《2759.移动终端上GPS信号的处理【开题报告+毕业论文】 .doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2759.移动终端上GPS信号的处理【开题报告+毕业论文】 .doc（46页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、开题报告一、目的和意义移动GIS已经成为GIS发展的一个重要方面，目前，移动GIS正处在一个关键的发展阶段，便携设备、蓝牙技术等为移动GIS注入了更多新的思路。 空间定位是移动GIS的一个基本功能，在中国，卫星导航定位技术的应用仍然以GPS为核心，相关产品都是建立在GPS卫星系统之上。传统的移动GIS导航定位软件系统是通过红外或串口技术获取GPS位置信息，但是，随着蓝牙技术的出现，GPS信息可以通过蓝牙通讯方式获取。本设计目的就是实现在手机或PDA上处理接收到的蓝牙GPS信号，使用户在使用这样的移动终端时可以直接在当前的电子地图上显示GPS信息，实质是将传统的串口通讯或外红外通讯方式的GPS应
2、用改变为蓝牙通讯方式的GPS应用。蓝牙（Bluetooth）是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年共同提出的近距离无线数字通信的技术标准。蓝牙技术的应用广泛而且极具潜力。GPS即 Global Position System（全球定位系统），是一种基于人造地球卫星的高精度定位系统，是目前世界上应用范围最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。GPS系统包括GPS卫星星座、地面监控系统以及GPS信号接收机。空间定位是通过捕获卫星信号，对GPS信号进行处理，实时计算出地面GPS信号接收机的空间位置。目前，移动GIS还有不少问题：缺乏标准；精确度不够；设备成本高，体积
3、大，不利于携带；无线网络发展缓慢，数据传输受限；空间信息目标实体的空间定位数据与其属性数据不能够实时地结合起来等。就本设计而言，GPS定位与蓝牙技术进行结合，对移动GIS一些问题的改进有重要意义。首先，GPS是一个全球性的定位系统，蓝牙技术又具有产权共享、统一标准的特点，因而不存在缺乏标准的问题；其次，GPS具有定位精度高，观测时间短，全天候，不受时间、天气影响的优点，而蓝牙技术抗干扰能力强，通讯能力好；第三，此题是基于手机或PDA这样的便携设备，同时蓝牙本身体积小、功耗低、成本低；第四，蓝牙技术克服了红外技术只支持点对点视距连接、受传输媒质本身限制的缺点；第五，对GPS坐标系（WGS-84坐
4、标系）进行转换，使定位数据能与电子地图实时结合显示。总而言之，本设计的意义在于，将传统的基于红外通讯技术或串口通讯技术的GPS应用变为基于蓝牙通讯技术的GPS应用，对移动GIS的发展有现实意义。二、国内外发展状况和发展趋势移动GIS是20世纪90年代的初期和中期，随着无线网络通信、互联网技术和移动设备的发展而发展的，目前，基本上可以作为室外或野外移动办公的辅助工具，应用的领域有数字城市虚拟现实，流域调查，国土资源调查等。移动GIS涉及的关键技术包括：无线用户终端技术；移动联网技术；空间数据库管理及空间数据引擎技术。其软件系统应包括：服务器端的空间信息服务与分发系统、无线传输软件系统、智能终端软
5、件系统和定位导航软件系统。主要应用方向在空间位置移动定位方面。本设计是移动终端上的GPS信号处理，所涉及的技术属于无线用户终端技术方面，所要开发的软件属于定位导航软件系统方面，服务于空间定位方面的应用。因此，主要介绍这三方面的发展状况。首先，无线用户终端技术方面，具有代表性的嵌入式无线终端设备包括：掌上电脑、PDA和手机等。基于便携移动设备的研究越来越多，如张秋琴，陈波，王仁礼，基于PDA移动导航定位系统的开发实践；童晓慧，PDA型移动地理终端的设计与实现。与此相应发展了各种各样的商用嵌入式操作系统，有Windows CE、Palm OS、嵌入式linux等。应用研究较多的嵌入式操作系统是Wi
