（微电子学与固体电子学专业论文）头盔式gps导航系统设计.pdf

ab s t r a c t t h i s t h e s i s i s a b o u t t h e d e s i g n o f g p s n a v i g a t io n s y s t e m o n h e l m e t m o u n t e d d i s p l a y .t h i s p o rt a b l e s y s t e m o ff e r s t h e f u n c t i o n o f r e a l t i m e p o s it i o n i n g o n e l e c t r o n i c m a p f o r m i l i t a ry a n d c iv i l u s e h a r d w a r e o f t h e s y s t e m i s d i v i d e d t o t h r e e p a rt h e l m e t m o u n t e d d i s p l a y s y s t e m , t h e c o r e o f w h i c h i s m i c r o - l c d p a n e l b a s e d o n l c o s t e c h n o l o g y , c a n o ff e r h i g h r e s o l u t i o n , w h i c h i s s u it a b l e f o r m a p i m a g e d i s p l a y g s u - 1 5 , a g p s d a t a - r e c e i v i n g m o d u l e , h a s 1 i m ix e d c h a n n e l s . i t o u t p u t s p o s it i o n in f o r m a t i o n e v e r y s e c o n d . d a t a p r o c e s s i n g p l a t f o r m i s t h e m a i n d e v i c e in t h i s p o rt a b l e n a v ig a t i o n s y s t e m . p o s it i o n i n g s o ft w a r e c a l l e d n a v ib o o t i s r u n n in g o n t h e e p l a t f o r m . t h e m a i n b o r d o f t h e p l a t f o r n i s n s g e o d e s e r i e s s b c , g e n e - 4 3 1 0 . t h r o u g h a d c - d c s w it c h m o d u l e , b a t t e ry p i l e s u p p l i e s t h e p o w e r t o t h e m a i n b o a r d a n d h e l m e t m o u n t e d d i s p l a y t h e p o s it io n i n g s o ft w a r e “ n a v i b o o t h a s t h e f u n c t i o n s u c h a s r e c e i v in g g p s d a t a ; r e s o lv i n g g p s d a t a ; m a k i n g o u t t h e l a t i t u d e , l o n g i t u d e , a lt it u d e a n d v e l o c i t y ; l o a d i n g n a v ig a t i o n m a p a n d l o c a t i n g c u r r e n t p o s i t io n c o o r d i n a t