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GPS定位系統(tǒng)機(jī)器功能的實(shí)現(xiàn)(一)
前言
隨著國家信息化程度的提高及計(jì)算機(jī)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(shù)字城市、數(shù)字省區(qū)和數(shù)字地球的工程化和現(xiàn)實(shí)化，需要采集多種實(shí)時(shí)地理空間數(shù)據(jù)，因此，中國發(fā)展CORS系統(tǒng)的緊迫性和必要性越來越突出。幾年來，國內(nèi)不同行業(yè)已經(jīng)陸續(xù)建立了一些專業(yè)性的衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，目前，為滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)信息化的需要，一大批城市、省區(qū)和行業(yè)正在籌劃建立類似的連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一個(gè)新的建網(wǎng)高潮正在到來。
當(dāng)前國內(nèi)不同行業(yè)建設(shè)的網(wǎng)站系統(tǒng)基本上還是獨(dú)立運(yùn)行的，很多單位的數(shù)據(jù)只在本單位甚至是本部門內(nèi)共享和利用。目前國內(nèi)市場(chǎng)上的連續(xù)運(yùn)行參考站的建站方案動(dòng)則百萬甚至上千萬的資金投入相對(duì)于這些小規(guī)模的應(yīng)用對(duì)連續(xù)運(yùn)行參考站的需求而言就顯得投入與產(chǎn)出太過于失衡，導(dǎo)致許多行業(yè)與單位只能對(duì)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)望而怯步。
GPS即Global Position System—全球定位系統(tǒng)。上個(gè)世紀(jì)80年代初，我國一些院校和科研單位已開始研究GPS技術(shù)。80年代中期，我國引進(jìn)GPS接收機(jī)，并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。我國GPS監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用走過了及其緩慢的發(fā)展道路。 1999年—2004年,GPS監(jiān)控系統(tǒng)市場(chǎng)出現(xiàn)了快速增長的勢(shì)頭，隨著我國GSM數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的快速發(fā)展與全國普及，作為系統(tǒng)瓶頸問題的通信網(wǎng)絡(luò)，通過采用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(dǎo)航產(chǎn)品非常普及。世界上有超過100家的公司正在研制各種各樣的GPS用戶接收機(jī)。其中車輛應(yīng)用所占的比重最大。
GPS技術(shù)的成熟與發(fā)展，為各類運(yùn)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(duì)車輛或船舶進(jìn)行導(dǎo)航和監(jiān)控[2]。同時(shí)，隨著信息技術(shù)的日益發(fā)展，PDA的體積越來越小巧，集成的功能越來越強(qiáng)大。PDA正朝著計(jì)算、通信、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、娛樂、電子商務(wù)等多功能的融合的趨勢(shì)發(fā)展[3]。目前結(jié)合GPS和PDA兩者的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)還很少，雖然有一些應(yīng)用實(shí)例[4]，如在GIS領(lǐng)域，PDA和GPS應(yīng)用于野外測(cè)量中，但它們應(yīng)用的潛力還遠(yuǎn)未被挖掘出來。本文有機(jī)結(jié)合GPS和PDA的優(yōu)勢(shì)，提出了一種通用靈活的電子導(dǎo)游系統(tǒng)的解決方案，討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)
1、系統(tǒng)概述
先進(jìn)性——在保證系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的前提下，采用當(dāng)前世界上先進(jìn)的GPS技術(shù)、通訊技術(shù)、軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)技術(shù)，以保證系統(tǒng)的性能在較長的時(shí)間內(nèi)不落后，并隨著技術(shù)的不斷發(fā)展得到相應(yīng)的更新。
可靠性——系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是為了更有效的提高在區(qū)域內(nèi)作業(yè)的效率，更合理的應(yīng)用和利用系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以可靠性為前提，否則，不但不能起到應(yīng)該起到的作用，有可能還帶來反面的影響。
可拓展性——系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上考慮到產(chǎn)品的可擴(kuò)展性，獨(dú)立的連續(xù)運(yùn)行參考站只需要通過軟件升級(jí)就能接入多基站的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)。系統(tǒng)可以進(jìn)行整體升級(jí)，因此系統(tǒng)在升級(jí)時(shí)對(duì)終端用戶來說是透明的。
高性價(jià)比——為了極大的降低客戶的運(yùn)行成本，在同樣的價(jià)格下，盡量讓客戶享受做好的服務(wù)和高性能的系統(tǒng)。
易用性——在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，盡量使用戶操作界面友好、簡(jiǎn)單、易用，充分體現(xiàn)人性化。
（1）方案目標(biāo)與內(nèi)容
GPS定位系統(tǒng)是基于對(duì)GPS、PDA和GIS的一種集成運(yùn)用，是利用PDA的強(qiáng)大功能處理GPS實(shí)時(shí)接收到的數(shù)據(jù)，再結(jié)合電子地圖以實(shí)現(xiàn)各種功能。在GPS定位系統(tǒng)中，PDA對(duì)各個(gè)位置的各種數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行組織和管理，并對(duì)道路網(wǎng)建立拓?fù)潢P(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)全局的信息查詢和最佳路徑的選擇；利用GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并用相關(guān)算法對(duì)GPS接收到的數(shù)據(jù)與電子地圖進(jìn)行匹配，達(dá)到精確定位的目的，最終實(shí)現(xiàn)用戶所需要的功能。 GPS定位系統(tǒng)應(yīng)能提供以下功能：地圖的設(shè)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；通過電子地圖查詢所有景點(diǎn)位置的詳細(xì)信息；用戶當(dāng)前位置到其他位置的信息查詢；導(dǎo)向功能，及時(shí)指出戶的行進(jìn)方向；準(zhǔn)確的時(shí)間日期信息；最短路徑搜索，為用戶提供一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)到另一目標(biāo)點(diǎn)的最佳路徑；關(guān)鍵詞查詢目標(biāo)詳細(xì)信息及其在地圖上的位置。
