PC/104在GPS車(chē)輛定位系統設計中的應用

1 引言

為了緩解現代城市交通的壓力，近年來(lái)出現了將最新的GSM（全球移動(dòng)通信系統）、GPS（全球定位系統）、GIS（地理信息系統）系統與計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)相結合的ITS智能交通系統。通過(guò)此系統可以合理利用和充分發(fā)揮現有道路的交通潛力，有效解決交通擁擠的現象。借助于高科技手段，ITS系統可以對機動(dòng)車(chē)輛實(shí)施管理、調度、救生、咨詢(xún)或進(jìn)行防盜等多種功能，幅度提高交通管理質(zhì)量。對集團用戶(hù)則可以提高車(chē)輛的營(yíng)運效率，降低營(yíng)運成本。

為了實(shí)現ITS智能交通系統，如何進(jìn)行車(chē)輛定位是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。GPS車(chē)輛定位系統，是借助GPS全球定位系統為機動(dòng)車(chē)輛提供定位信息的系統。GPS系統可以提供全球覆蓋、全天候、免費的高精度標準授時(shí)/導航定位服務(wù)，通過(guò)車(chē)載GPS接收機可以實(shí)時(shí)地獲得車(chē)輛的經(jīng)緯度位置和時(shí)間等關(guān)鍵信息。也正因為此，GPS系統成為當前車(chē)輛定位的首選方案。車(chē)輛定位系統將GPS系統獲得的經(jīng)緯度信息進(jìn)行地圖匹配，以確定車(chē)輛在城市交通道路中的具體位置。 本文將PC/104嵌入式計算機應用在GPS車(chē)輛定位系統設計中，討論了系統的軟硬件設計。2 GPS車(chē)輛定位系統工作原理 GPS車(chē)輛定位系統的工作原理如圖1所示。

從圖1可以看出GPS車(chē)輛定位系統與GPS系統、定位業(yè)務(wù)，以及GIS系統的應用密不可分。以下將對它們的研究現狀加以簡(jiǎn)要介紹。

2.1 GPS全球定位系統

GPS原名“導航星”（NAVSTAR）系統，1993年12月8日由美國國防部建成并投入運營(yíng)。該系統將24顆衛星分布在6個(gè)等間隔空間軌道上，其中有三顆備用星。這種分布可以保證全球任意地區、任何時(shí)刻都處于不少于4顆衛星的觀(guān)測之下。GPS接收機通過(guò)天線(xiàn)接收衛量信號和導航電文，然后進(jìn)行碼測量或相位測量，依據導航電文提供的衛星位置和鐘差改正信息，就可確定4個(gè)導航參數：緯度、經(jīng)度、高度和時(shí)間，從而實(shí)現定位和導航。GPS接收機僅接收數據，因此在同一地區可以有任意數目的用戶(hù)接 GPS信號。

2.2 定位業(yè)務(wù)（LCS）

移動(dòng)通信發(fā)展到今天，最能體現它勃勃生機的地方在于其豐富多彩的數據業(yè)務(wù)和增值業(yè)務(wù)。移動(dòng)定位業(yè)務(wù)作為移動(dòng)通信網(wǎng)的一種增值業(yè)務(wù)，在這一發(fā)展機遇下也悄然興起。據預測，到2004年，在各種移動(dòng)通信業(yè)務(wù)用戶(hù)數排名中，定位業(yè)務(wù)用戶(hù)數將位居第二，成為僅次于語(yǔ)音業(yè)務(wù)的增值業(yè)務(wù)。美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）早在1996年，就規定美國的移動(dòng)通信公司必須在2001年前為每位擁有手機的用戶(hù)提供定位業(yè)務(wù)，使這些用戶(hù)能夠用手機撥打911緊急救援電話(huà)（相當于中國的110電話(huà)）。FCC還對所要提供的位置精度作了規定。由于定位業(yè)務(wù)的深遠影響，GSM的標準組織ETSI也委托美國的T1P1為GSM制定Phase 2+的定位業(yè)務(wù)標準，并已納入到ETSI的標準當中，同時(shí)，AMPS、CDMA、尋呼系統等移動(dòng)通信系統都在積極開(kāi)發(fā)定位業(yè)務(wù)，許多廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了許多定位設備，提供精度越來(lái)越高的定位業(yè)務(wù)。它的應用前景主要集中在以下幾點(diǎn)：緊急救援、車(chē)輛導航和智能交通系統（ITS）、工作調度和團隊管理、移動(dòng)黃頁(yè)查詢(xún)、與距離有關(guān)的計費等。