e o n t h e m a p t h e s o ft w a r e n a v ie d i t o r c a n b e u s e t o m a k e t h e s p e c i a l n a v i g a t i o n m a p f o r na v i bo o t a t t h e e n d o f t h i s t h e s i s , a t e s t i n g t o t h i s n a v ig a t i o n s y s t e m w a s i m p l e m e n t e d w i t h a c a m p u s p h o t o g r a g h b y a i r o f n a n k a i u n i v e r s it y k e y w o r d s : g p s h e l m e t d i s p l a y s b c n a v ig a t i o n 半投入式 是将经过校正放大的虚象投射到观察者眼前的半反半透的光学玻璃上， 这样显 示的图象就叠加在透过玻璃的外界环境图象之上，观察者可以同时得到显示的 信息和外部环境的信息。 光学系统的设计不仅关系到成像质量的好坏， 还影响到头盔显示的体积和 重量，以及观察者在长时间观看时是否疲劳，因此光学系统和其视觉感受是头 盔显示研究的重要部分。光学系统的设计还应考虑观察者的视力、瞳孔n距等 因素，设计成可调整结构。 头盔的定位传感系统是与光学系统同等重要的一部分。它包括头部的定位 和眼球的定位。眼球的定位主要应用在瞄准系统上，一般采用红外图象的识别 处理跟踪来获得眼球的运动信息。头部定位采用的方法比 较多，如超声波、磁、 红外、发光二极管等的定位系统，头部的定位提供位置和指向六个自由度的信 息。 1 .3 .3 头盔显示器的应用领域 头盔显示器在现代技术领域的应用相当的广泛，无论是要求在现实世界的 视场上同时看到需要的数据，还是要体验视觉图象变化时全身心投入的临场感， 一 3 c 显,2 : 拍出 致据袖出 图2 一5 g p s 接收机的基本结构 头盔式g p s 导航系统设计 2 . 1 .4 g p s 定位的原理和方法 利用导航电文中得到卫星的位置参数，时钟信息等，可以对卫星的位置进 行计算，进而计算出用户接收机的当前位置。 利用g p s 进行导航和定位的基本导航方程是 (见 一 x ) ， 十 ( y 一 勒 ， + ( z 一 z , ) z + c t = 尺 i =1 ，2 , 3 , 4式 2 式中 x , y , z 一 待求用户位置; x , , y , , z , 一卫星i 的位置坐标; c 一 光速; 接收机时钟误差; 用户到卫星i 的伪距 t尺 求解上面的方程，首先要知道卫星1 的位置坐标和接收机到卫星i 的伪距。 从导航电文所提供的参数，就可以计算出卫星在wg s -8 4 12 坐标系中的位置， 根据星历中的时间信息，同 样可以计算出 接收机到卫星i 的伪距。具体的计算 方法参见附录。 2 . 1 . 5 g p s 定位系统偏差和误差分析 2 . 3. 、g p s 测量中出 现的各种误差按其来源大致可分为三种类型: 与卫星有关的误差。主要包括卫星星历误差、卫星时钟误差、地球自 转的 影响和相对效应的影响等。 信号传播误差。因为g p s 卫星是在距地面2 0 0 0 0 k m的高空中运行，g p s 信 号向地面传播时要经过大气层，因此，信号传播误差主要是信号通过电离层 和对流层的影响。此外，还有信号传播的多路径效应的影响。 观测误差。这与仪器硬件和软件对卫星信号观测能达到的分辨率有关，一 般认为，观测误差为信号波长的1 %。观测误差还与天线的安置精度有关。 接收设备误差。这由接收机时钟误差和天线相位中心的位置偏差引起。 头盔式g p s导航系统设计 2 .2 .2 g s u - 1 5 g p s 接收板的运行操作和性能 g p s接收模块应和主设备一同工作。在g s u - 1 5 接收模块安装完毕并且同 主设备连接后，打开电源接通模块和主设备。 g s u - 1 5 数据输出格式的默认设置为二进制格式，且只有在本格式下具备自 推算导航算法。