（通信与信息系统专业论文）gps车辆自导航系统关键技术研究.pdf

摘要 车辆自导航系统是智能交通系统的重要组成部分，其主要功能是借助于电子 地图为驾驶员实时提供车辆位置、速度、方向以及周围地理环境等信息，以指导 驾驶员快速、安全、准确地到达目的地。 本文首先对车辆自导航系统中的基础理论进行了介绍；接着详细介绍了g p s 数据接收程序和电子地图定位跟踪软件的计设与实现方法，对典型的组合导航系 统和地图匹配算法作了总结和分析；最后，对我国的双星定位系统作了介绍，针 对双星定位系统在智能交通方面的应用提出了一种调度监控系统模型。 关键词：g p s 智能交通系统车辆自导航电子地图 a b s t r a c t t h ev e h i c l ea u t o n a v i g a t i o ns y s t e mi sac r u c i a lc o m p o n e n to ft h ei n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，w h o s em a i nf u n c t i o ni st os u p p l yt h ed r i v e r sw i t ht h e i rp o s i t i o n ， v e l o c i t y , m o v i n gd i r e c t i o na n dt h es u r r o u n d i n gg e o g r a p h i cc i r c u m s t a n c ei n f o r m a t i o n f o rt h e i rf a s t ，s a f ea n da c c u r a t ea r r i v a lb yt h ea i do fe l e c t r o n i cm a p i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ri n t r o d u c e sf i r s t l yt h eb a s i ct h e o r yf o r t h ev e h i c l e a u t o n a v i g a t i o ns y s t e m a n ds e c o n d l yg p sd a t ar e c e i v i n gp r o g r a m sa n dt h em e t h o d s o fd e s i g n i n ga n dr e a l i z i n ge l e c t r o n i cm a pl o c a t i n gs o f t w a r e ，w h i c hf o l l o wt h es u m u p o fa n dt h ea n a l y s i st ot h et y p i c a li n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e ma n dt h ea l g o r i t h mo f m a pm a t c h i n g a tl a s t ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h ed o u b l es t a rp o s i t i o ns y s t e m ，a n d a i m i n g a t i t s a p p l i c a t i o n i nt h e i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m as c h e d u l e m o n i t o r i n g & d i s p a t c h i n gs y s t e mm o d e li sp r e s e n t e d k e y w o r d ：g p s i t sv e h i e l ea u t o - n a v i g a t i o ne l e c t r o n i cm a p 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作的同志所做的任何 贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 、曹吉金 日期：竺型，! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。 ( 保密后的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：望童全日期：三竺生：! ：z 导师签名戥撂 第一章绪论 第一章绪论 车辆自导航系统是智能交通系统的重要组成部分。目前，先进的车辆自导航 系统结合了g p s 全球定位技术、地理信息系统( g i s ) 技术和现代计算机技术， 从而实现了车辆的自主定位、自主导航，使车辆能够在陌生的地形环境中顺利的 通行，大大提高了车辆的运行效率和安全，减轻了驾驶员的工作，使驾驶员能够 准确及时地控制车辆到达预定的目的地。 i i g p s 车辆自导航系统概述 g p s 车辆自导航系统的主要功能是通过g p s 接收机接收g p s 工作卫星的导 航信号，从而解算出车辆目前的经度、纬度等位置信息，并将位置信息存入导航 电子计算机的数据库中；最后在具有强大的地理信息查询功能的电子地图上显示 出来。