。需要掌握的信息是經(jīng)緯度、經(jīng)緯度方向、GPS定位狀態(tài)和接收信號(hào)的時(shí)間。所以當(dāng)接收到這樣一個(gè)完整的NEMA0183語句時(shí)，提取有用信息的方法是：先判定起始符$GPGGA的位置，從起始符開始讀人數(shù)據(jù)，再通過異或校驗(yàn)后的語句中尋找字符“，”，然后截取前后兩個(gè)“，”之間的字符(串)獲得所關(guān)心的數(shù)據(jù)，并以回車符為一個(gè)CPS語句的終止符，得到一個(gè)完整的GPS信號(hào)。在提取出的GPS語句中，找尋經(jīng)緯度所在的逗號(hào)位置，讀出經(jīng)緯度坐標(biāo)，再將經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行度數(shù)的轉(zhuǎn)換。因?yàn)榈貓D的坐標(biāo)是以度數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的。

3 GPS信號(hào)處理
根據(jù)串行通信的原理，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)的格式，可以設(shè)計(jì)GPS信號(hào)處理模塊以提取與(3PS位置相關(guān)的信息。由于一般用戶坐標(biāo)系均為制圖坐標(biāo)系，所以還要把從GPS信號(hào)中提取的坐標(biāo)由WGS84坐標(biāo)變換為相應(yīng)的54、80坐標(biāo)或地方坐標(biāo)。

3.1 GPS信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)
GPS數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)方案如圖l所示。GPS接收機(jī)通過串口6將定位數(shù)據(jù)(NMEA 0183 Ver2．O)傳給Pocket PC，并將GPS數(shù)據(jù)在電子地圖上定位。在EVB中，借助Comm控件將定位數(shù)據(jù)讀進(jìn)來，接著進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的分類，并提取出所需要的信息，同時(shí)將這些有用的信息傳給主應(yīng)用程序。主應(yīng)用程序再將GPS接收機(jī)的控制信息整理成NEMA0183 VER2．O語句，通過Comm控件的傳遞并發(fā)送到GPS接收機(jī)。這樣，P0cket。PC與GPS接收機(jī)的串口通信和GPS定位數(shù)據(jù)處理功能通過進(jìn)程外的ActiveX服務(wù)器封裝，將系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能通過操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理器來實(shí)現(xiàn)．從而繞過了EVB單線程的不足。

3.2 GPS信號(hào)接收和處理過程
GPS接收到位置信號(hào)后，系統(tǒng)將對(duì)GPS的定位信息進(jìn)行分解并提取出有用數(shù)據(jù)。GPS信號(hào)接收和處理的過程：通過串口6將GPS輸出的數(shù)據(jù)傳遞給PDA，PDA主程序獲得目標(biāo)當(dāng)前的位置(經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔)，將接收機(jī)獲得的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，從中得到目標(biāo)當(dāng)前的位置和格林威治時(shí)間(該時(shí)間加上8小時(shí)即為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí))，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再將當(dāng)前位置顯示在電子地圖上。GPS信號(hào)接收和處理如圖2所示。

3.3 GPS信號(hào)的接收程序?qū)崿F(xiàn)
系統(tǒng)采用Embedded Visual Basic中的Comm通信控件和Timer定時(shí)器。定時(shí)器設(shè)置為每隔2 s更新1次經(jīng)緯度和時(shí)間數(shù)據(jù)。每個(gè)Comm控件提供一個(gè)通信端口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

開始實(shí)時(shí)接收。
Prlvate Sub mnustart()
Timerl.lrlteIval=2000
Timerl.Enabled=True
Comml．CommPort=6
Comml．Settings=″57600，N，8．1″
Comml．PortOpen=True
strsmsdata=Comml．Input ′去除串口Buffer中的暫存信息
Timerl_Timer
End Sub
Private Sub TimerLTimer()
Dim IngNextvbCrLf As Long′記錄下一個(gè)回車換行符位置
Dim IngFirstGPGGA As Long
Dim Message As String
Dim sDate As String
Dim cn
strsmsdata=Comml．Input
IngFirstGPGGA=Instr(1，strsmsclata，″＄GPGGA″)
If lngFirstGPGGA Then
IngNextVbCrLf=lnstr(IngFirstGPGGA+1，
strsmsdata，vbCrLf)
Message=Mid(Strsmsdata，ingFirstGPGGA，lngNextvb
CrLf-ingFirstGPGGA)
ParseNMEAMessage Message，dblXCoord，dblYCoord，sDate
ProcessInput dblXCoord,dblYCoord
End Tf

4 GPS坐標(biāo)變換
GPS定位所得出的結(jié)果屬于WGS84坐標(biāo)，而在工程上實(shí)用的大多是國(guó)家坐標(biāo)系，或者是獨(dú)立坐標(biāo)系。獨(dú)立坐標(biāo)系一般是在國(guó)家坐標(biāo)系基礎(chǔ)上形成的，因此，GPS定位結(jié)果的使用中就有與國(guó)家坐標(biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。一般要通過兩步轉(zhuǎn)換：首先將WGS84的大地坐標(biāo)(L，B)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于WGS84橢球的高斯平面坐標(biāo)(X84、Y84)，然后再經(jīng)過平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將高斯平面坐標(biāo)(X84、Y84)強(qiáng)制附合到本地高斯平面坐標(biāo)系統(tǒng)。