对于第一次开机运行本g p s 模块需要花费5 至1 5 分钟对接收到的 卫星数据进行累计运算后才能完成第一次定位冷启动，自 冷启动以后每次定位 所需要的时间小于6 0 秒，热启动在运行过程中定位信息大约每秒钟更新一次。 此g p s 接收模块出厂默认的测地系为wg s - 8 4 o g s u - 1 5 g p s 接收模块装配有锉离子后备电池以维持内存数据，后备电池主 要保持天线高度、门限值、测地系、平均因子、差分状态开关和差分时间等可 通过微机编程修改的参数。后备电池所保持的各种数据能确保g p s 接收模块能 在完成冷启动后的热启动中6 0 秒内完成定位。 一般情况下铿电 池每隔五年需要更换一次。当电池失效而且未提供直流电 源参数将返回默认值。可以连接一直流3 .5 - 4 .o v的扩充电源到板上的备份电源 接口以延长电 池使用寿命。 g s u - 1 5 g p s 接收板的性能指标 如表2 -3 所示: 表2 -3 g s u - 1 5 g p s 接收板的性能指标 定位精度位置 二维定位 当p d o p 3概率9 5 %1 0 0 m 有s / a躁声 l o o m 以下无s / a 躁声 速度小于1 m / s当p d o p -输出电流5 m a ( ma x ) 温度范围 - 4 0 c -8 5 c 工作电压直流5 v，纹波小于5 0 mv 消耗电流小于 i o o m a 2 .2 .3 g s u - 1 5 g p s 接收模块的输入和输出格式 一、 g s u - 1 5 g p s 接收模块的控制字和输入格式 为了 对g s u - 1 5 g p s 接收模块实现必要的初始化设定，以及配置其输出数 据格式g s u - 1 5 提供了二进制控制字输入功能。 其输入格式为: 著句兴 ( 8 世) 数雳内 -g ( 8 世) 语句屠 ( 8 a - z ) 表2 - 4 为g s u - 1 5 g p s 接收模块的控制字和输入格式 表2 -4 g s u - 1 5 控制字输入格式 控制参数语句 头 控制字内容 语句尾 初始化 o x ai 无 o x bi s / n门限值 o x a2 0 0 0 x x x x x . 0 - 2 5 o x b 2 仰角门限值 o x a3 o o x x x x x x . 0 4 5 o x b 3 头盔式g p s 导航系统设计 p d o p门限值 o x a4o o o x x x x x , 0 - 3 0 o x b4 h d o p门限值 o x a5o o o x x x x x , 0 . 3 0 o x b5 测地系 o x a6o x x x x x x x , 0 8 5 o x b6 平均因子 o x a7o o o o o o x x , 0 - 3 o x b7 n02 , no3 , no4 输出语句控制 o x a80 0 0 0 o x x x d o 0 ”关闭n 0 2 输出， i ”打开n 0 2 输出 d 1 0 ”关闭n 0 3 输出， 1 ”打开n 0 3 输出 d 2 0 ”关闭n 0 4 输出， i ”打开n 0 4 输出 一 角速度传感器推 测算法滤波器开 关 o x a90 0 0 0 o o o x 0 ”关闭滤波器， i ”打开滤波器 o x b 9 二、g s u - 1 5 g p s 接收模块的数据输出格式 1 、输出数据结构 g s u - 1 5 g p s 接收模块以二进制流的方式输出导航数据，输出数据结构如 图2 一7 所示 “厂|匕 尹|一 - 以|习 巴se|il 公- 下 iu u1_r u 款: 眨衫可 八 、 板州， ) .( 卜心 1厂 书 、 己冲 . ! 川l . 图 2 -7 g s u - 1 5 的输出数据结构 2 .输出数据描述 在输出语句全部打开的情况下， 语句n o i . n 0 2 , n 0 3 , n 0 4 带语句头和语 句尾每秒输出一次。 