同时，g p s 车辆自导航系统还可以实时连续地对车辆的准确位置、速度、 方向以及周围的详细地理环境进行监控和查询，对最优路径进行计算和规划，帮 助驾驶员及时了解车辆目前的位置和状况，使驾驶员在陌生的地理环境中能够准 确地选择路线、快速地熟悉周围环境，从而快速、安全、准确地到达目的地。 1 2 课题的研究意义 随着经济的迅速发展，车辆的普及率越来越高，车辆在扩大人们的活动范围、 给人们的生活带来方便的同时也带来了更多的困惑：复杂的交通网络使人们无所 适从；频繁发生的交通堵塞使人们难于选择正确的行车路线：处在陌生的地理环 境中无法准确的了解周围的交通条件和自己的准确位置；需要服务时却不了解周 围服务设施的分布2 0 世纪末的一项研究发现，仅美国的主要城市每年因交通 拥挤而造成的浪费就已超过4 7 5 亿美元，每年的交通拥挤浪费了多达1 4 3 5 亿升 ( 3 7 9 亿加仑) 的燃料和2 7 亿个工作小时，而且这些数字还将以每年5 1 0 的 速度继续递增f 2 。j 。目前我国城市的机动车保有量正以1 5 的高速率增长，而城市 道路的增长率则仅为3 左右，经济的高速发展和城市化进程的加快，使我国的 城市交通基础设施承受着巨大的压力。同时，低效率利用及管理技术落后并存的 现象又加剧了交通设施短缺造成的困难。我国大中城市普遍存在着人车混行、运 输效能低下的现象。因此，发展智能交通系统的意义非常重大。 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m - - i t s ) 是利用最尖端的电子 2 g p s 车辆自导航系统关键技术研究 信息技术，形成人员( 包括驾驶员和管理者) 、公路和车辆三位一体的新型公路交 通系统的总称。i t s 能够利用现有的道路设施，减少交通拥挤，加强对车辆的集 中管理和调度，为驾驶员提供足够的交通、公安、娱乐等信息，实现人、车、路 的密切结合和和谐统一，这将极大地提高交通运输效率，保障交通安全，增强行 车的舒适性，改善环保质量，提高能源的利用率。车辆自导航系统是智能交通系 统( i t s ) 的一个重要组成部分，而g p s 定位技术更是i t s 的技术核心。因此， 研究g p s 车辆自导航系统意义重大。另外，从国家安全角度考虑，限制国外导航 厂商获取中国高精度电子地图是必须要做的事情；所以，打破国外的技术垄断， 开发具有自主知识产权的车辆导航产品将具有更深层次的意义。 1 3 车辆导航发展现状 就目前的发展情况看，车辆导航技术最发达的地方是美国、日本和欧洲等地 区，其导航技术的现状代表了本领域研究和应用的发展方向，尤其是日本导航技 术的发展更是处于领先地位。 从日本i t s 发展年鉴来看，日本最早从1 9 9 2 年开始大规模应用g p s 导航系 统，从1 9 9 6 年开始车辆导航系统进入快速发展期，截止到2 0 0 2 年6 月己累计销 售达到9 6 2 万台。目前年销售量维持在几百万套，超过6 0 的新车出厂时就己安 装了车辆导航系统。由于日本出色的制造技术，日本在车辆导航装置方面的研究 开发和生产已经处于世界领先水平，形成了一批著名的导航器生产厂商。如 k e n w o o d ( 建伍) 、c l a r i o n ( 歌乐) 、p a n a s o n i c ( 松下) 、d e n s o ( 电装) 、a l p i n e ( 1 j g 尔派) 、 p i o n e e r ( 先锋1 等。 日本车辆导航产品在市场上的出色表现一方面是因为日本制造技术出色，基 础设施配套齐全，更主要的因素是日本导航产品在功能和性能上的设计真正满足 了市场需要：对日本购车的个人用户而言，日本导航系统功能丰富，使用方便， 在能满足导航诱导的同时还能提供多种服务，具有很好的性能价格比：对社会和 国家而言，导航技术的普及大大缓解了交通拥堵，在提高交通效率的同时，对环 保也有所改善，符合国家的利益。因而该技术的推广应用也得到了国家从基础设 旖到配套软件环境的大力支持。日本导航系统另一个特点就是定位于一种汽车产 品，产品从功能设计到外形制造都完全符合车厂对电器设备的安装使用要求。对 整车厂商雨言，它完全类似于一种普通的汽车配件，因而该产品被众多车厂选定 为标准配件安装，这也为导航产品的推广起到了很大的作用。 我国在g p s 车辆自导航系统方面的研究开始于2 0 世纪9 0 年代中后期，但一 直没有成熟的车辆自导航产品。可喜的是，近年来，随着越来越多的国内厂商进 第一章绪论 入到车辆导航产品的研究领域，我国的g p s 导航产品发展速度较快；目前，己有 近百家的国内专业生产商推出了汽车用g p s 产品。北京、上海、广州等城市已经 开始了g p s 车辆自导航产品的试验和推广：特别是北京，其市内的部分出租车已 经配置了基于p d a 的导航系统，但这种类型的产品由于功能比较单一，定位精度 较差而只能起到一定的过渡作用。然而，随着技术的发展和越来越多厂商的介入， 我们有理由相信：不久的将来，我国的车辆自导航产品必将进入广大人民的生活， 给人们的出行真正带来便利。 1 4 所做工作和论文的内容安排 本人在课题的研究过程中主要完成了以下工作： 1 、通过r s - - 2 3 2 串口通信，完成了定位数据从g p s 接收机到计算机的实时 传输。 2 、完成了对定位数据的实时处理和数据库存储。 3 、实现了车载导航电子地图的基本功能；包括车辆位置的地图定位与显示， 电子地图的放大、缩小，地图的分层显示与物标查询等。 4 、对组合导航系统以及我国的双星定位系统作了初步探讨和研究。 