4.1高斯換算
將GPS定位所得出的大地坐標(biāo)(L，B)轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標(biāo)(X84、Y84)。有關(guān)的推導(dǎo)過程較復(fù)雜，本文只給出結(jié)果：

式中，ι=(L―L。)／p，ιo為投影帶中央子午線經(jīng)度，ρ=206 265s/rad；酉圈曲率半徑橢球第一偏心率e=2α-α2；輔助變量t=tgB；輔助變量η=e′cosB；橢圓第二偏心率分別為參考橢球的長(zhǎng)短半徑）；扁率α=（a-b）/a；X為赤道至緯度為B的平行圈的子午線弧長(zhǎng)，其計(jì)算公式為

4.2平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的目的就是將高斯平面坐標(biāo)(X84、Y84)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)貒?guó)家坐標(biāo)系或獨(dú)立坐標(biāo)系下的高斯平面坐標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了一種平均轉(zhuǎn)軸相似轉(zhuǎn)換法。以轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)系中的(X54、Y54)為例，說明該方法的實(shí)現(xiàn)過程。

首先，根據(jù)公共點(diǎn)分別在WGS84坐標(biāo)系和北京54坐標(biāo)系中的高斯平面坐標(biāo)，求出公共點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系中同一邊的方位角之差△a和長(zhǎng)度比例系數(shù)k。然后，按下式計(jì)算任一點(diǎn)在北京54坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

式中：xo，yo分別為公共點(diǎn)在北京54中重心坐標(biāo)；x′，y′o，分別為公共點(diǎn)在WGS84中重心坐標(biāo)；k為同一邊在北京54與WGS84中的邊長(zhǎng)之比，當(dāng)有兩條以上公共邊時(shí)，分別求出，取平均值；△Aa為同一邊在北京54與WGS84中的方位角之差，△a=a54一a84，當(dāng)有兩個(gè)以上公共點(diǎn)時(shí)，分別求出，取平均值。

4.3生成空間交換格式矢量數(shù)據(jù)
野外用GPS-PDA采集調(diào)查對(duì)象的幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是一個(gè)自定義的格式，經(jīng)處理后，將定位數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)融合生成符合要求的空間矢量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)交換格式。這種標(biāo)準(zhǔn)格式的矢量數(shù)據(jù)文件由6部分組成：文件頭、要素類型參數(shù)、屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、幾何圖形數(shù)據(jù)注記和屬性數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用實(shí)例
選取聯(lián)想天璣XP208型PDA和NAVMAN GPS1010型CF卡式GPS接收設(shè)備，用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄GPS定位信息和屬性數(shù)據(jù)。

開機(jī)運(yùn)行主程序，進(jìn)入主界面，代碼設(shè)置和參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)入測(cè)量界面。首先，選擇測(cè)量模式，對(duì)于不規(guī)則地物一般采用“連續(xù)測(cè)量”模式，規(guī)則地物采用“間斷測(cè)量”模式。然后，點(diǎn)擊測(cè)量鍵，開始測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。默認(rèn)觀測(cè)時(shí)間10 s，系統(tǒng)響鈴提示，按暫停鍵結(jié)束該點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的記錄。此時(shí)，在PDA屏幕上顯示出測(cè)得的第1點(diǎn)。同時(shí)在遷站過程中，GPS接收機(jī)繼續(xù)保持跟蹤衛(wèi)星，在下一個(gè)待測(cè)點(diǎn)上，按測(cè)量鍵繼續(xù)記錄，按暫停鍵結(jié)束該點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的記錄。依次測(cè)得余下的點(diǎn)并顯示。如果此時(shí)輸入屬性，則點(diǎn)擊輸入屬性鍵后．用“筆”在該圖斑中點(diǎn)任意一點(diǎn)，彈出對(duì)話框。選擇地物要素后，自動(dòng)彈出圖斑的屬性錄入界面。實(shí)地測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

結(jié) 語
通過本設(shè)計(jì)方法，可以將GPS定位導(dǎo)航信息從GPS接收機(jī)完整接收，經(jīng)過坐標(biāo)變換后存儲(chǔ)為空間矢量交換格式；處理后的空間數(shù)據(jù)可以為其他應(yīng)用系統(tǒng)，如各種GIS、RS、ITS(Intelligent Transportatl011 System)等使用，實(shí)現(xiàn)在車載導(dǎo)航、智能交通、野外勘探、旅游等方面的應(yīng)用。本文所講述的例子是在有線串口上實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以采用其他接口方式來實(shí)現(xiàn)GPS與PDA的互連，比如紅外接口、藍(lán)牙技術(shù)等。通過適當(dāng)?shù)匦薷?，可以方便地?yīng)用到其中。