根据自 检结果输出下列语句: ( o x e l ) + ( o x e 1 ) + “ c he c k s t ar t x x x x ” +( c r ) + “ e nd + ( c r ) + ( l f ) + o x e o ) ( o x e o ) ( l f ) +( 头盔式g p s导航系统设计 ( o x e l ) + ( o x e 1 ) + e nd c h e c k s u e r r ? d oc x xx x x xx xx ” + ( c r ) + ( l f ) + ( o x e o ) +( c r ) + ( l f ) + ( o x e o ) 注:o x e l表示为字头，o x e o表示为字尾 c r 表示为回车( w d ) , l f表示为换行( w a ) 双引号内为a s c i i 码，双引号内的 x表示未确定的a s c i i 码，以实际输 出为准。 3 . n o l 语句的 输出 格式 在g s u - 1 5 的4 个输出 语句中， n o 1 语句输出的 数据最为重要，是主要的 导航数据输出语句，包含了导航所需的全部位置速度、时间、信息。因此捕获 并正 确解析n 0 1 语句是编写导航软件的重点 之一。 n o 语句的输出 格式如表2 -5 所示。 表2 -5 g s u - 1 5 的n o 语句输出格式 高位低位内容 11 0 0 0 0 0 0 1 语句头 ( 0 x 8 1 ) 2 3 4 5 o x x x x x x x o x x x x x x x o x x x x x x x o x x x x x x x 纬度( 2 8位) 单位1 1 1 0 0 0分 6 7 8 9 o x x x x x x x o x x x x x x x o x x x x x x x o x x x x x x x 经度( 2 8位) 单位1 / 1 0 0 0分 1 0 1 1 .o x x x x x x x o x x x x x x x 高度( 1 4位) 单位 m 取 2的补数为海拔以下 1 2 1 3 o x x x x x x x o x x x x x x x 速度( 1 4位) 单位0 . 1 k m / h 头盔式g p s 导航系统设计 o x x x x x x x o x x x x x x x o x x x x x x x 方位角( 1 4位) 单位0 . 1度 定位状态指示 d o 0 = 定位状态 d 1 0 = 二维定位 d 2 0 = 差分g p s 1415一16 ” = 未定位 1 = 3维定位 定位 d 3 0 = 允许差分g p s o= 角速度传感器o k 0= 己经推测位置 i = 差分g p s未定位 1 = 不使用差分g p s 1 = 角速度传感器n g 1 = 不能推测位置 4口f dd 接收到的卫星数0 - 1 1 ( 4 d o p值0 .09 9 .0 ( 1 0位) 位) 17一18 年 ( 2 位) 月 日 时 分 秒 x一xx一xxxxxx xsexx一xxxxxk x工八ux一xxxxxx 000-000呱-恤 19加 0 0 0 0 o o o x o o o x o o x x o o x x 1 0 0 1 11气，jj兮 ， 0 0 0 1 1 结束符 ( 0 x 9 1 ) 25一26 如上 表所示， n o 1 语句有 语句头 ( 0 x 8 1 ) 和结 束符( 0 x 9 1 ) 可以 作为 捕获的 标 记， 可以将n o l 语句得到后，在主机上通过软件处理， 解析出g p s 导航所需 的经度，纬度，海拔高度，速度，时间等信息。 2 .3 t t l电平到r s 2 3 2 电平转换 由于g s u - 1 5 g p s 接收板输出是t t l电平( + 5 v为逻辑 1 , 0 v为逻辑 0 ) , 而主机的串 行口 采用的是r s 2 3 2 电 平 ( - 3 一1 5 v为逻辑 1 ; , + 3 , + 1 5 v 为逻辑 0) ，为了 与主机的串 行接口 相匹配， 需要进行t t l 到r s 2 3 2 电 平的 转换。 头盔式g p s 导航系统设计 电平转换电路采用ma x i m公司的ma x 2 3 2 a芯片。