6、ndowsCE，如朱晓武的基于WindowsCE的移动GIS开发，接收GPS信息使用的是串口通信，WindowsCE不支持重叠的I/O操作，也没有MSComm控件，必须采用API函数通信。其次，定位导航软件系统方面，目前，获取GPS位置信息主要依靠是通过红外或串口通讯，如张秋琴，陈波，王仁礼研究的基于PDA移动导航定位系统，在定位数据接收模块将GPS接收机于嵌入式设备物理连接，把接收机接收到的导航定位数据通过串口传输到嵌入式设备中。红外技术是一个出现较早的短距离无线通讯技术，操作简单、价格低廉，其主要研究集中在国外，如加州大学的Joseph M.Kahn教授对红外无线通信问题的研究，相反，国内
7、对红外无线通信研究很少，加上红外技术只能点对点传输等缺点，在GPS信号接收方面的研究不多。而通过串口获取GPS信息研究较多，比如鲍敏对车载导航定位系统中GPS接收机与PC机间串行通讯的研究，李拥军用VC实现串口通信获取GPS数据的研究，江永真和袁朝春使用JAVA实现GPS接收机的串口通信等。串口的缺点是：串口是一个较低速的通信口，耗能相对较大。要实现GPS信号在电子地图上的显示，导航地位软件开发时必须考虑坐标转换。这是因为GPS使用的坐标系是WGS-84 坐标系，我国普遍采用的80西安坐标系和54北京坐标系，只有对GPS坐标系参数进行转换，才能在地图上正确实时显示空间信息，因此，GPS坐标系转
8、换到导航地图的坐标系统的研究有不少，如王军中专门讨论了GPS坐标系参数转换，李彩霞在手持GPS接收机中研究坐标转换问题，李拥军实现用VC进行GPS坐标转换。最后，在应用方面，LBS即Location Based Service（空间定位信息服务）是移动GIS发展的最有前景的应用，最初应用于美国911紧急呼叫，近几年，定位服务在用户跟踪、汽车导航、智能交通、团队管理等方面的应用在国外发展较快。日本和韩国的位置服务业务获得了比较成功的应用，在美国提供的汽车导航服务也有一定的成绩，位置服务在中国的发展还比较缓慢。发展趋势：移动GIS发展还不成熟，需要改进。展望未来，移动G1S的发展趋势如下：(1)移
9、动GIS实现标准化。 (2)必须研制具有快速补给、方便灵巧、能量持久的动力供给设备和低能耗的数据显示算法。 (3)降低移动GIS设备各组件的生产成本，加速移动GIS技术的普及。 (4)开发研制高效的空间实体自动提取以及图像处理算法，实现快速处理、传输、显示，充分利用海量的高分辨率空间数据。 (5)设计定位精度更高、接收信息更丰富的传感设备，借以提高空间信息定位的精确性，并改变移动GIS数据显示的单调性，使得在显示空间图像的同时还可以查询相关的属性数据。(6)进一步提高和完善航空摄影量中的三角测量技术。三角测量技术可以消除GPS的盲区，并且能够实现控制点的自动选择及自动匹配。基于移动GIS的空间
10、定位信息服务，LBS (Location-Based Services) 将成为移动GIS发展的增长点。空间定位技术与蓝牙等先进技术的结合是移动GIS发展的必然。三、研究内容和技术路线主要研究内容：1. 蓝牙数据接收与解码技术。在手机或PDA上实现蓝牙GPS数据读取。2. GPS信息读取与坐标转换。定时读取蓝牙端口的GPS信息，选择读取需要的定位数据并进行正确的坐标转换。3. 电子地图显示技术。在PDA中显示电子地图上GPS信息。4.移动设备软件开发环境下编程。利用C#在NET环境下编程，开发相应的软件系统。技术路线（流程图）：确定软件功能体系确定该软件应该具有的功能模块软件系统的框架和界面设
11、计用C#实现移动终端GPS信号处理软件系统的功能系统功能完善装上数据，到设备上进行系统测试满意不满意成型的移动终端GPS信号处理软件四、研究的主要阶段和进度。1、 第1周，收集资料；2、 第23周，理论学习；3、 第46周，熟悉开发环境；4、 第79，编程实现；5、 第10周，试验；6、 第11周，撰写论文；7、 第12周，答辩。五：查阅的主要文献资料包括：1 陈汉卿，基于蓝牙的GPS位置信息无线接入技术及其应用研究，上海海事大学，2004.2 李洪涛，GPS应用程序设计，北京：科学出版社，1999.3 朱刚, 谈振辉, 周贤伟，蓝牙技术原理与协议，北京：北方交通大学出版社，2002.4 薛平