本论文一共七章，各章的主要内容如下： 第一章对车辆自导航系统作了简要介绍，对课题的研究背景、意义以及车 辆自导航的发展现状作了论述。 第二章对g p s 全球定位技术和g i s 作了较详细的介绍，同时对论文研究过 程中所采用的面向对象的开发技术也作了介绍。 第三章详细介绍了g p s 定位数据接收部分的设计和实现方法。 第四章详细介绍了电子地图定位跟踪软件的设计与实现方法，对如何实现 与g p s 数据接收程序的有效整和作了详细论述。 第五章对目前常见的组合导航系统作了介绍和分析，介绍了我国的双星定 位系统，针对其在智能交通系统方面的应用提出了一种调度监控系统模型。对典 型的地图匹配算法进行了阐述。 最后对整个论文工作进行了总结。 4 g p s 车辆自导航系统关键技术研究 第二章车辆自导航研究理论基础 2 1 全球定位系统( g p s ) 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m g p s ) 是美国海军和空军从2 0 世纪6 0 年代开始筹划，从7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全 面建成的，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星 导航与定位系统。最初只以军事应用为开发目的，随着系统配置的日臻完善，其 发展方向和应用范围逐渐脱离了纯军用宗旨而成为一种全球性信息资源，从而有 效地支持了各种民用和商用服务。 g p s 系统包括三大部分：空间部分g p s 卫星星座：地面控制部分地 面监控系统：用户设备部分g p s 信号接收机。 2 1 1g p s 工作卫星及其星座 g p s 空间部分由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成。2 4 颗卫星均匀分 布在距离地面大约2 0 1 8 3 k m 的6 个轨道平面内，每条轨道与赤道面的交角为 5 5 。，各个轨道平面之间相距6 0 。( 即轨道的升交点赤经各相差6 0 。) ，每条轨 道上有4 颗卫星。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差9 0 。，一轨道平 面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前3 0 。位于地平线以上的卫星 颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4 颗，最多可以见到1 1 颗。在用 g p s 信号导航定位时，为了结算观测点的三维坐标，必须观测4 颗g p s 卫星，称 为定位星座。这4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。 对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间歇段”。但这 种时间间歇段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续 实时的导航定位测量。 在g p s 系统中，g p s 卫星的作用如下： 用l 波段的两个无线载波( l l ：1 5 7 5 4 2 m h z ，l 2 ：1 2 2 7 6 m h z ) 向广大用 户连续不断地发送导航定位信号。每个载波用导航信息d ( 0 和伪随机码( p r n ) 测 距信号进行双相调制。用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫c a 码( 又叫s 码) ， 精密测距码( 用于精密定位) 叫p 码。由导航电文可以知道该卫星当前的位置和 卫星的工作情况。 在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用s 波段( 1 0 c m 波段) 发 送到卫星的导航电文和其它有关信息，并通过g p s 信号电路适时地发送给广大用 第二章车辆自导航研究理论基础 户。 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差 或启用备用时钟等。 2 。1 2 地面监控系统 对于导航定位来说，g p s 卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的 星历描述卫星运动及其参数算得到的。每颗g p s 卫星所播发的星历，是由地 面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预 定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保 持各颗卫星处于同一时间标准电p s 时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星 的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再通过导航电文发给用户 设备。 g p s 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和5 个监测站。 