m a x 2 3 2 系列芯片是 m a x i m公司的生产的、 包含两路接收和驱动器的i c 芯片， 适用于各种e i a - 2 3 2 c 和v 2 8 / v 2 4 的 通信接口 。 m a x 2 3 2 芯片内部有一个电 源电 压变换器， 可以 把5 v 电 压变换成r s - 2 3 2 输出电 平所需的正负l o v电 压。 采用此芯片接口的串 行通 信系统只需单一的十 5 v电 源就可以。 适于便携式系统应用， 其价格较低， 硬件 接口简单。 其典型应用电路图如图2 -8 所示。 d b 1 r s 刀2 _ 1 图2 -8 电平转换电路图 头盔式 g p s导航系统设计 第三章数据处理单元 3 . 1 导航软件的开发平台设计 随着 g p s系统的广泛应用，嵌入 g p s接收模块的导航系统越来越多，使 导航设备向着小型化， 集成化发展。多种小巧实用的导航设备被研制出来。如 手表大小的微型导航设备，仅仅能够显示经纬度坐标，但是不能实现地图导航 定位。大如车载g p s导航系统，能够装载精密的导航地图，实现实时图 形化方 位显示和导航， 但是它离不开车载电脑，无法作为便携式设备。 现在随着掌上 电 脑、 p d a等便携式设备的发展， 将g p s 接收模块嵌入其内，实现导航定位功 能，并且能装载较为简易的地图，这种便携式导航设备也得到了广泛的应用。 由 于其处理器和存储空间的限制， 这一类便携式设备不能装载较为精密、复杂 或多份导航地图。而且其显示设备分辨率较低，图形处理效果也不能完全满足 精密导航的要求。 本论文设计的头盔式 g p s导航系统既要具有便携式设备的优点，又要实现 精密导航，结合上述要求， 本论文的任务包括低功耗的便携式硬件方案设计和 基于此硬件平台上的导航软件设计两个部分。 本导航系统的主机部分，除了需要完成 g p s信号接收，解析和处理功能， 还要实现地图处理，导航定位和信息的显示，这就需要一个高性能的处理器， 同时，考虑到本系统的便携式特点，在功耗，体积等方面有较高的要求。在本 论 文 设 计的 系 统中， 采用n s ( n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r ) 公司 的g e o d e 系 列s b c 产品 g e n e - 4 3 1 0作为主机， 扩展相应的输入输出设备，组成完整的头盔式 g p s 导航系统。 s b c ( s in g le b o a r d c o m p u t e r ) ， 即 单 板 计 算 机， 在i 业 控制 领 域广 泛 应 用。 s b c是将一个完整的系统集成在一块印刷电路板上.以 r i s c( 精简指令集算 法) 或 c i s c( 复杂指令集算法)的 c p u为核心， 包括显示控制，电 源模块， 网络接口， 通信接口， f l a s h和d r a m存储器，以 及其他专用设备接口 组成。 g e n e - 4 3 1 0 以c y r ix m e d i a g x 2 3 3 低 功 耗c p u作 为中 央 处 理 器， 是一 种 专 a a a g p s迪i9 -t k r it 一一一一一一一 电池组和d c - d c变换模块设计 1 电池组的选取 :2 内j，j 头盔式 g p s导航系统是便携式设备，其电 源设计需要满足便携式特点。本 论文采用n i 一 电池组组成直流电源为系统供电。 由于g p s模块需要单 5 v 供电，主板需要5 v和 1 2 v两种电压，头盔显示器 需要1 2 v 供电， 从便携式特点考虑， 本论文采用电池组供电。 单节电池电压1 .2 v , 5 节n i - h电池组提供 6 v电 压，但由于电 池组的直流电压不稳定， 满充时电压 达到 6 .8 v ，接近耗尽时的电 压只有 5 .2左右，为了保证稳定的直流供电，设计 了d c - d c变换模块，实现直流变换和稳压，d c - d c变换模块输出 1 2 v , 0 . 5 a 和5 v , 2 . 5 a两种直流电 压为主机、g p s 接收模块和头盔显示器供电。 n i - h电池稳定放电电流大约为电 池容量中的电流值的 3 5 % 左右，因此选用 4 0 0 0 m a h电池，能够保证稳定工作电流在3 a以上。 