12、安，王永诚，浅析蓝牙技术，西北工业大学信息技术学院，20055 沈晓兵， .NET开发平台，微电脑世界-2001年4期6 William Robison著，邱仲潘等译，C#开发人员手册，北京：电子工业出版社，2002.7 王军中，如何求解GPS 坐标系参数的转换，西部探矿工程，2005年第5期8 李拥军，GPS定位系统中数据读取和坐标的转换，铁路计算机应用，2005年4月9 李彩霞，GPS手持接收机的发展及应用，三晋测绘，2004年12 月10赵东明，GPS卫星定位技术浅析，城市公共交通，2005年第6期11史剑珺，基于PDA的空间信息应用技术研究，国防科学技术大学，200312张秋琴，陈波，
13、王仁礼，基于PDA移动导航定位系统的开发实践，解放军信息工程大学，200413孔凡随1 ，邹学忠2，移动GIS关键技术及其应用，1江苏华东建设基础工程总公司， 2江苏省测绘工程院，200514刘海新， 刘惠德， 何虎军，赵玉玲，移动GIS的发展与应用，地理空间信息，2005年8月15童晓慧，PDA型移动地理终端的设计与实现，华东师范大学，2004.16 朱晓武，基于WindowsCE的移动GIS开发，武汉大学，2002.目录摘 要第一章 引言11.1 移动GIS的发展及应用11.2 位置服务21.3 PDA及蓝牙技术31.4目的和意义41.5论文结构内容安排5第二章 移动终端定位62.1 GP
14、S系统62.2定位原理72.3 GPS数据获取82.4 GPS坐标转换10第三章 电子地图数据143.1shapefile文件概述143.2shapefile文件的结构143.3 shapefile数据读取17第四章Visual C#.NET开发技术194.1 .NET平台介绍及其功能特点194.2 Visual C#.NET 特点及开发20第五章 串口通信225.1 API函数介绍225.2 API函数实现串口操作23第六章 蓝牙GPS信号处理的实现266.1 硬件设备266.2.NET设计软件296.3 程序介绍30结论及展望36参考文献37致谢38摘 要移动GIS已经成为GIS发展的一个
15、重要方面，目前，移动GIS正处在一个关键的发展阶段，便携设备、蓝牙技术等为移动GIS注入了更多新的思路。利用蓝牙通讯方式，在便携设备构建移动GIS系统，将成为移动GIS发展的一个必然趋势。LBS(空间定位服务)是移动GIS应用的主要方面，移动定位又是实现LBS的一项重要技术。本设计实现了在PDA上利用蓝牙通讯方式获取蓝牙GPS信号，并对GPS数据进行简单处理，提供定位信息。关键字：移动GIS，蓝牙，串口通信，GPS，坐标转换AbstractMobile GIS has now been an important part of GIS. At present, the Mobile GIS,
16、to which Portable devices and Bluetooth technology have brought new ideas, is in a vital stage of development. Setting up a GIS system with the Blue Tooth technology is a necessary trend. The major use of GIS is Location Based Service or LBS. Moreover, Mobile Navigation Positioning is the key techno
17、logy of LBS . By receiving Bluetooth GPS signal through the Bluetooth communication ,then processing it, this scheme can get the position information on a PDA.Key words: Mobile GIS, Bluetooth, Port Communications，GPS，Coordinate conversion第一章 引言1.1 移动GIS的发展及应用地理信息系统（geographic information system简称GIS
