李 冰，曾連蓀

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

GPS（Global Position System）即全球定位系統(tǒng)，是20世紀(jì)70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) ，其主要目的是用來為陸、海、空3大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候及全球性導(dǎo)航服務(wù)，具有高精度和自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)。利用該系統(tǒng)，用戶還能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和精密定位。隨著GPS的發(fā)展和完善其應(yīng)用層面日益增大，嵌入式GPS的手持終端應(yīng)運(yùn)而生。而今，人們對(duì)生活智能化提出了更高的要求，使其在GIS領(lǐng)域上的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注[1]。例如智慧城市、旅游導(dǎo)航等。用戶可以手持帶有GPS的MID實(shí)時(shí)獲取位置、時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航功能。基于GPS的特性，文中介紹了GPS定位信息的提取方法，包括與MID串口通信的實(shí)現(xiàn)過程，并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)信號(hào)通過相關(guān)的協(xié)議進(jìn)行解析。最后探討了嵌入式GPS在導(dǎo)游中的應(yīng)用。GPS還將在更多領(lǐng)域上得到應(yīng)用，為人們的生活提供更大的方便。服務(wù)人性化、生活智能化將逐步實(shí)現(xiàn)。

1 GPS信號(hào)解析協(xié)議

GPS信號(hào)通過串口以NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)格式輸出，NMEA-0183通信協(xié)議，提供6種數(shù)據(jù)格式，分別是 GGA，GLL，GSA，GSV，RMC，VTG。 在此主要介紹 RMC 格式數(shù)據(jù)[2]。

$GPRMC是GPS推薦的最短數(shù)據(jù)，其幀結(jié)構(gòu)為：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>

字段 0：$GPRMC，語句 ID，表明該語句為 Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推薦最小定位信息。GP為信息來源，RMC為句型識(shí)別符

字段 1：UTC 時(shí)間，hhmmss.sss格式

字段 2：狀態(tài)，A=定位，V=未定位

字段3：緯度ddmm.mmmm，度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）

字段 4：緯度 N（北緯）或 S（南緯）

字段5：經(jīng)度dddmm.mmmm，度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）

字段 6：經(jīng)度E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）

字段 7：速度，節(jié)，Knots

字段 8：方位角，度

字段9：UTC日期，DDMMYY格式

字段 10：磁偏角，（000-180）度（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ) 0）

字段11：校驗(yàn)值

：該幀數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)識(shí)符

對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后即可獲得經(jīng)緯度、速度、時(shí)間等信息，從而實(shí)現(xiàn)GPS定位信息的提取。

2 GPS軟件流程圖

目前MID主要使用Android操作系統(tǒng)，然而相比Android系統(tǒng)，WinCE操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對(duì)更高，技術(shù)更加成熟[3]。本文將介紹在WinCE6.0操作系統(tǒng)下GPS信號(hào)的提取與解析[4]。GPS軟件流程圖如圖1所示。

圖1 GPS軟件流程圖Fig.1 Flow chart of the GPS software

首先打開串口進(jìn)行串口的初始化，配置串口的參數(shù)，根據(jù)硬件配置，默認(rèn)設(shè)置串口為COM4口，比特率為9 600 bit/s，完成所有初始化工作后，啟動(dòng)監(jiān)聽線程，監(jiān)聽串口上所有的輸入數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，若無數(shù)據(jù)，則繼續(xù)監(jiān)聽。系統(tǒng)1 s定時(shí)觸發(fā)事件，若數(shù)據(jù)存在，則對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按照NMEA0183協(xié)議解析，從而顯示在用戶界面上。

3 GPS定位信息提取與解析

3.1 GPS讀取MID串口數(shù)據(jù)流程圖

首先創(chuàng)建串口的讀線程，然后進(jìn)行串口的監(jiān)聽，等待指定讀事件的發(fā)生。如果有可讀數(shù)據(jù)則讀串口，對(duì)接收到的事件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)讀取流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)讀取流程圖Fig.2 Flow chart of the data reading

3.2 串行端口數(shù)據(jù)通信

1）打開串行端口

通過調(diào)用CreateFile函數(shù)打開串行端口

m_hComm =CreateFile （Port，GENERIC_READ |GENERIC_WRITE，0，0，OPEN_EXISTING，0，0）。 這個(gè)函數(shù)的返回值是已打開串行端口的句柄值。

2）串行端口通信配置

串口打開后，需對(duì)串口進(jìn)行配置。用GetCommState函數(shù)獲得當(dāng)前打開的串口參數(shù)，然后根據(jù)需要修改DCB的成員變量，用SetCommState函數(shù)來設(shè)置新的串口參數(shù)。

3）設(shè)置狀態(tài)參數(shù)

SetCommMask（m_hComm，EV_RXCHAR）；

4）設(shè)置超時(shí)參數(shù)

為防止程序陷入循環(huán)狀態(tài)，需要設(shè)置超時(shí)值。

5）讀寫串口通信

fReadState=ReadFile（m_hComm，data，length，&dwLength，NULL）； //從串口讀取數(shù)據(jù)

fWriteState=WriteFile（m_hComm，buf，dwCharToWrite*sizeof（char），&dwBytesWritten，NULL）； //向串口寫入數(shù)據(jù)

6）通信結(jié)束關(guān)閉串口

函數(shù)CloseHandle（m_hComm）用來關(guān)閉串口。當(dāng)串口獲取 GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)后，需要根據(jù)NMEA-0183通信協(xié)議解析GPS數(shù)據(jù)，獲取移動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前的格林尼治時(shí)間和位置，而我國的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間需在格林尼治時(shí)間上加上8小時(shí)。