3 .2 .2 d c - d c变换模块设计 d c - d c变换模块的设计分两个部分， 一是6 v到5 v , 2 . 5 a变换， 二是6 v到 1 2 v , 0 .5 a变换，图3 - 2 和图3 -3 分别是两路变换的原理图。 头盔式gp s导航系统设计 . + 6 vin p u t i r f p 9 5 3 0 胜g u l a t e d o u t p u t 卜-0 v o iit ， 二 5 v 3 0卜 0 . 1 u f， k 2 . 5 v + 矛产 l 39 3 图3 一2 d c - d c变换 6 v - 5 v 部分 r e g u l a t e do u t p u t + 6 v 口 洲 尸 u t v o u t 2 m i n 5 8 2 2 图3 一3 d c - d c变换6 v - 1 2 v 部分 图3 -2中，输入电压6 v ，经稳压管l m3 3 6的稳压输出2 .5 v ，该电压作为 参考电 压输入比 较器l m3 9 3 . 输出反馈电压v o u t l / 2 作为比较器的另一端输入。 功率管i r f p 9 5 3 0 是p沟mo s管，它的关断由比较器l m3 9 3 的输出电压控制。 9, a a g p s 熨 a f-m t一一一一一一一 当 输出电压v o u t l 大于5 v 时，输出 反馈v o u t l / 2 大于2 . 5 v , i r f p 9 5 3 0 截止， 反之， i r f p 9 5 3 0 导通。 这样，实现线性稳压控制， 保证输出电 压稳定在5 v . 图3 -3中，设计开关稳压电 源实现 6 v到 1 2 v的稳压变换。这里采用可调 开关式稳压芯片l m 2 5 7 7 实 现开关稳压控制。 开关稳压电 源的效率在9 0 %以 上， 能够满足便携式系统的低功耗要求特点， 采用l m 2 5 7 7 芯片将自 激振荡， p w m 发生等功能集成在一起，既降低了功耗，又减小了模块体积。 l m 2 5 7 7 内部自 带振荡电路， 由引脚1 外接r c电路提供时间常数实现6 7 k h z 振荡。 输出反馈从l m2 5 7 7 的引脚2 输入， 调节l m 2 5 7 7 内部的p wm( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 发生器的输出信号占 空比，来控制开关管的关断， 通过引脚 4调 控储能电感的充放电时间比例，实现输出稳压控制。 根据l m 2 5 7 7 提供的p wm控制参数，输出稳压的公式为: k ， : = 1 . 2 3 x ( 1 + r , / r 2 ) v 根据公式选择电阻r 1 和r 2的阻值为 1 7 .4 k tz 和2 k qo 第四章g p s 导航软件的开发 4 . 1 g i s 技术和电子地图 绝大多数单独的g p s接收机以经纬度和高度的方式表示位置，而仅仅知道 这三个数值对决定当前所处位置并不适用，还需要知道在地图上的准确位置。 本软件的目 的是实现实时图形化方位显示和导航，除了 获得g p s数据，还需要 地理信息数据的支持，也就是将g p s 技术与g i s 技术相结合。 g i s ( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ) ， 即 地理 信息 系 统， 是 一 种 将空间 位置 信息与属性数据结合在一起的系统。通俗地讲，它是整个地球或部分区域的资 源、 环境在计算机中的缩影。 严格地讲， 它是反映人们赖以生存的现实世界( 资 源或环境) 的现势与变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性， 在计 算机软件和硬件的支持下，以一定的格式输入、 存贮、检索、显示和综合分析 应用的技术系统，它是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、 贮存、管理、处理分析和描述整个或部分地球表面 ( 包括大气层在内)与空间 和地理分布有关的数据的空间信息系统。 