18、）是一项以计算机为基础的新兴学科，是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按照地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及其相互关系。通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。起初，地理信息系统只当作一项专门的技术，其应用主要局限于测绘、制图、资源和环境管理等领域。随着信息技术的不断发展和社会需求的增大，地理信息系统应用日益扩大。它与尖端科技领域的全球卫星定位技术(GPS)、通信技术、互联网技术以及其他应用领域的有机结合，不仅为地理信息系统提供了良好的发展前景，同时也为这些应用领
19、域提供了一套科学的解决应用问题的方法，不但可以提供全新、透明、可视、实时、互动、形象化的车辆跟踪、个人辅助导航等服务，而且提供车辆管理、行车路线调度、交通事故处理等辅助决策功能。它广泛应用于交通、电力、测绘、医疗、军事、城市规划、环境等领域。随着计算机软件硬件技术发展，WAP无线互联网技术的成功应用，各种具有无线互联网功能的移动智能终端(如:掌上电脑、WAP手机、Pager等)的出现，人们可以随时随地完成以前只有在办公室或家里才能完成的工作，可以“在移动中办公”。智能终端+无线互联网已经成功地应用到人们生活的方方面面。与此同时，与这些智能终端配套的外围硬件(如：GPS，GSM模块等)的出现，进
20、一步拓展了这些智能终端的应用领域。不言而喻，智能终端、GPS、无线互联网等新技术在GIS领域的应用，势必丰富GIS理论和拓展GIS应用领域。基于这些移动智能终端平台的GIS+GPS+无线互联网一体化的研究，必然成为GIS领域中一个新兴的重要研究领域，而这正是“移动GIS”。移动地理信息系统(Mobile GIS)的概念早在1998年就己经出现，又称为Portable GIS，其目的是为野外工作人员提供地理信息支持。这种系统的一个基本特点是在移动设备上嵌入了优化的GIS应用程序和地理信息数据库，使用户在野外作业时也可以随时进行地理信息查询与简单的空间分析操作。移动GIS主要应用方向在空间位置移动
21、定位方面，作为空间信息移动服务的基础设施，主要作用是：1.路径导航，为用户提供指引行走路线的导航服务；2.信息查询，利用移动查询，为用户提供与位置相关的空间以及天气、交通等增值服务；3.远程跟踪，监视车辆的实施运行状况；4.轨迹回放，根据记录在电子地图上显示车辆的运行轨迹。移动GIS是继Web GIS以后GIS系统的又一次大飞跃，它使得人们能够在任何地点、时间享受GIS系统提供的服务。移动GIS系统的几个特点：1.终端的多样性移动GIS系统的终端可以是传统的桌面PC，但更多的是各类移动计算终端，比如移动电话、PDA, Pocket PC，甚至可能是专用的GIS嵌入式设备。终端的多样性就意味着移
22、动GIS服务需要有更加灵活的定制能力和扩展能力，以及开放的体系结构，以适应终端的多样性。2.分布式数据源GIS系统向无线平台的转移引发了很多新的GIS应用，它们要求分布式数据源的支持。例如，基于位置的服务(Location Based Service)要GIS系统实时提供最新的位置相关信息，由于移动用户的位置是不断变化的，需要的信息也是多种多样的，任何单一数据源都无法保证。3.信息载体的多样性与传统的Internet相比，移动终端用户与服务器及其他用户的交互手段更加丰富，包括定位服务、视频、音频、语言、文本、图像、图形等。4.有限的带宽和计算能力移动GIS也有其局限性，与Internet相比，
23、其无线网络的带宽总是相对较小的。为了确保服务质量，移动GIS系统必须通过尽可能少的数据量来提供满足用户要求的服务。同时，移动终端的计算能力相对较弱、功率有限、显示屏小、内存有限，因此移动GIS对数据的质量提出了很高的要求。1.2 位置服务 在资源管理、社会经济活动、军事应用和人们生活中，有80%以上的信息属于具有空间位置特性的地理相关信息。无线移动用户迫切想知道他当时所处环境的信息，比如:“我在哪儿了”，“我怎么到达目的地了”，“我要找的人现在何处了”等等，如何提供这类服务，是定位和移动服务技术面对的重要话题。空间定位信息系统(Location Based Service, LBS)正是在这一
