一種基于Google Earth的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 隨著交通的便利，自駕車出門游玩已經(jīng)成為常事，人們對導(dǎo)航的需求也日漸強烈。市面上的導(dǎo)航以線框圖的方式為主，而這種方式比較適用于城市內(nèi)部的導(dǎo)航，當(dāng)有需要去郊區(qū)或者山地野外等活動時這種方式就顯得力不從心。而基于Google Earth的GPS導(dǎo)航能有效地滿足對這些需求。在Google Earth免費版本上，利用Google Earth的KML,實現(xiàn)GPS導(dǎo)航和軌跡記錄。系統(tǒng)由三個部分組成：GPS接口，實現(xiàn)與GPS模塊之間的通訊；通過內(nèi)嵌Web服務(wù)器實現(xiàn)與GoogleEarth之間的通訊；基于預(yù)定軌跡的導(dǎo)航功能，實現(xiàn)偏離預(yù)定軌跡時的報警。

1 緒論

隨著科技的發(fā)展車輛的普及，人們對GPS實時導(dǎo)航的需求變的越來越突出。隨之出現(xiàn)了，許多GPS實時導(dǎo)航系統(tǒng)，這其中有軟硬件集成一體的GPS導(dǎo)航設(shè)備，也有基于其他GPS設(shè)備的軟件系統(tǒng)。而所有的這些GPS導(dǎo)航幾乎都是以線框圖為主。線框圖的方式比較適用于城市內(nèi)部的導(dǎo)航，當(dāng)有需要去郊區(qū)或者山地野外去探險等活動時，這種方式就顯得力不從心了。

因為這些地方的地圖信息少，圖示比較粗糙，其次，它提供的時線框的方式去描述地理，顯然不能很深刻的反應(yīng)該地的地貌特征，比如海拔，山野等。而且為了及時更新維護(hù)這些線框圖帶來的代價也時很大的。而這些需求的信息可以在衛(wèi)星地圖上找到。

與此同時Google公司在近些年出來的Google Earth軟件，是一款十分優(yōu)秀的衛(wèi)星地圖服務(wù)軟件，它免費提供的衛(wèi)星地圖精度很高。大部分地區(qū)的地區(qū)都比較清晰，特別是各個城市的照片，可以清晰的看到馬路上的車輛。在中國衛(wèi)星圖像里，一線城市以2009、2010年拍攝的為主，二、三線城市以05、06年的庫存圖片為主，能較好地滿足導(dǎo)航的要求。

在Google Earth Plus以上的收費版本中還提供了GPS接口，能實時地顯示當(dāng)前位置的地圖和移動軌跡。而在免費版本中不帶這個功能。因此，設(shè)計一個基于Google Earth的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)也是很有實際意義的。通過該系統(tǒng)，完成對Google Earth軟件的控制，從而達(dá)到基于GPS的實物圖導(dǎo)航的目的。

此外近期， 基于Google Earth的開發(fā)已經(jīng)很多了， 例如， 利用Google官方提供的3D圖形繪制工具，繪制各種建筑或者樹木等物品，可以上傳擺置在Google Earth上面作為產(chǎn)品展出，也可以設(shè)計各種樹木擺放到山林的平面衛(wèi)星照片上，從而勾勒出具有3D特性的衛(wèi)星地圖，便于防止森林火災(zāi)搶救等應(yīng)用。

2 需求分析

2.1 功能需求

本系統(tǒng)由如下的四部分構(gòu)成：

1）GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS設(shè)備的通訊模塊。

2）WEB服務(wù)器，接受來至于Google Earth的Network Link的請求，響應(yīng)當(dāng)前的坐標(biāo)及軌跡信息。

3）預(yù)定軌跡的導(dǎo)航，根據(jù)預(yù)定軌跡對位置進(jìn)行檢測，實現(xiàn)偏離預(yù)定軌跡時的報警功能。

4）提供軌跡管理和與其他GPS數(shù)據(jù)交換的工具。

2.2 數(shù)據(jù)流分析

如圖1,在整個系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的流動比較的重要，各個功能之間的數(shù)據(jù)信息的交互都是數(shù)據(jù)的流動。GPS硬件設(shè)備是個數(shù)據(jù)源，不停的接受來自衛(wèi)星的信號，通過計算，組織成有格式的數(shù)據(jù)流傳遞到本系統(tǒng)，而本系統(tǒng)對這些GPS信息進(jìn)行讀取，并與系統(tǒng)內(nèi)部的其他的功能配合完成一系列功能。由于系統(tǒng)要控制Google Earth來完成衛(wèi)星地圖的導(dǎo)航功能，所以必須要有一個可以控制Google Earth軟件的方式來完成這個任務(wù)。這個功能需要把之前從GPS硬件設(shè)備讀取的信息以某種方式來控制Google Earth。此外，系統(tǒng)的軌跡管理功能也需要與其他功能配合才能完成一系列的管理功能。

圖1 數(shù)據(jù)流圖

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)模型

圖2 系統(tǒng)模型圖

完成GPS導(dǎo)航的整個系統(tǒng)的模型如圖2所示。這其中包含了很多外部硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，而我們的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是安裝在用戶的PC機或筆記本電腦中的。