它的诞生改变了 传统的数值处理信息 方式，使信息处理由数值领域步入空间领域。 地理信息系统 源自6 0 年代的 计算机辅助制图 ( c a d ) 技术， 它最初为 解决 地理问 题，作为支持空间定位信息数字化获取，管理和应用的技术体系。随着 计算机技术、空间技术和现代信息基础设施的飞速发展，使得地理信息系统逐 渐走出专业的高端领域，成为一门涉及测绘学科，环境科学、计算机技术等多 学科的交叉学科， 在全国经济信息化进程中的重要性与日 俱增。 特别是当今“ 数 字地球 “ 概念的 提出， 使得人们对 g i s的重要性有了更深地了 解。 进入 8 0年 代以来，地理信息系统在全球得到了空前迅速的发展，广泛应用于各个领域， 产生了巨 大的经济和社会效益。由 于新一代高性能的计算机的普及和迅速发展， g i s也逐步走向成熟。 g i s的软硬件投资大大降低而能力明显提高，己 进入多 学科领域，由功能单一、比较简单的分散系统发展成为多功能的用户共享的综 头盔式g p s导航系统设计 合性信息系统， 并向 智能化发展。 随着 g i s与卫星遥感技术的结合， g i s己 用 于全球变化的研究与监测。如全球沙漠化、厄尔尼诺现象等研究。 2 0 世纪9 0 年代， g i s已 成为确定性产业， 投入使用的g i s系统， 每2 - 3 年就翻一番。g i s已 渗透到各行各业， 愈来愈多的国际性会议、学术刊物以g i s 为主题，它己成为人们规划管理中不可缺少的应用工具。 g i s主要由4个部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、 地理空 间数据库和系统管理人员。 地理信息系统的基本功能 ( 1 ) 数据输入:1 、图形数据输入: 数字化仪输入和扫描仪输入。 2 、 栅格 数据输入:栅格数据包括各种遥感数据、航测数据、各种摄影图象数据、航空 雷达数据等。 3 、 属性数据:属性数据是用来描述对象特征的， 通常用关系数据 库管理系统进行管理。 ( 2 )数据校验:是指通过观测、统计分析和逻辑分析等对输入数据的质量 检查和纠正、空间拓扑结构的建立以及图形整饰等，为下一步的数据管理、空 间分析与查询、数据表达等服务。数据校验包括图形数据校验和属性数据校验。 图形数据的校验包括多边形拓扑关系的建立与校正、图形编辑、图形整饰、图 形拼接、投影变换等功能.属性数据的校验往往与数据管理结合在一起。 ( 3 )数据管理:涉及地理元素的位置、连接关系及属性数据如何构造和组 织，使其便于计算机处理和系统用户理解等。用于组织数据库的计算机程序即 为数据库管理系统。它包括数据格式的选择和转换、数据的联结、查询、提取 等。 空间数据库管理:是 g i s的核心，也是它最具特色的一部分，各种图形和 图 象信息都以 严密的 逻辑结构存贮于空间数据库中。根据 g i s的 应用类型与数 据类型的不同，空间数据库的数据结构，分为基于矢量的数据结构，基于栅格 的数据结构和矢量栅格混合的数据结构。 地图图库的管理:对于一个大区域往往不能用一幅图表示，需要分成很多 图幅，为有效地管理众多图幅的数据及实现跨图幅的查询与分析，就要有地图 图 库的管理，其功能有:图幅入库、图幅删除、图幅拼接、跨图幅条件检索、 图库的维护等。 一一剑 4 g p s遇r. * a 生一一一一 ( 4 )空间查询与分析:空间查询与分析是g i s 最重要的功能，也是g i s区 别于其他信息系统的本质特征，它使地图图形信息以及各种专业信息的利用深 度和广度大大增强，用户可以从中获取很多派生信息和新知识，可用来实现经 济建设、环境和资源调查中的综合评价、规划、决策、预测等任务。它包括比 例尺和投影的数字变换、数据处理和分析，还包括地理或空间模型的建立。 空间数据查询:g i s具有丰富的查询功能，既有属性查询功能，也有图形 查询功能，还可以实现图形与属性之间的交叉查询。 空间数据分析:它实际上就是对空间数据一系列的运算和查询。不同的应 用具有不同的运算和查询的内 容、方式和过程。也就是说，有不同的应用模型。 应用模型是在对具体对象与过程进行大量专业研究的基础上总结出来的客观规 律的抽象。