基于WinCE的GPS導航信息處理軟件的實(shí)現

摘要： GPS OEM 板一般以原始的二進(jìn)制格式提供導航報文， 為了得到最終的定位結果， 需要對報文進(jìn)行解碼， 獲得相關(guān)測量量以及衛星參數， 再構成計算方程組進(jìn)行求解。本文提出了一種在WinCE 環(huán)境下的GPS 導航信息處理的軟件實(shí)現方案， 描述了嵌入式處理器與GPS OEM 板的連接方式與串口通信方法， 分析了GPS 導航電文的格式， 最后， 設計了導航解算軟件流程并給出了解算結果的顯示。此設計方案已經(jīng)在車(chē)載導航型GPS 接收機的研制中得到應用， 工作穩定， 并滿(mǎn)足精度要求。

0 引言

衛星發(fā)出的信號通過(guò)GPS 接收機基帶處理程序后， 可以獲得相關(guān)的衛星星歷和偽距、偽距律、載波相位、多普勒頻移等原始觀(guān)測量， 如何利用這些信息解算出接收機的位置、速度、時(shí)間等定位信息， 是定位解算程序的主要目的。

本文主要介紹了GPS OEM 接收機原始導航信息的獲取、GPS 報文的解碼以及位置速度等信息的解算程序設計。

1 平臺設計

系統采用的操作系統為WinCE, WinCE 是一個(gè)多任務(wù)、完全搶占式的32 位嵌入式操作系統， 支持WinCEMFC、ATL、WinCE API 和一些附加的編程接口以及各種通信技術(shù)。開(kāi)發(fā)工具采用eVC, eVC （ embedded visualC+ + ） 是Windows CE 上的主流開(kāi)發(fā)工具， 封裝了網(wǎng)絡(luò )底層通訊、COM 互操作、RAPI 等。eVC 支持MFC 類(lèi)庫的子集， 使Win32 平臺上的VC 程序可以很容易地遷移到WinCE 平臺上。

硬件平臺采用基于xscale PXA255 處理器的嵌入式系統， 采用NOVAT EL OEM4 接收機獲得原始的GPS 導航數據， 兩個(gè)平臺間采用串口進(jìn)行通訊。

1. 1 串口通信設置

eVC 在實(shí)現串口數據通信中存在2 個(gè)局限性： 一是eVC 不支持串口通信控件MScomm, 另外， WinCE 不支持重疊I/ O 操作。因此， 要采用WinCE A PI 函數和多線(xiàn)程技術(shù)進(jìn)行數據串口通信的底層開(kāi)發(fā)。

對串口的操作都映射成對文件的操作， 因此， 讀取串口的數據相當于讀取文件的數據。在eVC 環(huán)境中， 通過(guò)調用CreateFile 函數來(lái)打開(kāi)串口， 設置讀寫(xiě)模式：

H ANDL E m_hCom=CreateFile（ STrCom, GENERIC _READ | GEN ERIC_WRITE, 0, NU LL, OPEN _ EXIST _ ING, FILE _AT TRIBU TE_NORMAL, NU LL）

因為WinCE 不支持重疊I/ O, 所以CreateFile 的第6個(gè)參數不能設置為：

FILE_FLAG_OVER_LAPPED, 否則串行通信處理將被系統信息阻塞。

打開(kāi)串口后， 可以通過(guò)串口的初始化函數SetCommStat e（ ） 來(lái)配置各項串口參數， 如波特率、奇偶校驗方法、數據位和停止位數等。

1. 2 線(xiàn)程同步

WinCE 的API 不支持重疊I/ O 操作， 因此， 要采用多線(xiàn)程模式解決大量數據讀寫(xiě)時(shí)產(chǎn)生的困難。當主線(xiàn)程忙時(shí)，可以使用單獨的線(xiàn)程來(lái)處理串口， 也就是異步I/ O 模式。

為了保證在數據讀取線(xiàn)程向主線(xiàn)程傳遞數據時(shí)所傳遞的變量不會(huì )被新的串口數據所覆蓋， 可以采用互斥體技術(shù)。通過(guò)以下代碼創(chuàng )建互斥體：

H ANDL ECreateMutex （ LPSECU RITY _ AT T RIBU T ESlpMutexAt tr ibutes,BOOL bInitialOwner , LPCTSTR lpN ame） .