2 1 3g p s 信号接收机 g p s 信号接收机的任务是：能够捕获到按定卫星高度截止角所选择的待测 卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和 处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出g p s 卫星 所发送的导航电文，实地的计算出观测点的三维位置，甚至三维速度和时间。 目前，各种类型的g p s 接收机体积越来越小，重量越来越轻，价格也越来越 低，其现在达到的性能已能较好的满足大多数普通g p s 定位管理系统的各方面的 要求。大多数厂家提供的产品都具有定位性能好，产品性能稳定，体积小、耗电 省、使用方便等优良性能。大多数厂家生产的g p so e m 板都可达到：自主单点 定位精度约2 5 m ( 无s a 时) ，实时差分定位精度3 5 m ：功耗小于i w ，工作环 境温度可达一3 0 + 8 0 。 2 1 4g p s 在汽车导航及交通管理方面的应用 自1 9 9 4 年g p s 进入民用以来，它在汽车导航定位上的应用获得迅猛发展。 日本在这方面的研究与应用更是走在了世界的前列，日本为提高汽车的定位精度， 采用修正式d g p s 技术，利用f m 频道进行误差修正，使定位精度提高十倍，即 可达到1 0 m 精度的定位等级；同时，再辕以道路交通通信技术及自导式电子地图 光盘，其覆盖率已达8 0 的日本地区，装车使用率已近半数。其主要采用中央导 航方式，即使用地面监控中心进行导航等多方面服务，如在防盗、追捕罪犯和治 安巡逻都派上用场。目前，日本的汽车导航产品在欧洲和美国正在形成巨大的市 场【1 9 】。 6 g p s 车辆白导航系统关键技术研究 g p s 在汽车导航方面的应用的基本特点是： 1 、具有全天候、全球性的精确测定汽车的三维位置，即经度、纬度和高度的 能力，而基本上不受天气变化、地理环境和时间的影响。 2 、测量快捷，只需几秒钟就可准确定位。 3 、它的隐蔽性强，不产生无线电干扰，在测量定位时，只接收卫星信号而不 发射任何信号。 目前的g p s 车辆导航系统能够提供如下一些基本功能： l 、给汽车提供出行路线规划和进行导航：提供出行路线规划是汽车导航系统 的一项重要功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。驾驶者确定起点和目的 地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路 线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。人工线路设计是由驾驶者根据 自己的目的地设计起点、终点和途径点等，自动建立线路数据库。线路规划完毕 后，显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径和运行方 向。 2 、车辆跟踪：利用g p s 和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并任 意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上：还可 实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟 踪运输。 3 、对车辆实行调度指挥和紧急援助：调度指挥中心可以监测区域内车辆运行 状况，对被监控车辆进行合理调度，指挥中心也可随时与跟踪目标通话，实行管 理；通过g p s 定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援 助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标，规划最优援助方案，并以报警 声光提醒值班人员进行应急处理。 4 、在车上进行信息查询：通过建立电子地图数据库，用户能够在电子地图上 根据需要对主要物标如旅游景点、宾馆、医院等进行查询，查询资料可以文字、 语言及图象的形式显示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用 监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控 制中心的电子地图上显示出来。 2 , 1 5s a 政策的取消 2 0 0 0 年5 月1 日下午，美国政府发布政府文告，宣布自2 0 0 0 年5 月1 日午 夜开始取消s a 政策。s a 政策是选择可用性( s e l e c t i v ea v a i l a b i l i t y ) 的英文缩写， 其目的是降低非特许用户g p s 定位定时的精度，这一政策开始于1 9 9 0 年3 月2 5 日。由于这一政策的实施，民用定位的精度大幅度降低，在9 5 的时间内，水平 定位的精度为1 0 0 m ，高程定位的精度为1 4 0 m ，定时的精度为3 4 0 n s 。g p s 系统 第二章车辆自导航研究理论基础 的初始设计并不包含s a 政策。7 0 年代的初始试验阶段，发现c a 码实际定位的 精度远远超过系统设计的不好于i o o m 的精度；为此，美国国防部对标准定位服 务( s p s ) 采用了技术和占技术，故意降低卫星钟和轨道的精度，使非特许用户的 定位精度降至1 0 0 m 。s a 政策取消后，卫星钟和轨道的人为误差消除，标准定位 服务提供的定位精度回到3 0 m 左右的水平【3 j 。s a 政策的取消，大大提高了单机 定位的精度，测量导航不必采用差分的方式，一般的城市和乡村的车辆完全可以 采用单机模式进行导航。 