首先GPS設(shè)備不斷的接受來至于各個衛(wèi)星的無線信號，通過它本身的固件計算得出當(dāng)前的坐標(biāo)等相關(guān)地理信息。然后與計算機進(jìn)行藍(lán)牙通訊傳送這些地理信息，而在計算機中，操作系統(tǒng)底層把藍(lán)牙通訊模擬成基本的串口通訊，供應(yīng)用程序調(diào)用。本GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，自動識別當(dāng)前計算機中的被模擬為串口的端口號，并不斷的讀取來至于GPS設(shè)備的地理信息。再通過Google Earth控制模塊，控制Google Earth的顯示，若當(dāng)前的地圖信息還未加載，Google Earth會根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)情況，連接Google Earth服務(wù)器獲取對應(yīng)坐標(biāo)視角的地圖信息。用戶一般都是在駕車行駛的時候需要這種導(dǎo)航，所以一般可能的話，可以通過筆記本無線網(wǎng)絡(luò)連接Google Earth服務(wù)器，正如圖2所示。

3.2 功能模塊劃分

整個系統(tǒng)由四大模塊組成。分別為GPS設(shè)備通訊模塊，WEB服務(wù)器模塊，預(yù)定軌跡導(dǎo)航模塊，用戶圖形界面。

1）GPS設(shè)備的通訊模塊根據(jù)操作系統(tǒng)底層對藍(lán)牙的模擬串口，讀取GPS設(shè)備發(fā)送過來的地理信息，并過濾無用信息，動態(tài)的更新到自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中去。

2）WEB服務(wù)器模塊接受來至于Google Earth的Network Link的請求，結(jié)合之前更新在結(jié)構(gòu)體中的坐標(biāo)信息，生成用來改變Google Earth顯示的KML文件，并響應(yīng)Google Earth.

3）預(yù)定軌跡導(dǎo)航模塊先加載KML文件，獲得預(yù)定的軌跡信息。啟動導(dǎo)航功能之后，實時地根據(jù)預(yù)定軌跡對當(dāng)前位置檢測，并在當(dāng)前位置偏離預(yù)定軌跡時，提供報警功能。

4）用戶圖形界面為了便于用戶的快捷使用，本系統(tǒng)提供類似與金山快譯的工具條按鈕組，所有的功能全都由工具條上的幾個形象的按鈕完成。十分便利。

3.3 核心模塊分析

3.3.1 GPS模塊

圖3 GPS模塊分析

這里GPS模塊的輸入是來至于GPS硬件設(shè)備發(fā)送過來的地理信息，而它的輸出是對這些地理信息解析提取出來的坐標(biāo)和軌跡信息，傳遞給GoogleEarth控制模塊。內(nèi)部完成串口數(shù)據(jù)的接受與坐標(biāo)軌跡的提取。

3.3.2 Google Earth控制模塊

圖4 Google Earth控制模塊分析

這個Google Earth控制模塊，有兩個輸入，一個是外部輸入，就是來自于Google Earth的請求，一個是用于構(gòu)造響應(yīng)這個請求時用到的坐標(biāo)與軌跡信息，這些信息來至于GPS模塊，對外輸出就是響應(yīng)Google Earth的KML文件。

3.3.3 串口通訊模塊分析

圖5 串口通訊模塊

在這個過程中，首先GPS設(shè)備不斷的接受來至于各個衛(wèi)星的無線信號，通過它本身的固件計算得出當(dāng)前的坐標(biāo)等相關(guān)地理信息。然后與計算機進(jìn)行藍(lán)牙通訊傳送這些地理信息，而在計算機中，操作系統(tǒng)底層把藍(lán)牙通訊模擬成基本的串口通訊，供應(yīng)用程序調(diào)用。我們的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，自動識別當(dāng)前計算機中的被模擬為串口的端口號，并開啟線程，不斷的讀取來至于GPS設(shè)備的地理信息。這里并不是所有的地理信息在本系統(tǒng)都是有用的，通過程序過濾，提取出當(dāng)前坐標(biāo)點經(jīng)緯度、速度、方向等幾個基本的數(shù)據(jù)信息。把這些信息存儲到結(jié)構(gòu)體中，并通過與之前的坐標(biāo)點的累加，可以構(gòu)造出一連串的坐標(biāo)，從而構(gòu)成行駛軌跡。

3.3.4 WEB服務(wù)器模塊分析

WEB服務(wù)器模塊中首先開啟HTTP服務(wù)線程， 等待來至于GoogleEarth的Network Link的請求，結(jié)合之前更新在結(jié)構(gòu)體中的坐標(biāo)信息，生成用來改變Google Earth顯示的KML文件，并響應(yīng)Google Earth.這里有三個KML文件，其中Network Link中的URL直接指向http://127.0.0.1:5080/index.kml.這里的5080是WEB服務(wù)器注冊的端口號。

3.3.5 預(yù)定軌跡導(dǎo)航模塊分析

圖6 預(yù)定軌跡導(dǎo)航及越界警報模塊

預(yù)定軌跡導(dǎo)航及越界警報模塊中，首先在導(dǎo)航之前要加載預(yù)定軌跡。

為了便于繪制和存儲，我們就采用Google Earth中對軌跡的存儲的KML軌跡文件作為預(yù)定軌跡的載體。在加載完預(yù)定軌跡之后就可以開啟GPS導(dǎo)航，串口通訊模塊不斷的讀取當(dāng)前坐標(biāo)信息，而系統(tǒng)專門啟動一個線程定時的去檢測當(dāng)前坐標(biāo)與預(yù)定軌跡之間的距離，當(dāng)超出設(shè)置的預(yù)定軌跡的范圍的時候，即偏離預(yù)定軌跡時，啟動警報系統(tǒng)，發(fā)出聲音警報，提醒用戶當(dāng)前坐標(biāo)已經(jīng)偏離預(yù)定的軌跡范圍了。若是沒有偏離預(yù)定軌跡，則線程睡眠一段時間，再次檢測當(dāng)前位置與預(yù)定軌跡之間的距離，開始下一輪的檢測與警報。