24、背景下产生的。空间定位信息服务(LBS：location based service)是移动GIS最有前途的应用之一。LBS指的是在移动环境下，利用GIS技术、空间定位技术和网络通信技术，为移动对象提供基于空间地理位置的信息服务。目前,主要是通过通信网络获取移动终端用户的位置信息(经纬度坐标),在电子地图平台的支持下,为用户提供相应服务的一种增值业务。LBS工作原理是:用户终端(如手机、PDA 、CarPC等多种移动终端)采用卫星定位等手段获取用户位置，并实时地把这一位置信息通过移动通信网上传至服务器；服务器根据用户发出的服务请求做出响应，并把相应的服务信息(如地图、文本等)通过移动通信网发布
25、至用户终端。 LBS定义了未来地理空间信息(含定位信息)移动服务的蓝图，即当用户与现实世界的一个模型交互时，在不同时间、不同地点，这个模型会动态的向不同用户提供不同的信息服务。随着移动电话成为我们的生活中不可或缺的一部分,移动服务市场对位置信息的需求越来越迫切。空间定位信息服务在传统领域如交通，电力，物流，消防，城市规划等有广泛的应用。它跟特定行业结合往往产生巨大的增值效应，移动通信领域内同时看好了这一潜力巨大的市场：Ericsson、Nokia、Motorola、Siemens等移动巨头纷纷推出自己的移动定位系统并进军中国市场，福建移动、广东移动已经推出或正在测试其移动定位服务，而中国移动也
26、在天津、长春、沈阳、大连等城市推出了基于STK卡的定位服务。空间定位信息服务在中国呈现出方兴未艾之势。1.3 PDA及蓝牙技术PDA（Personal digital Assistant）即 “个人数字助理”，它是新兴的电子智能产品，是一种手持设备。PDA是掌上信息处理产品的统称，它们可以分为广义的PDA和狭义的PDA，但是越来越多的人都从广义来理解PDA一词。广义的PDA主要是指掌上电脑，当然也包括其它具有类似功能的小型数字化设备。它集中了电子记事、计算、电话、传真和网络等功能:它不仅可用于管理个人信息(如通信录、记事本与备忘录、日程安排、便笺、计算、录音、词典等)，还可以上网浏览、收发短信
27、息或Email、发传真和当移动通信的手机使用，是信息时代的高级“助理”。广义的PDA是基于开放式的系统，它使用功能强大的掌上操作系统(如典型的PalmOS, WindowsCE, EPOC和PenbexOS等)，用户可以加装其它PDA软件对其进行功能扩展。广义的PDA可以通过一根电话线或电缆线，或者通过无线电、红外线、“蓝牙技术”与其它计算机或PDA或Internet联接。狭义的PDA是指电子记事本，主要是管理个人信息，其功能较为单一，而且这些功能都是固化的，不能根据用户的要求增加新的功能，不能加装通用的掌上操作系统或其它PDA软件。 蓝牙(Bluetooth)技术，就是一种短距离无线通信技术
28、。1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM 和英特尔公司5 家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。简单地说，利用蓝牙技术，可以使现代一些移动通信设备和电脑设备不借助电缆就能联网，就能实现无线上网。其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等产品，组成一个巨大的无线通信网络。使用蓝牙，能够在100 米的范围内以720kbps 的速率传输数据。蓝牙模块和PDA、GPS接收机相结合，源于蓝牙技术得天独厚的优势。蓝牙技术在定义时以轻、薄、小为目标，且蓝牙模块消耗功率低，价格能为大众接受，适合小型信息设备
29、。与红外技术相比，蓝牙不需要对准接收方向就可以传送数据；与802.11b技术相比，蓝牙技术在体积、功耗和成本方面有优势；与HomeRF技术相比，具有技术公开、适用于便携设备的优点。蓝牙技术本身是无线通信的发展，它与PDA、GPS接收机的结合应用，又促进GPS 接收机和耐用手持电子设备等技术的进步。过去几年中，正是由于无线通信技术、GPS 接收机和耐用手持电子设备等技术的发展，使得移动GIS 的梦想成真。而所有这些支撑技术的进步，大大提高了人们把GIS 的功能和数据带出办公室工作的效率和效能。可以说，蓝牙的发明对移动GIS 的发展有着特殊的意义。1.4目的和意义本设计目的是将蓝牙、GPS、PDA