2.3 GIS地理信息系統

GIS地理信息系統能以一個(gè)空間信息為主線(xiàn)，將其它各種與其有關(guān)的空間位置信息結合起來(lái)，是以計算機為手段，對具有地理特征的空間數據進(jìn)行處理的軟件系統。GIS的用途十分廣泛，可以為各類(lèi)應用目的服務(wù)，例如交通、能源、農林、水利、測緩、地礦、環(huán)境、航空、國土資源綜合利用等等。在未來(lái)“數字地球”的建設中，GIS將起到十分重要的作用。研究GIS的理論與技術(shù)、開(kāi)發(fā)GIS軟件產(chǎn)品以及推進(jìn)和深化GIS各類(lèi)應用已經(jīng)成為國內外科技界和產(chǎn)業(yè)界的一大熱點(diǎn)。

GIS的理論基礎主要有兩大支柱：地球科學(xué)和信息科學(xué)。前者涉及地物空間信息及其關(guān)系信息的獲取、分類(lèi)模型及語(yǔ)音表示中的理論問(wèn)題和實(shí)踐問(wèn)題，后者則涉及信息的組織、存儲、處理、可視化表示及傳輸中的理論問(wèn)題和實(shí)踐問(wèn)題。GIS的技術(shù)基礎包括遙感技術(shù)、定位技術(shù)和信息技術(shù)的各個(gè)方面。其發(fā)展趨勢之一是OpenGis（開(kāi)放地理數據互操作）；發(fā)展趨勢之二是全關(guān)系化，其目標就是大大提高空間數據的建設、分析速度，大大簡(jiǎn)化GIS應用軟件的設計。GIS發(fā)展的總趨勢是從以系統為中心向以數據為中心發(fā)展。并且，GIS/GPS技術(shù)的一體化一直是GIS技術(shù)界努力的方向。

在車(chē)輛定位系統中，需要電子導航地圖來(lái)描述城市道路交通信息，而電子導航地圖即屬于GIS地理信息系統的一種應用。

3 GPS車(chē)輛定位系統軟硬件設計

3.1 硬件設計

車(chē)載設備的具體工作環(huán)境要求GPS車(chē)輛定位系統的體積要盡可能小、可靠性要盡可能高。因此，系統硬件核心部分適宜選擇某種嵌入式計算機。隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，在產(chǎn)品中嵌入微機作為控制器已開(kāi)始隨處可見(jiàn)。由于PC體系結構的廣泛流行，與PC兼容的軟件、硬件、外設和開(kāi)發(fā)工具都比其它體系結構更豐富、更便宜，將PC體系結構用于嵌入式應用就意味著(zhù)能夠大幅度地降低開(kāi)發(fā)成本、減小風(fēng)險及縮短開(kāi)發(fā)周期，而且減少了許多令人頭疼的系統維護和技術(shù)支持。

PC/104計算機可以滿(mǎn)足以上要求，它體積小、集成度高，提供與PC總線(xiàn)在體系結構、硬件和軟件上的完全兼容，而且結構緊湊的棧接式模塊很適合嵌入式控制應用的獨特要求。由于使用CMOS器件，PC/104模塊功耗低，不存在散熱問(wèn)題，工作溫度范圍寬（0～70℃）；結構緊固，非常緊湊，所占面積只有90mm×96mm，超小的體積使安裝和攜帶都很方便；減少了產(chǎn)品部件的數量；由模塊構成的系統，直接疊裝，無(wú)需機箱和底板；并且具有良好的抗沖擊、抗震特性。已有的PC/104模塊為構造嵌入式系統提供了種類(lèi)繁多的各種構件，它能高集成性和可模塊化的結構適用于多種應用。

現在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的PC/104計算機型號一般都在486以上，具有兩個(gè)串行口和一個(gè)并行口。在GPS車(chē)輛定位系統硬件設計中，可以將兩個(gè)RS232串行口分別用于GPS接收機數據接收和RTCM104差分GPS修正擴展。一個(gè)并行口可外接液晶顯示屏。通過(guò)配套的萬(wàn)用鍵盤(pán)接口，可以將薄膜鍵盤(pán)擴展成用戶(hù)鍵盤(pán)直接連接在PC/104的標準鍵盤(pán)接口上使用。此外，PC/104還可以選擇各種容量的固態(tài)盤(pán)芯片和電子盤(pán)作為數據存儲硬盤(pán)使用。系統硬件設計原理圖如圖2所示。

GPS車(chē)輛定位系統在完成地圖匹配后，需將行車(chē)路徑顯示在液晶屏上。如果需要，還可顯示時(shí)間、精度、緯度及海拔等觀(guān)測量。此外用戶(hù)可以通過(guò)發(fā)送指令完成地圖縮放和信息查詢(xún)；記錄和維護歷史軌跡，支持軌跡重放（即能夠通過(guò)液晶顯示器顯示車(chē)輛在某一段時(shí)間行走的軌跡）；接受并處理報警信息等。通過(guò)通信網(wǎng)傳輸車(chē)輛的位置信息，還可以完成機動(dòng)車(chē)輛實(shí)施管理、調度、救生、咨詢(xún)或進(jìn)行防盜等多種功能。