s a 政策的取消必将进一步推动g p s 的应用，相信过不了多久，g p s 车辆导 航产品将真正走入我们的生活。 2 2 地理信息系统( g i s ) 2 2 1g i s 概述 g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 有时又称为“地学信息系统”或“资源 与环境信息系统”，是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学和城市科学 等相关学科为一体的综合技术。地理信息系统( g i s ) 是以地理空间数据库为基 础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、 模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息， 为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统 2 2 1 。地理信息系统的核 心是“地图学+ 计算机图形学+ 数据库”，与一般的m i s ( 管理信息系统) 的主 要区别在于，g i s 对空间地理数据具有较强的分析、处理、查询等功能。 进入2 l 世纪以来，地理信息系统无论是在理论上还是在应用上都处在一个飞 速发展的阶段，不仅应用于多个领域的建模和决策支持，如城市管理、规划、环 境整治等，更是成为信息时代必需的重要技术之一，并且已经渗入到政府决策、 行业办公、事务处理之中。特别是“数字地球”概念的提出，更进一步推动了g i s 的发展。g i s 已经广泛应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管 理、交通安全等领域。 2 2 2 地理信息系统( g i s ) 的空间数据 地理信息系统的核心是空间数据管理子系统，它由空间数据处理和空间数据 分析构成。空间数据的主要来源有专题地图( 等水位线、地形地质图等) 、遥感图 像数据、统计数据及实测数据等。g i s 的空间数据主要包括3 方面的内容，分别 为空间位置、拓扑关系和属性。因为自然界的任何实体都可抽象地表示为点、线、 面【2 】： 8 g p s 车辆自导航系统关键技术研究 点( p o i n t ) ：也称为像元( p i x e l ) ，是一个数据点，如地裂缝的位置。 线( l i n e ) ：是具有相同属性的点的轨迹，如断层，由一个坐标对序列表示， 坐标对的顺序与线的形状有关。线上每个点有不多于两个的邻点，并且它们具有 相同的属性，并至少存在一个属性。 面( a r e a ) ：是一个具有相同属性的所有点的轨迹。 g i s 中的数据分为栅格数据和矢量数据两大类，如何在计算机中有效的存储 和管理这两类数据是g i s 的基本问题。在计算机高速发展的今天，尽管微机的硬 盘容量己达到g b 级，但计算机的存储器对灵活高效地处理地图这类对象仍是不 够的。g i s 的数据存储有其独到之处：大多数的g i s 系统中采用了分层技术，即 根据地图的某些特征，把它分成若干层，整张地图是所有层叠加的结果，在与用 户的交互过程中只处理涉及到层，而不是整幅地图，因而能够对用户的要求作出 快速反应。 2 2 3 地理信息系统f g i s l 最新发展动态1 2 l 近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要的原动力来自日益广泛的应用领 域对地理信息系统不断提高的要求。另一方面，计算机科学的飞速发展为地理信 息系统提供了先进的工具和手段。当前地理信息系统研究中的热点主要集中在如 下几个领域。 1 g i s 中的面向对象( o b j e c to r i e n t e d ) 技术 面向对象方法为人们在计算机上直接描述物理世界提供了一条适合于人类思 维模式的方法，面向对象的技术在g i s 中的应用，即面向对象的g i s ，已成为g i s 的发展方向。这是因为空间信息较传统数据库处理的一维信息更为复杂、琐碎， 面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一条直观、结构清晰、组织有序的 方法，因而备受重视。 2 时空系统 传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其时间特性。在许多应 用领域中，如环境监测、地震救援、天气预报等，空间对象是随时间变化的，而 这种动态变化的规律在求解过程中起着十分重要的作用。近年来，对g i s 中时态 特性的研究变得十分活跃，这就是所谓的“时空系统”。 3 地理信息建模系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nm o d e l l i n gs y s t e m - - g i m s ) 通用g ! s 的空间分析功能对于大多数应用问题是远远不够的，因为这些领域 都有自己独特的专用模型，目前通用的g i s 大多通过提供进行二次开发的工具和 环境来解决这一问题。然而，二次开发工具的一个主要问题是它对于普通用户而 言过于困难，而g i s 成功应用于专门领域的关键在于支持建立该领域特有的空间 分析模型。g i s 应当支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境， 第二章车辆自导航研究理论基础 9 支持与用户交互式的基于o i s 的分析、建模和决策。