30、等移动科技产品结合起来，实现基于移动终端的GPS信号处理。PDA是基于开放式的系统，具有功能强大的掌上操作系统，可以通过蓝牙技术与其它设备相连。与蓝牙GPS接收机结合使用，这就将传统的基于红外通讯技术或串口通讯技术的GPS应用变为基于蓝牙通讯技术的GPS应用，对移动GIS的发展有现实意义。近年来,随着微电子技术和无线互联技术的发展,各种便携式手持设备相继涌现,使用手持设备通过无线网络获取信息正风靡全球,为各种移动用户提供空间信息服务的移动GIS正是顺应这一潮流的产物。移动GIS技术集成了地理信息系统、无线定位、无线网络以及计算机等技术,也集成了这些技术的先进性便携性、易访问性等，与此同时也具有
31、了他们的一些缺点。目前，移动GIS具有的问题包括：缺乏标准；精确度不够；设备成本高，体积大，不利于携带；无线网络发展缓慢，数据传输受限；空间信息目标实体的空间定位数据与其属性数据不能够实时地结合起来等。就本设计而言，GPS定位与蓝牙技术进行结合，对移动GIS一些问题的改进有重要意义。首先，GPS是一个全球性的定位系统，蓝牙技术又具有产权共享、统一标准的特点，因而不存在缺乏标准的问题；其次，GPS具有定位精度高，观测时间短，全天候，不受时间、天气影响的优点，而蓝牙技术抗干扰能力强，通讯能力好；第三，此题是基于手机或PDA这样的便携设备，同时蓝牙本身体积小、功耗低、成本低；第四，蓝牙技术克服了红外
32、技术只支持点对点视距连接、受传输媒质本身限制的缺点；第五，对GPS坐标系（WGS-84坐标系）进行转换，获取用户当前位置信息。本设计系统是以.NET 为开发平台，Visual C#.NET为开发工具，基于PDA的GPS信号获取与处理系统。C#使用Visual Studio.NET提供的开发环境（IDE）进行开发。Visual Studio.NET的IDE集成开发环境为开发人员提供了各类功能强大的工具，包括窗体设计器、编辑器、调试器、对象浏览器和帮助系统，包括自动缩进、智能单词完成、代码着色等便利功能。.NET组件更提供了方便的编写平台和更为丰富的类库资源。C#通过工具箱、控件、窗体来简便地进行
33、图形用户界面应用的开发，可以很容易的生成视图界面、菜单、对话框等，加之.NET支持多种平台，提供移动设备程序设计环境，因此可以直接在电脑上编写程序，并用其提供的PDA模拟器调试，最终应用于PDA中。1.5论文结构内容安排第一章主要介绍了移动GIS的发展应用以及相关技术。第二章第一节介绍GPS结构，第二节介绍定位原理，第三节介绍GPS数据格式以及对数据的读取和处理。第三章主要介绍了SHAPE文件，第一节进行概述，第二节介绍shapefile三个部分的组织结构，第三节介绍了shape文件读取流程。第四章第一节是对.NET平台的简单介绍，第二节介绍了C#语言的特点，第三节介绍了在C#环境下的开发应用
34、。第五章介绍了API函数，及应用API实现串口通信。第六章介绍了本设计的相关软硬件设置。第二章 移动终端定位本设计中使用PDA移动终端，通过串口通讯，读取蓝牙GPS接收机接收的GPS数据，获得定位信息，实现位置计算和显示。2.1 GPS系统GPS即 Global Position System（全球定位系统），是一种基于人造地球卫星的高精度定位系统，是目前世界上应用范围最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。GPS系统包括三个部分：空间部分（GPS卫星及星座）；地面控制部分（地面监控系统）；用户设备部分（GPS信号接收机）。结构如图2.1：GPS系统地面支撑系统用户空间系统三个
35、注入站一个主控站五个监控站24颗卫星GPS接收机图 2.1GPS系统结构l GPS空间部分GPS空间部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。卫星分布在互成60度的6个轨道平面上，轨道平面相对地球赤道面的倾角为55度。这样的卫星配置基本保证在地球任何位置均能同时观测到4颗卫星。l 地基监控站地基部分对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参数算得的，每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一