3.2 軟件設計

GPS車(chē)輛定位系統軟件編制工作主要集中在GPS信號接收、電子導航地圖的開(kāi)發(fā)與管理，以及地圖匹配和定位信息顯示等幾個(gè)方面。其中難點(diǎn)在于電子導航地圖的開(kāi)發(fā)與管理，這屬于GIS系統范疇，其開(kāi)發(fā)形式主要有三種：

①自主設計電子導航地圖的數據結構和數據庫，利用Visual C++、Visual Basic等編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)GIS系統軟件。這種開(kāi)發(fā)形式要求必須具備雄厚的科研力量和巨額的開(kāi)發(fā)費用。

②引進(jìn)國內外先進(jìn)的GIS系統軟件，利用其提供的二次開(kāi)發(fā)工具，結合自己的應用目標開(kāi)發(fā)。這種方法比較簡(jiǎn)單易行，主要缺點(diǎn)是移值性差，并且受開(kāi)發(fā)工具的限制，不能脫離原系統軟件環(huán)境而獨立運行。

③利用支持對象技術(shù)的高級語(yǔ)言和GIS廠(chǎng)商提供的控件構成面向最終用戶(hù)的可執行應用程序。利用這些控件開(kāi)發(fā)的GIS被稱(chēng)為嵌入式的GIS。這種方法是隨著(zhù)20世紀90年供興起的控件技術(shù)的發(fā)展而開(kāi)始流行的，它的特點(diǎn)是開(kāi)發(fā)周期短、成本低、可以脫離大型商業(yè)GIS軟件平臺獨立運行，為不熟悉GIS技術(shù)的團和個(gè)人提供使用上的便利，是未來(lái)GIS開(kāi)發(fā)的重要方向。

例如：MapInfo是美國MapInfo Corpration開(kāi)發(fā)的桌面地理信息系統軟件，為用戶(hù)提供完整的地理信息解決方案。為了方便用戶(hù)應用開(kāi)發(fā)，也為了MapInfo 的普及推廣，MapInfo推出了能讓用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和使MapInfo智能化的MapBasic編程語(yǔ)言。使用MapBasic語(yǔ)言可以使用戶(hù)方便地開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的MapInfo應用系統?？梢詧绦袕碗s而先進(jìn)的數據庫查詢(xún)操作。此外，MapBasic程序易于諸如Visual Basic、C++、Visual C++、Power Builder、Delphi等語(yǔ)言編寫(xiě)的應用軟件集成，能實(shí)現MapInfo與其他應用程序的連接。在MapBasic開(kāi)發(fā)環(huán)境的支持下，可將MapInfo應用于各種不同的領(lǐng)域（如決策支持、多媒體數據庫應用、衛星定位應用系統等）。從而可用其開(kāi)發(fā)出與GPS相結合的車(chē)輛定位系統。

當今，比較前衛的桌面地理信息系統開(kāi)發(fā)工具是Mapinfo MapX，它是Mapinfo公司新近推出的GIS產(chǎn)品，它不同于Mapinfo是Professional Runtimes和Map Basic，它是一個(gè)OCX控件。開(kāi)發(fā)人員使用它可將桌面地理信息系統的功能嵌入一系列軟件應用中，從而滿(mǎn)足用戶(hù)的特定需求。它可在諸如AB、VC、Power Build或Delphi這些可視化編程環(huán)境中調用。由于Mapinfo MaXP不再是一個(gè)專(zhuān)有程序語(yǔ)言，使用人員可在原有熟悉的編程環(huán)境下花費較少的時(shí)間和財力使用Mapinfo MaXP提供的先進(jìn)地理信息系統功能。

4 結束語(yǔ)

在國內，針對GPS車(chē)輛定位系統的研究方興未艾，在系統實(shí)際設計與應用中還有許多問(wèn)題需要研究解決；（1）針對GPS車(chē)輛定位系統的性能指標，選擇一個(gè)合理的GPS接收機； （2）各城市電子導航地圖的制作需要專(zhuān)業(yè)人員按統一格式嚴格制作，以便于統一管理和數據共享。因為現階段的地圖制作還處于不同公司或不同部門(mén)開(kāi)發(fā)，誰(shuí)開(kāi)發(fā)誰(shuí)管理的階段，數據庫格式不能兼容。因為道路交通信息量較大，故需研究一下可以滿(mǎn)足實(shí)際需求的GIS系統。 （3）在城市中逐漸建立起完善的ITS智能交通系統，有利于實(shí)現車(chē)輛定位、管理和調度等多種功能。 以上這些都有賴(lài)于GSM（全球移動(dòng)通信系統）、GPS（全球定位系統）、GIS（地理信息系統）系統與計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的共同發(fā)展和完善。本文將PC/104嵌入式計算機應用在GPS車(chē)輛定位系統設計中，討論了該系統的軟硬件設計。