这种g i s 系统又称为地理信 息建模系统( g i m s ) 。 4 三维g i s 三维g i s 是许多应用领域对g i s 的基本要求。目前的g i s 大多提供了一些较 为简单的三维显示和操作功能，但这与真三维表示和分析还有很大差距，真f 的 三维g i s 必须支持真三维的矢量和栅格数据模型以及以此为基础的三维空问数据 库，解决三维空间操作和分析问题。其主要的研究方向包括： 三维数据结构的研究，主要包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据 的可视化。 三维数据的生成和管理。 地理数据的三维显示，主要包括三维数据的操作、表面处理、栅格图像和 全息图像显示、层次处理等。 2 3 面向对象程序设计思想 本人在设计开发g p s 数据接收程序和电子地图定位跟踪软件的过程中，采用 了面向对象程序设计( o b e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g - - o o p ) 方法，所有的程序都 是以v i s u a lc + + 6 0 作为编程环境的。 面向对象( o b j e c to r i e n t e d ) 的开发方法，最初是从面向对象的程序设计语言开 始的，并很快被运用到系统分析和系统设计方法中。8 0 年代中期，也就是c + 卜 语言十分热门的时候，面向对象分析( o o a ) 的研究开始发展，进而延伸到面向对 象设计( o o d ) 。其实质是一种系统建摸的技术，但对象模型不仅受面向对象程序 设计语言的影响，而且受许多其他因素的影响。面向对象思想的实质并不是从功 能上，或是从处理问题的算法上来考虑，而是从系统的组成上来进行分解，利用 类及对象作为基本构成单元，以更接近人类思维的方式建立问题域模型，从而使 设计出的软件尽可能直接地描述现实世界，构造出模块化的、可重用的、维护性 好的软件，并能控制软件的复杂性和降低开发维护费用。 2 3 1 面向对象概述 客观世界中任何一个事物都可以看成一个对象。或者说，客观世界是由千千 万万个对象组成的，它们之间通过一定的渠道相互联系，如图2 1 示意。例如， 学校是一个对象，一个班级也是一个对象。在实际生活中，人们往往在一个对象 中进行活动，或者说对象是进行活动的基本单位。例如在一个班级中进行上课、 休息、开会、文娱活动等。作为对象，它至少有两个要素：一是从事活动的主体， 例如班级中的若干名学生；二是活动的内容，如上课、开会等。要使班级中的学 1 0 g p s 车辆自导航系统关键技术研究 生进行活动，或是事先安排好一个活动计划( 例如课程表) ，或是由外界临时通知 ( 如参加学校大会) 。 图2 1 对象间互联示意图图2 2 对象的构成 从计算机的角度看，一个对象应该包括两个要素：一是数据，相当于班级中 的学生：二是需要进行的操作，相当于学生进行的活动。对象就是一个包含数据 以及与这些数据有关的操作的集合。图2 2 表示一个对象是由数据和操作代码组 成的。 传统的面向过程程序设计是围绕功能进行的，用一个函数实现一个功能。所 有的数据都是共用的，一个函数可以使用任意一组数据，而一组数据又能被多个 函数所使用。程序设计者必须考虑每一个细节，什么时候对什么数据进行操作。 当程序规模较大、数据很多、操作种类繁多时，程序设计者往往感到难以应付。 面向对象程序设计采用新的思路。它面对的是一个个对象。所有的数据分别 属于不同的对象。实际上，每一组数据都是有特定的用途的，是某种操作的对象。 把相关的数据和操作放在起，形成一个整体，与外界相对分隔，正如同一个家 庭的人生活在一起，与外界相对独立一样。这是符合客观世界本来面目的。面向 对象程序设计方法韵一个重要特点就是“封装性”，把数据和操作代码封装在一个 对象中。程序设计者的任务包括两个方面：一是设计对象，即决定把哪些数据和 操作封装在一起；二是在此基础上怎样通知有关对象完成所需的任务。这时他如 同一个总调度，不断地向各个对象发出命令，让这些对象活动起来，完成自己范 围内的操作：各个对象的任务完成了，整体任务也就完成了。显然，对一个大型 任务来说，面向对象程序设计方法将是十分有效的，它能大大降低程序设计人员 的工作难度，减少出错机会。 2 3 2 面向对象的五个基本概念 面向对象设计主要基于如f 五个基本概念：对象及对象模型、类和实例、封 装、多态性、继承性。 ( 1 ) 对象及对象模型：对象指的是一个实体，可以是真实生活中的一部分( 实体 对象) 或概念化的抽象实体，其能够保存状态( 信息) 并提供一系列操作来读取或者 改变这个状态。对象之间存在着一定的关系，例如分解关系、聚合关系、相关关 第二章车辆自导航研究理论基础 系。利用这几种关系对现实世界建模就形成了对象模型。 ( 2 ) 类和实例：类是所有有共同行为特征和信息结构的对象集合。类代表一种 抽象，是代表对象本质的、主要的、可观察的行为。类也是一个定义，一个模板， 它能创造新的对象。一个实例就是由类产生的一个对象，类描述实例的结构( 行为 和信息) ，而实例的当前状态由在实例上执行的操作来定义。 ( 3 ) 封装：也叫信息隐藏，指的是把对象的外部特征与内在实施细节分开。使 得一个对象的外部特征对其它对象来说是可访问的，而它的内在实施细节对其它 对象来说是隐藏的。 ( 4 ) 多态性：指对每一个动作赋予一个名字，该名字在对象的层次结构中使用 同一个名字，而层次中每一个对象对该动作的实现是以适合自己的方式定义的， 这样便具有了重载的能力，给程序设计带来了更大的灵活性。 ( 5 ) 继承性：从现有对象类型出发建立一种新的对象类型，它继承原对象的特 点和功能。新的对象被称为派生对象，它可增加或重新定义新的数据和动作。属 性继承的能力可使程序员方便地对数据和属性进行概括，从而减少代码的冗余度。 g p s 乍辆白导航系统关键技术研究 第三章g p s 数据接收部分的设计与实现 3 1 g p s 接收机 作为g p s 用户主要部件的g p s 接收机，用来接收处理g p s 卫星送来的信号， 从中解算出用户位置等信息。接收机由接收机主机、接收机天线及电源组成，主 机的核心由低噪变频器、信道通道、微处理器和存储器等部分组成。 3 1 1g p s 接收机分类 g p s 接收机按用途可以分为导航型接收机( 又可分为车载型、航海型、航空 型、星载型) 、测地型接收机和授时型接收机；按接收机的载波频率可以分为单频 接收机和双频接收机；按接收机通道数可以分为多通道接收机、序贯通道接收机 和多路多用通道接收机；按接收机的工作原理可分为码相关型接收机、平方型接 收机、混合型接收机和干涉型接收机。 3 1 2 g p s 接收机选型 g p s 接收机选型决定着系统的价格和性能，总的来说，g p s 接收机的定位精 度越高越好：但是，在选择的过程中还要考虑系统成本等方面的因素。在研究过 程中，我们选择了性价比较高的g a r m i n g p s 2 5 ( l v s ) 接收机。g a r m i n g p s 2 5 是一种为多用途o e m 系统应用而开发的g p s 接收机，很容易嵌入二次开发的应 用系统中。它的远距离的接收能力使得它不但适于灵敏的陆地导航，而且也适用 于空中导航。g a r m i ng p s 2 5 使用了最新的表面贴和高度集成化技术，不但极大 地缩小了模块的体积、减小了系统的功耗而且提高了系统的性能。g p s 2 5 的原理 框图如图3 1 所示。 1e 7 54 2 删z 图3 1g p s 2 5 接收机原理框图 g a r m i ng p s 2 5o e m 板具有以下特点： 第三章g p s 数据接收部分的设计与实现 1 3 孙3i 薰三“ 孤；e x t e r n a l r e s e t i n p u t 。 4 g p s 车辆自导航系统关键技术研究 p i n 6 ：r e s e t - - 步 - 部复位输入；若该管脚悬空或电压值小于0 ，5 v 则不动作， 只有电j _ j ：；：大于25 v 才。复位。 p i n 7 ：v a u x 一可选外部备用电源连接端。 p i n 8 ：g n d 一电源、数据共用接地端。 p i n 9 ：n c 一保留。 p i n l 0 ：v c c 一单一5 v 供电。 p i n t l ：n c 一保留。 p i n l 2 ：n m e a - - n m e a 兼容输出，n m e a 0 1 8 32 0 格式的数据，1 2 0 0 、2 4 0 0 、 4 8 0 0 和9 6 0 0 波特率可调节。 3 2g p s 数据格式 g p s 2 5 板的软件接口协议采用荚国国家海洋电子协会( n a t i o n a lm a r i n e e l e c t r o n i c sa s s o c i a t i o n ) $ 1 j 定的n m e a 0 1 8 3a s c i i 码协议，该协议为n m e a0 1 8 3 2 0 版( 此协议是为了在不同g p s 导航设备中建立统一的r t c m 标准) 。 按n m e a0 1 8 3 标准格式输出的数据允许接口借助r s - - 2 3 2 通道连接到电子 导航设备，支持特殊信息的传递。在实际开发过程中，我们将g p s 2 5 的数据电 源插件连线式接头与计算机的9 针串口相连，采用的是三线制接法，具体对应关 系如图3 3 所示： g p s 2 $ 1 2 针 接头 ( t x d l ) 42 ( t x d ) ( r x d l ) 53 ( r ) ( d ) ( g n d ) 85 ( g n d ) 计算机 r s - 2 3 2 接口 图3 3g p s 2 5 接收机与计算机r s 2 3 2 串口连接图 我们采用的g p s 2 5l v s 接收机与计算机r s - - 2 3 2 串行接口的通信参数为： 默认数据传输率：4 8 0 0 b i f f s数据位：8 b i t 停止位：l b i t奇偶校验位：无 g p s 2 5 接收机可提供1 1 种不同的n m e a 0 1 8 3 格式的定位信息输出；常用的 几种输出信息如表3 1 所示： 表3 1 常用g p s 2 5 接收机输出信息 g p g g ag p s 定位数据p g r m t接收扳状态信息 g p r m c最简特性p g r m v3 d 定位信息 所有的n m e a 语句格式都是以a s c i i 码“$ ”开始，以“ ”( 回车 换行符) 结束，语句中的数据字段以逗号分隔；每条语句末端都有校验符( h h ) ， 第三章g p s 数据接收部分的设计与实现 该校验符是“$ ”后的所有字节的8 个比特“按位异或”生成的，用户可以通过校 验符验证得到的结果。 