36、时间标准GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。l 用户接收机部分用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备组成；而GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。GPS软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。2.2定位原理空间定位是指通过捕获卫星信号，对GPS信号进行处理，实时计算出地面G
37、PS信号接收机的空间位置。2.2.1GPS定位基本原理GPS定位技术的基本原理是采用测量学中通用的测距交会确定点位的方法。假设用户的接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机到三个发射台的距离dl, d2, d3。如果三个发射台的位置已知，则分别以三个发射台为球心，以对应的距离为半径做出三个球面，即可交会出接收机的空间位置(位置具有二义性)。实际GPS系统通过分布在6个轨道上的24颗GPS卫星以全球覆盖的方式向地面发射测距信号和导航电文(导航电文中含有卫星的位置信息)，保证在地球上任意天顶开阔的位置在任何时刻可以接收到4颗以上的GPS卫星信号。用户GPS接收机在某一时刻接收到3颗以上
38、的GP5工星信号，测量出测站点至卫星的距离，并通过导航电文解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此采用距离交会法算出接收机的空间位置坐标。2.2.2绝对定位原理绝对定位是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅需一台接收机工作，因此又称为单点定位。利用GPS进行绝对定位的基本原理是：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据己知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收天线所对应的位置。无论是动态绝对定位还是静态绝对定位，所依据的观测量都是所测卫星至观测站的伪距，通常也称为伪距定位法。2.2.3差分GPS定位原理差分GPS根据其系统构成的基准站个数可分
39、为单基准差分、多基准的局部区域差分和广域差分。而根据信息的发送方式又可分为伪距差分、位置差分及相位差分等。无论何种差分，其工作原理基本相同。差分GPS采用两台以上的接收机，将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精确坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。2.3 GPS数据获取2.3.1 GPS数据格式在本设计中使用的GPS-6033接收机采用的格式完全规范于NMEA-0183,即美国国家海洋电子协会(National Marine Elect
40、ronics Association)制定的GPS接口协议标准。NMEA-0183的输出采用ASCII码。NMEA出产预设值如下：传输速率（Baud Rate） 4800 bps数据位（ByteSizes）8 Bits停止位（StopBit）1 bit奇偶校验（Parity）no parityNMEA的几个常见语句如表2-1所示：表格 21 NMEA-0183常见语句NMEA种类说明语句内容GPRMC最起码的GNSS信息时间、定位状态(CA-可用，V-可能有错误)、纬度值、经度值、对地速、日期等GPGGA卫星定位信息UTC时间、纬度值、经度值、定位状态(无效、单点定位、差分)、观测的GPS卫星
41、个数、HDOP值、GPS椭球高、天线架设高度、差分数据龄期、差分基准站编号、校验和GPGLL地理位置UTC时间、纬度值、经度值、定位状态(无效、单点定位、差分)、校验和GPGSVGNSS天空范围内的卫星视野中的GPS卫星颗数、PRN编号、卫星仰角、距正北的角度(方位角)、信噪比NMEA-0183定义了若干代表不同含义的语句，语句格式如表2-2：表格22 NMEA-0183格式说明符号（ASCII）定义HEXDEX说明$起始位2436语句起始位aaccc地址域前两位为识别符，后三位为语句名“,”域分隔符2C44域分隔符dddddd数据块发送的数据内容“*”校验和符号2A42分隔符，表明后面两位数