線(xiàn)程通過(guò)一個(gè)等待函數來(lái)獲得互斥體的所有權， 互斥體的線(xiàn)程是不會(huì )被阻斷的， 完成對數據的處理后， 需要調用函數釋放互斥體， 可以使用如下函數：

BOOL ReleaseMutex（ HANDLE hMutex）

2 GPS 導航電文解碼

2. 1 導航電文的格式

由衛星發(fā)出的導航電文是用戶(hù)用來(lái)定位和導航的基礎數據。導航電文一般包含衛星的星歷和歷書(shū)數據、工作狀態(tài)、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣層折射修正以及相應的觀(guān)測信息， 在報文中還包括奇偶校驗信息， 用來(lái)驗證報文接收的正確性。電文處理模塊的功能， 就是根據接收從基帶處理模塊中獲得的導航電文， 并進(jìn)行奇偶校驗， 確定報文完整后， 根據電文格式， 對二進(jìn)制電文進(jìn)行解析， 從而獲得電文中的導航信息。

導航電文的格式是主幀、子幀、字碼和頁(yè)碼， 如圖1 所示。每主幀電文長(cháng)度為1 500 b, 傳送速率為50 b/ s, 所以發(fā)播一幀電文需要30 s 時(shí)間。

圖1 導航電文幀結構

每幀導航電文包括5 個(gè)子幀， 每個(gè)子幀長(cháng)6 s, 共有300 b.第1、2、3 子幀各有10 個(gè)字碼。這3 個(gè)子幀的內容每30 s 重復一次， 每小時(shí)更新一次。第4、5 子幀各有25頁(yè)， 共有15 000 b.一幀完整的電文共有37 500 b.

2. 2 導航電文的內容

導航電文的內容包括遙測碼、轉換碼、第1 數據塊、第2 數據塊和第3 數據塊5 部分：

第1 子幀的第3~ 10 個(gè)字碼為第1 數據塊。它的主要內容是： 標志碼、數據齡期、衛星時(shí)鐘改正系數、衛星測距精度、大氣傳播時(shí)延改正。

第2 數據塊包括第2 和第3 子幀， 它載有衛星的星歷，用來(lái)計算衛星的位置。

第3 數據塊是由第4 和第5 兩個(gè)子幀構成的， 它提供了GPS 衛星的歷書(shū)數據。當接收機捕獲到某顆衛星后， 利用第3 數據塊的信息可以得到其他衛星的概略星歷、時(shí)鐘改正、碼分地址和衛星狀態(tài)等數據。用戶(hù)可以根據衛星歷書(shū)和自己所在的位置， 計算出該時(shí)刻能觀(guān)測到的衛星及其方位角和高度角， 從而選擇， 以快速捕獲和定位。

3 軟件編制

通過(guò)串口接收到GPS 導航電文并且經(jīng)過(guò)奇偶驗證和解碼后， 就可以獲得GPS 衛星的星歷和觀(guān)測信息， 包括偽距、載波相位、多普勒頻移。利用衛星的星歷， 可以計算出當前可見(jiàn)衛星的坐標和在運行速度。一般情況下， 可見(jiàn)的衛星數都大于解算所需的衛星數， 為了獲得最優(yōu)的定位精度， 要對當前可見(jiàn)的衛星進(jìn)行選擇。本系統中， 采用最小GDOP 法進(jìn)行選星， 選出的最優(yōu)星座的衛星信息結合觀(guān)測量， 通過(guò)誤差修正程序進(jìn)行偽距修正后， 就可以構成接收機位置的解算方程組。解出此方程組， 即可獲得接收機的當前位置和速度以及接收機鐘差。

軟件基本流程如圖2 所示。

圖2 軟件主要流程

4 測試結果

2006 年7 月4 日， 在北航對系統進(jìn)行了測試。經(jīng)過(guò)測試， 系統工作正常， 解算結果散布在較小的范圍內。結果顯示如圖3~ 5 所示。

圖3 衛星位置示意圖和定位結果

圖4 衛星信息顯示圖

圖5 計算結果輸出

5 結論

本文提出的基于嵌入式WinCE 的GPS 導航信息處理方案已經(jīng)在某導航接收機的研制中得到應用， 系統工作穩定， 能夠滿(mǎn)足可靠性和實(shí)時(shí)性要求， 達到預期效果。