（2）關(guān)鍵技術(shù)
要實(shí)現(xiàn)上述功能涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有：
(1)如何利用GPS和PDA對(duì)景區(qū)進(jìn)行坐標(biāo)采集以及在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電子地圖的自動(dòng)繪制。如果有基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶接收機(jī)，利用差分的原理就可以采集到很精確的坐標(biāo)；因?yàn)楸鞠到y(tǒng)用的是單GPS接收機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)采集，為保證其精確度，在誤差分析的基礎(chǔ)上引入了坐標(biāo)精度因子和衛(wèi)星可見數(shù)加以控制的控制策略。
(2)怎樣得到景區(qū)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。根據(jù)景區(qū)里景點(diǎn)的多少及分布的不同可以采用不同的算法。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是以個(gè)別城市和地區(qū)為開發(fā)實(shí)例，根據(jù)城市和地區(qū)的建筑規(guī)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(chǔ)上，通過改變下一節(jié)點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)算法進(jìn)行了優(yōu)化，提高了效率；
(3)對(duì)GPS接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)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模板來進(jìn)行模式識(shí)別，根據(jù)識(shí)別結(jié)果來矯正GPS接收數(shù)據(jù)的定位誤差。所提出的電子導(dǎo)游系統(tǒng)采用的具體匹配算法是利用歷史行走軌跡對(duì)電子地圖庫中的道路線段信息進(jìn)行實(shí)時(shí)模式識(shí)別。
（3）系統(tǒng)組成 系統(tǒng)包括：PDA、GPS接收機(jī)、PC、GIS、操作系統(tǒng)、MapXMobile控件、電子地圖、ACCESS數(shù)據(jù)庫、MapInfoProfessional、EmbeddedVisualC++、EmbeddedVisualBasic等。
2、系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)
（1）系統(tǒng)原理
連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)是建立在GPS硬件的等技術(shù)平臺(tái)之上。它將尖端科技領(lǐng)域的衛(wèi)星定位技術(shù)和地理信息技術(shù)、通信技術(shù)和先進(jìn)的軟件開發(fā)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，新、透明、可視、實(shí)時(shí)、的測(cè)量服務(wù)。
GPS系統(tǒng)，采用了世界領(lǐng)先的GPS全球衛(wèi)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(shù)據(jù)采集技術(shù)和大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，同時(shí)盡可能多的采集并記錄大量的數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)生成圖形和數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比較、分析、列表，從而提高管理工作的效率。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車、船等移動(dòng)目標(biāo)的精確定位、跟蹤及控制，具有定位精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用效果好的特點(diǎn)。
GPS系統(tǒng)由三部分組成，即：定位部分、通信部分和監(jiān)控部分。定位部分主要用來確定移動(dòng)目標(biāo)的位置, 通信部分作為用戶和監(jiān)控中心溝通的媒介, 而監(jiān)控部分則為用戶提供完善的服務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 GPS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的工作原理是：安裝在目標(biāo)上的GPS接收機(jī)根據(jù)收到的衛(wèi)星信息計(jì)算出目標(biāo)的當(dāng)前位置，通信控制器從GPS接收機(jī)輸出的信號(hào)中提取所需要的位置、速度和時(shí)間信息，結(jié)合目標(biāo)身份等信息形成數(shù)據(jù)包，然后通過無線信道發(fā)往監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的主站接收子站發(fā)送的數(shù)據(jù)，并從中提取出定位信息，根據(jù)各目標(biāo)的特征等，在監(jiān)控中心的電子地圖上顯示出來。同時(shí)，控制中心的系統(tǒng)管理員可以查詢各目標(biāo)的運(yùn)行狀況，根據(jù)交通流量合理調(diào)度目標(biāo)。
（2）系統(tǒng)運(yùn)作的流程如下：
基準(zhǔn)站連續(xù)不間斷的觀測(cè)GPS的衛(wèi)星信號(hào)獲取該地區(qū)和該時(shí)間段的“局域精密星歷”及其他改正參數(shù)，按照用戶要求把靜態(tài)數(shù)據(jù)打包存儲(chǔ)并把基準(zhǔn)站的衛(wèi)星信息送往服務(wù)器上GPS軟件的指定位置。
用戶單元接收定位衛(wèi)星傳來的信號(hào)，并解算出地理位置坐標(biāo)。
用戶單元的數(shù)據(jù)通訊模塊通過局域網(wǎng)從服務(wù)器的指定位置獲取基準(zhǔn)站提供的差分信息后輸入用戶單元GPS的OEM板進(jìn)行差分解算。
用戶單元在野外完成靜態(tài)測(cè)量后，可以從基準(zhǔn)站軟件下載同步時(shí)間的靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線聯(lián)合解算
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