GPS使用的坐標(biāo)系為WGS_84坐標(biāo)系，而我國通常使用的是國家坐標(biāo)系，如北京54國家坐標(biāo)系，因此需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。GPS在與MID通信過程中可通過串口每秒發(fā)送10條數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要解析所需定位數(shù)據(jù)[5]。

4 軟件測(cè)試

首先，在開發(fā)平臺(tái)上對(duì)程序進(jìn)行編譯成功后，然后同步到硬件平臺(tái)上，并運(yùn)行該軟件，實(shí)現(xiàn)串口打開，使接收機(jī)處于工作狀態(tài)，同時(shí)獲取GPS數(shù)據(jù)，最終顯示在數(shù)據(jù)信息框中[6]。

GPS數(shù)據(jù)信息采集程序運(yùn)行如圖3所示。

圖3 GPS信號(hào)采集程序運(yùn)行界面圖Fig.3 Operation interface diagram of the GPS signal acquisition program

5 嵌入式GPS在GIS上的應(yīng)用

5.1 GIS簡(jiǎn)介

GIS（Geographic Information System）地理信息系統(tǒng)是上世紀(jì) 60年代興起的技術(shù)，經(jīng)過 40余年的發(fā)展，GIS技術(shù)已趨成熟，現(xiàn)在已進(jìn)入推廣和普及應(yīng)用階段。GIS是一項(xiàng)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新興技術(shù)，圍繞著這項(xiàng)技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用形成了一門交叉性、邊緣性的學(xué)科，是管理和研究空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，它可以對(duì)空間數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)或空間位置進(jìn)行各種處理、對(duì)數(shù)據(jù)的有效管理、研究各種空間實(shí)體及相互關(guān)系。通過對(duì)多因素的綜合分析，它可以迅速地獲取滿足應(yīng)用需要的信息，并能以地圖、圖形或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結(jié)果。

隨著嵌入式GPS的出現(xiàn)，GIS的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了新的擴(kuò)展。例如車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，其大大方便了出行者，改善了交通狀況。而隨著城市的快速發(fā)展，我國提出了智慧城市的方案。目前宣布準(zhǔn)備或正在規(guī)劃和計(jì)劃建設(shè)智慧城市的有北京、上海、廣州、南京、沈陽、武漢、合肥、昆明、無錫、昆山、富陽、雙流等。而其中上海在智慧城市的建設(shè)中引領(lǐng)風(fēng)騷。其涉及領(lǐng)域之廣可及智慧安防，醫(yī)療，交通，校園，節(jié)能等。這將成為GIS發(fā)展的新領(lǐng)域。因此，嵌入式GPS在GIS上的應(yīng)用具有很大的發(fā)展前景。

5.2 嵌入式GPS在導(dǎo)游中的應(yīng)用

隨著旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的導(dǎo)游解說式旅游已經(jīng)不能滿足游客的需求。人們更希望自主游玩兒，而不是跟著導(dǎo)游走馬觀花，然而對(duì)于景區(qū)的陌生常常又會(huì)給游客帶來困擾，不能隨心所欲。此時(shí)GPS定位在GIS上的應(yīng)用即可解決這一問題。以游樂園為例，游客即可進(jìn)行自主游玩。

如圖4所示[7]，游客手持帶有GPS的手持終端進(jìn)入游樂園，當(dāng)游客進(jìn)入一個(gè)區(qū)域時(shí)，這里假設(shè)游客進(jìn)入城堡區(qū)，通過GPS定位，此時(shí)手持終端將自動(dòng)彈出界面，告知游客處于城堡區(qū)，而在城堡區(qū)界面中將設(shè)有幾個(gè)窗口，分別標(biāo)有城堡區(qū)中各城堡的名稱，如白雪公主城堡、灰姑娘城堡、美女與野獸城堡等。用戶挑選自己感興趣的城堡點(diǎn)擊進(jìn)入界面，此時(shí)便可查看相關(guān)城堡圖片，閱讀相關(guān)資訊等。游客便可根據(jù)喜好判斷是否前去游玩兒。

6 結(jié)束語

文中對(duì)GPS定位信息的提取進(jìn)行了介紹。隨著GPS的發(fā)展，嵌入式GPS的手持終端得到了廣泛應(yīng)用。在我國，智慧城市的提出又將帶來嵌入式GPS在GIS領(lǐng)域上新的應(yīng)用，具有美好的發(fā)展前景。

圖4 游樂園導(dǎo)游圖Fig.4 Tourist map of the Amusement park

[1]賈國憲，劉新江.VC環(huán)境下基于GlS的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)[J].北京測(cè)繪，2003（2）:11-15.JIA Guo-xian，LIU Xin-jiang.The development of GPS navigation system based on GIS in the VC environment[J].Beijing Surveying and Mapping，2003（2）:11-15.

[2]李現(xiàn)勇.Visual C++串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐 [M].北京:人民郵電出版社，2002.

[3]邱小平.Windows CE6.0開發(fā)經(jīng)典[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[4]王劍.Windows CE下的串口通信的實(shí)現(xiàn)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003（3）：21-23.WANG Jian.The realization of the serial communication based on Windows CE operating system[J].Microcontroller&Embedded Systems，2003（3）:21-23.

[5]Christopher J，Hegarty，寇艷紅.GPS原理與應(yīng)用[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[6]李洪濤，許國昌.GPS應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社，1999.

[7]吳秀琳，劉永革，王利軍.Mapinfo 9.5標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009.

[8]杭觀榮，康小錄.美國AEHF軍事通信衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)及其在首發(fā)星上的應(yīng)用[J].火箭推進(jìn)，2011（06）:1-8.HANG Guan-rong，KANG Xiao-lu.Propulsion system of USA AEHF military communication satellite and its application on AEHF-1 satellite[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（06）:1-8.