PDA環(huán)境下GPS信號的接收和處理方法

引言
3PS即全球定位系統，主要有三大組成部分――空間星座部分、地面監控部分和用戶(hù)設備部分。其中(GPS空間星座部分、地面監控部分均為美國所控制；(GPS的用戶(hù)設備主要由接收機硬件和處理軟件組成。用戶(hù)通過(guò)用戶(hù)設備接收GPS衛星信號，經(jīng)信號處理而獲得用戶(hù)位置、速度等信息，最終實(shí)現利用GPS進(jìn)行導航和定位的目的。目前，許多GPS廠(chǎng)商遵循NMEAO183協(xié)議針對PDA掌上電腦開(kāi)發(fā)許多導航型GPS。

GPS通過(guò)串口與PDA實(shí)現數據通信，利用(3PS傳來(lái)的數據，可以在PDA上得到物體的實(shí)時(shí)位置、速度等參數。通過(guò)與GIS系統的集成，可以在PDA上實(shí)現數字導航，很直觀(guān)地在地圖上了解所處的位置等信息。下面具體說(shuō)明如何實(shí)現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備之間的編碼轉換器。當數據從芯片經(jīng)過(guò)串行端口發(fā)送出去時(shí)，字節數據被轉換為串行的位。在接收數據時(shí)，串行的位將被轉換為字節數據。Windows CE使用了通信驅動(dòng)程序Comm．drv，以便使用標準的Windows API函數發(fā)送和接收數據。驅動(dòng)程序通常由串口設備制造商提供，以便將硬件與Windows CE連接。在程序設計中，模擬了一個(gè)COM6串口。先使用Comm6．PoxtOpen打開(kāi)串口，設置Comm控件的屬性，Timer觸發(fā)OnComm接收GPS信號的事件，實(shí)現GPS信號的實(shí)時(shí)接收。GPS提供串行通信接口，串行通信參數為：波特率=57 600 bps，數據位=8位，開(kāi)始位=1位，停止位=1位，無(wú)奇偶校驗。

2 GPS數據格式
NMEA0183協(xié)議是美國國家海洋電子協(xié)會(huì )(NationaIMarine Electronlcs Association)制定的GPS接口協(xié)議標準。NMEA0183定義了若干代表不同含義的語(yǔ)句，每個(gè)語(yǔ)句實(shí)際上是一個(gè)ASCII碼串。這種碼直觀(guān)，易于識別和應用。在試驗中，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據，其余的信息忽略掉。

GPS與掌上電腦通信時(shí)，通過(guò)串口每秒鐘發(fā)送10條數據。實(shí)際導航應用讀取GPS的空間定位數據時(shí)，可以根據需要每隔幾秒鐘更新一次經(jīng)緯度和時(shí)問(wèn)數據，不必頻繁地更新數據，否則，會(huì )浪費掌上設備有限的電能。如果和衛星通信正常，可以接收到的數據格式如下：$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(yǔ)句是從起始符“$GPGGA”到終止符“CR>LF>”為止的一段字符串。需要掌握的信息是經(jīng)緯度、經(jīng)緯度方向、GPS定位狀態(tài)和接收信號的時(shí)間。所以當接收到這樣一個(gè)完整的NEMA0183語(yǔ)句時(shí)，提取有用信息的方法是：先判定起始符$GPGGA的位置，從起始符開(kāi)始讀人數據，再通過(guò)異或校驗后的語(yǔ)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)心的數據，并以回車(chē)符為一個(gè)CPS語(yǔ)句的終止符，得到一個(gè)完整的GPS信號。在提取出的GPS語(yǔ)句中，找尋經(jīng)緯度所在的逗號位置，讀出經(jīng)緯度坐標，再將經(jīng)緯度坐標進(jìn)行度數的轉換。因為地圖的坐標是以度數為標準的。

3 GPS信號處理
根據串行通信的原理，結合GPS數據的格式，可以設計GPS信號處理模塊以提取與(3PS位置相關(guān)的信息。由于一般用戶(hù)坐標系均為制圖坐標系，所以還要把從GPS信號中提取的坐標由WGS84坐標變換為相應的54、80坐標或地方坐標。

3.1 GPS信號處理模塊設計
GPS數據處理模塊的設計方案如圖l所示。GPS接收機通過(guò)串口6將定位數據(NMEA 0183 Ver2．O)傳給Pocket PC，并將GPS數據在電子地圖上定位。在EVB中，借助Comm控件將定位數據讀進(jìn)來(lái)，接著(zhù)進(jìn)行定位數據的分類(lèi)，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用程序。主應用程序再將GPS接收機的控制信息整理成NEMA0183 VER2．O語(yǔ)句，通過(guò)Comm控件的傳遞并發(fā)送到GPS接收機。這樣，P0cket。PC與GPS接收機的串口通信和GPS定位數據處理功能通過(guò)進(jìn)程外的ActiveX服務(wù)器封裝，將系統的實(shí)時(shí)性能通過(guò)操作系統的進(jìn)程管理器來(lái)實(shí)現．從而繞過(guò)了EVB單線(xiàn)程的不足。