42、是校验和hh校验和校验和/终止符OD,OA13,10回车，换行2.3.2定位数据提取“$GPRMC”包含了通常情况中所关心的定位数据，如经纬度、速度、时间等，以下就以GPRMC语句为例，说明NMEA语句中提取信息的方法。例：$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598, ,*10GPRMC语句中各字段示意说明如表2-3所示：表格 23 GPRMC各字段说明名称数值单位说明信息代码$GPRMCRMC信息前引标准定位时间161229.487时时分分秒.秒秒秒 (Hhmmss.sss)状态AA=信息可用，V=信息不可用
43、纬度3723.2475度度秒秒.秒秒秒秒(ddmm.mmmm)南/北纬NN：北纬 S：南纬经度12158.3416度度度秒秒.秒秒秒秒 (dddmm.mmmm)东/西经WE：东经 W：西经对地速度0.13Knots对地方向309.62度绝对值日期120598日日月月年年(ddmmyy)磁极变量(1)Degrees从000.0到180.0，变化方向为E或W综合检查码*10/结数定位数据提取方法：帧内各数据段由逗号分割，处理时一般是通过搜寻ASCII码“$”来判断帧头位置。若己确定了帧头位置，再对所经历数据判读是否发生数据错误，以及来判断出当前正在处理的是哪一种定位导航参数，并做出相应的处理。大概
44、流程如流程图2.1所示：YESNO获取数据到缓冲区读数据YES判断有用头信息判断各字段数据正确性根据需要读取相关数据NO流程图 2.1GPS数据获取流程至此，已将所需要的数据提取出来，在实际应用中往往需要对其作进一步的运算处理；例如，GPS接收机获得的是UTC格林尼治时间，要转换为我国的标准时间；GPS使用的是WGS-84坐标系，要准换为我国采用的坐标系等。2.4 GPS坐标转换2.4.1 坐标系统l WGS-84 坐标系World Geodetic System-84即1984年世界大地坐标系，理论上是1个以地球质心为坐标原点的地球坐标系。GPS广播星历和精密星历一直在这个坐标系统内进行计算
45、。其长半径a为6387137.0m ，偏心率f为1/298.25722356，短半轴b为6356752.3142m。l 北京54坐标系北京54坐标系是我国现有的地图普遍采用的坐标系，该坐标系采用克拉索夫斯基（Krassovsky）椭球体参数。其长半径a为6378245.0m ，偏心率f为1/298.3，短半轴b为6356863.0188m。l 大地坐标系和直角平面坐标系大地坐标系是以参考椭球面为基准面的坐标。地面点的位置用大地经度L、大地纬度B和大地高H表示。大地经度是通过该点的大地子午面与大地本初子午面之间的夹角，大地纬度是通过该点的法线与赤道面的夹角，大地高是地面点沿法线到参考椭球的距离。
46、把大地坐标按照一定的投影法则投影到平面上的坐标，称为平面直角坐标。它的竖轴为X轴，横轴为Y轴。在投影面上，由投影带中央经线的投影为纵轴（x轴）、赤道投影为横轴（y轴），它们的交点为原点的直角坐标系称为国家坐标系。2.4.2 坐标转换算法将WGS-84坐标系转换为北京54或西安80直角坐标系，有两种方法。方法一：先将WGS-84的大地坐标转换为北京54大地坐标或者西安80大地坐标，然后通过投影变换转换成平面直角坐标。通过进行坐标强制转换或参数法求出平移、旋转、和尺度参数来实现相应的坐标转换。B84，L84B54，L54X，YX54，Y54方法二：先将WGS-84坐标系下的经纬度坐标以WGS-84
47、的参考椭球为基准进行高斯投影，然后通过平面坐标强制转换，将高斯投影后的平面坐标强制统一到国家54坐标系或国家80坐标系中。B84，L84x84，y84x54，y54强制转换高斯投影方法一计算精度高于方法二，但是要在两个参考椭球体之间进行两次大地坐标和空间直角坐标之间的转换，计算过程较复杂，计算耗时相对较长。方法二将经纬度坐标系直接投影在WGS-84的参考椭球体上，简化了公式，提高了计算效率和可操作性，这种方法适用于定位精度不是很高而实时性较高的情况。本设计中，需要实时定位，定位精度要求不是非常高，同时，移动终端计算能力有限，因此在此采用方法二比较适合。将经纬度坐标系投影在WGS-84的参考椭球体上后，高斯投影的平面坐标必须经坐标平移和旋转。采用坐标强制转换方法能较简便求得转换公式，常用的坐标变换方法有：相似变换、仿射变换、双