在g p s 数据接收过程中，最有用的定位语句是“g p r m c ”语句，其格式和 各字段的含义如下： $ g p r m c ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，+ h h ， 定位点的u t c 时间，格式为：h h r n n l s s ( h h ：小时，m m ：分钟，s s ：秒) 状态，a = 无效位置，v = n a v 接收器告警 纬度，格式为d d m m 删n m m ( d d ：度，m m m i n n - l n l ：分) 纬度半球，n ：北半球，s ：南半球 经度，格式为：d d m m 删珊m ( d d ：度，m i t l m m m m ：分) 经度半球，e ：东半球，w ：西半球 地面速度，o 0 9 9 9 9 海里d , 时 地面航向，0 0 0 。0 3 5 9 ，9 0 u t c 标准日期，格式为：d d m m y y ( d d ：天，i t l r n ：月份，y y ：年) 磁偏角，0 0 0 o 1 8 0 0 。 磁偏角方向，e ：东，w ：西 3 3g p s 数据采集程序设计与实现 g p s 数据采集程序大致可分为四个模块：串口通信模块、控制与数据处理模 块、数据库模块、显示模块。其中串口通信模块使用自行编写的串口通信类 ( c s c r i a l p o r t e x ) ；接收数据时使用隐式调用，串口通信类在串口数据到达时将数 据发送到程序主窗口：控制与数据处理模块每隔一段时间查看一次主窗口串口数 据接收缓冲区，并对符合要求的数据进行处理，然后存储到数据库中，同时请求 显示模块更新记录。图3 4 表示了各模块关系图，其中宽箭头表示数据流向。 g p s 审口 串口通信 模块 主窗口接l 一控制与数据 收缓冲区r 1 处理模块 显 一 不 模 l 燮同兰f 图3 4g p s 数据采集程序各模块关系图 3 3 1 串口通信模块的设计 与以往d o s 下串行通信程序不同的是，w i n d o w s 不提倡应用程序直接控制 硬件，而是通过w i n d o w s 操作系统提供的设备驱动程序来进行数据传输。串行口 6 g p s 车辆自导航系统关键技术研究 在w i n 3 2 中是作为文件来进行处理的，而不是直接对端口进行操作；对于串行通 信，w i n 3 2 提供了相应的文件i o 函数与嬗信函数，通过了解这些函数的作用， 可以编制出符合不同需要的通信程序。 1 w i n d o w s 通信结构概述 为了随时满足用户的信息传输要求，w i n d o w s 2 0 0 0 为用户提供了多层通信结 构，从根本上改变了w i n d o w s 3 1 通信驱动程序效率低下的缺陷。w i n d o w s 2 0 0 0 的通信结构如图3 5 所示。 幽3 5w i n d o w s 2 0 0 0 通信结构 w i n d o w s 2 0 0 0 提供给用户一个模块化的、3 2 位的、保护模式的通信子系统。 因此它具有更大的灵活性，以及更强大的功能。w i n d o w s 2 0 0 0 通信结构为通信程 序提供了大量的服务，操作系统负责控制m o d e m ，允许应用程序同时使用串口 设备，而不必关心硬件的设置等。通信操作可被具体分为三个领域：w i n 3 2 通信 a p i 和w i n 3 2 t e l e p h o n y a p i ( t a p i ) ，通用m o d e m 驱动程序及通信端口驱动程序。 2 w i n 3 2 通信a p i w i n 3 2 通信a p i 使得用户在使用m o d e m 和其它通信设备时可以不关心设备 的具体情况，即设备无关性。通信应用程序使用w i n 3 2 通信a _ p i 设置m o d e m 和传输数据，使用w i n 3 2 t a p i 控制连接，通过新的通用m o d e m 驱动程序 u n i m o d e m 为v c o m m 提供输入。 3 串口通信方式的选择 在w i n d o w s 2 0 0 0 底下，用v c 实现串口通信控制通常有三种方法：采用通信 a c t i v e x 控件、采用定时器查询以及采用多线程通信的方法。然而，在不同的环 境中，不仅编程过程大不一样，最终的串口通信效率也千差万别。下面，在简单 介绍这三种实现方式的基础上，根据我们具体的应用环境，选择采用定时器查询 的方式来实现串口通信类。 第三章g p s 数据接收部分的设计与实现 1 7 ( 1 ) 采用通信a c t i v e x 控件进行串口通信 a c t i v e x 组件是m i c r o s o f t 公司基于组件开发的重要组成部分，其目的是使软 件开发如同组件装配，并可反复使用。该组件由属性、事件及方法三部分组成， 其关系与c + + 类里的成员变量、消息和成员函数类似。 在a c t i v e x 组件中，关于串口通信的，有m i c r o s o f tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l 控件。通过对该控件的直接操作，使用者可以方便地通过串口收发数据。然而， 在实际的测试过程中我们却发现：( a ) 使用该控件所产生的信号质量很差，以一个 循环发送的0 1 方波为例，信号中常会出现长连0 或长连l 的现象，导致了串口传 输过程中大量误码的产生。( b ) 串口容易死锁，必须重新启动计算机。( c ) 代码开销 较大，程序执行效率不高。究其原因是：( a ) m i c r o s o f t 在开发这些组件时，实际 上封装了包括执行最底层的汇编操作，上层的c 语言，再上层的w i n 3 2 a p i 函数 操作等好几层。而每增加一