3.2 GPS信號接收和處理過(guò)程
GPS接收到位置信號后，系統將對GPS的定位信息進(jìn)行分解并提取出有用數據。GPS信號接收和處理的過(guò)程：通過(guò)串口6將GPS輸出的數據傳遞給PDA，PDA主程序獲得目標當前的位置(經(jīng)緯度坐標、海拔)，將接收機獲得的GPS數據進(jìn)行分解，從中得到目標當前的位置和格林威治時(shí)間(該時(shí)間加上8小時(shí)即為我國標準時(shí))，經(jīng)過(guò)相應的坐標轉換，再將當前位置顯示在電子地圖上。GPS信號接收和處理如圖2所示。

3.3 GPS信號的接收程序實(shí)現
系統采用Embedded Visual Basic中的Comm通信控件和Timer定時(shí)器。定時(shí)器設置為每隔2 s更新1次經(jīng)緯度和時(shí)間數據。每個(gè)Comm控件提供一個(gè)通信端口，實(shí)現數據傳輸。

開(kāi)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(chē)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坐標變換
GPS定位所得出的結果屬于WGS84坐標，而在工程上實(shí)用的大多是國家坐標系，或者是獨立坐標系。獨立坐標系一般是在國家坐標系基礎上形成的，因此，GPS定位結果的使用中就有與國家坐標系間的坐標轉換問(wèn)題。一般要通過(guò)兩步轉換：首先將WGS84的大地坐標(L，B)轉換為對應于WGS84橢球的高斯平面坐標(X84、Y84)，然后再經(jīng)過(guò)平面坐標轉換，將高斯平面坐標(X84、Y84)強制附合到本地高斯平面坐標系統。

4.1高斯換算
將GPS定位所得出的大地坐標(L，B)轉換為高斯平面坐標(X84、Y84)。有關(guān)的推導過(guò)程較復雜，本文只給出結果：

式中，ι=(L―L。)／p，ιo為投影帶中央子午線(xiàn)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(cháng)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(xiàn)弧長(cháng)，其計算公式為

4.2平面坐標轉換
平面坐標轉換的目的就是將高斯平面坐標(X84、Y84)轉換為當地國家坐標系或獨立坐標系下的高斯平面坐標。本文設計了一種平均轉軸相似轉換法。以轉換為北京54坐標系中的(X54、Y54)為例，說(shuō)明該方法的實(shí)現過(guò)程。

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

式中：xo，yo分別為公共點(diǎn)在北京54中重心坐標；x′，y′o，分別為公共點(diǎn)在WGS84中重心坐標；k為同一邊在北京54與WGS84中的邊長(cháng)之比，當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據
野外用GPS-PDA采集調查對象的幾何數據和屬性數據。該數據是一個(gè)自定義的格式，經(jīng)處理后，將定位數據和屬性數據融合生成符合要求的空間矢量數據標準交換格式。這種標準格式的矢量數據文件由6部分組成：文件頭、要素類(lèi)型參數、屬性數據結構、幾何圖形數據注記和屬性數據。

5 應用實(shí)例
選取聯(lián)想天璣XP208型PDA和NAVMAN GPS1010型CF卡式GPS接收設備，用自主開(kāi)發(fā)的數據采集系統記錄GPS定位信息和屬性數據。

開(kāi)機運行主程序，進(jìn)入主界面，代碼設置和參數設置完成后，進(jìn)入測量界面。首先，選擇測量模式，對于不規則地物一般采用“連續測量”模式，規則地物采用“間斷測量”模式。然后，點(diǎn)擊測量鍵，開(kāi)始測量并記錄數據。默認觀(guān)測時(shí)間10 s，系統響鈴提示，按暫停鍵結束該點(diǎn)觀(guān)測數據的記錄。此時(shí)，在PDA屏幕上顯示出測得的第1點(diǎn)。同時(shí)在遷站過(guò)程中，GPS接收機繼續保持跟蹤衛星，在下一個(gè)待測點(diǎn)上，按測量鍵繼續記錄，按暫停鍵結束該點(diǎn)觀(guān)測數據的記錄。依次測得余下的點(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)，彈出對話(huà)框。選擇地物要素后，自動(dòng)彈出圖斑的屬性錄入界面。實(shí)地測量結果如圖3所示。

結 語(yǔ)
通過(guò)本設計方法，可以將GPS定位導航信息從GPS接收機完整接收，經(jīng)過(guò)坐標變換后存儲為空間矢量交換格式；處理后的空間數據可以為其他應用系統，如各種GIS、RS、ITS(Intelligent Transportatl011 System)等使用，實(shí)現在車(chē)載導航、智能交通、野外勘探、旅游等方面的應用。本文所講述的例子是在有線(xiàn)串口上實(shí)現的。在實(shí)際應用過(guò)程中，可以采用其他接口方式來(lái)實(shí)現GPS與PDA的互連，比如紅外接口、藍牙技術(shù)等。通過(guò)適當地修改，可以方便地應用到其中。