将它们归结成一系列典型的运算与查询命令，从而可解决某一类专 业的空间分析任务。由于各种专业研究的对象、方法以及复杂程度有很大的差 异，因而工具型的 g i s只提供几种最通用最基本的分析模型，常见的有地形分 析、迭置分析、缓冲分析、网络分析、领域分析和重类分析等。而各专业的应 用模型有待于专业人员进行二次开发。 在实际应用中，以 g i s系统技术为基础建立起来的系统已经应用到各个领 域。各种 g i s系统的复杂程度相差很大，大到针对某个地区 ( 以至全球)的数 字地面模型资料所建立的庞大的系统，小到只是结合了 简单平面位置坐标的小 型管理系统。 从 g i s系统中空间坐标的表示方法来看， 有利用数字地面模型资 料建立起来的三维图形为基础的 g i s系统，也有使用二维平面示意图形的g i s 系统。 单纯的 g i s系统实用价值受到限制。在实际应用中， g i s系统往往与其他 系统结合在一起， 通常与遥感系统 ( r s ) ，全球定位系统 ( g p s )结合在一起， 也就是通常所说 的 “ 3 s ”系统。 应用 g i s技术实现导 航和定位，离不开电子地图。电子地图，也称数字地 图，是己 经数字化的地图，可以存在数字存储介质上。它需要通过专用的计算 机软件对这些数字进行显示、读取、检索、分析、修改、喷绘等等。在数字地 图上可以表示的内容和信息量远远大于普通的常规地图，显示的内容是动态可 调整的，能由使用者交互式操作指定。电子地图可以非常方便的将各种或一种 头盔式g p s 导 航系统设计 普通地图或专业 ( 专题) 地图的内 容进行任意形式的要素分层组合、拼接、增 加、删减等，形成新的实用地图。可以 对电 子地图 进行任意比 例尺、任意范围 的放大、 缩小、 裁切和绘图输出 等。电子地图绘制图时间较常规制图方法可以 大规模缩短。电子地图可以 十分方便的与卫星遥感影像、航空照片、其它电子 地图和其它信息数据库进行整合、拟合、挂接显示等，生成各种类别的新型地 图。电子地图大多数连着属性数据库， 或者连着多媒体信息， 能作查询、 计算、 统计和分析。电 子地图往往是栅格形式和矢量形式联合使用，用计算机图形技 术反映多维地图信息。 用于导航系统的电子地图，即为导航图。导航图连接着最基本的数据信息 是经纬度信息， g p s得到的经纬度信息，经过导航软件处理可以 在导航图上显 示其位置，完成图上导航。在本论文设计过程中，为导航系统专门开发的导航 软件，需要与之相配的导航地图，为了完成导航系统设计工作，本人自 行开发 了地图编辑软件n a v i e d i t o r ，用来制作导航地图，具体做法将在下面章节讲述。 本论文实现实时图形化的方位显示和导航，就是综合应用 g p s技术与g i s 技术，简单的说，就是利用g p s 得到的经纬度信息定标，利用g i s 技术在导航 图 上定位，从而实现图上定位和实时导航。导航软件运行在 g e n e - 4 3 1 0组成的 微处理系统上，在w i n d o w s 环境下开发， 采用了v c 一 语言编写。 4 .2 导航地图编辑软件的设计 4 .2 . 1 导航地图编辑软件的设计需求 实现定位首先需要导航地图，导航地图连接着经纬度信息，即地图上的每 个点既对应着实际的 地理位置，同时对应着经纬度和海拔高度值或范围。获得 g p s数据后， 经过导航软件处理， 将经纬度和海拔高度值在导 航地图上对应的 位置显示出来，从而获得实际的地理位置，完成图上导航。 精确导航地图是实现实时导航定位的关键。 在本论文的设计过程中，本人 头盔式g p s 导航系统设计 自 行开发了地图编辑软件 n a v i e d i t o r ，为本导航系统制作专用的导航地图，用 来实现导航定位。 本论文设计的地图编辑软件的基本功能是对地图图像进行编辑处理，附加 经纬度信息，将地图图像制作成附带地理坐标信息的导航地图，供导航软件使 用。 n a v i e d i t o : 面向的编辑对象是地图图像，它只是一般的图形文件，可以通过 扫描纸上地图获得。但该图像必须与实际景物有严格准确的比 例关系，这刁能 保证导航定位的准确性。各种旅游地图，交通地图等普通地图的扫描图像并不 能满足这个要求。 本论文采用了一幅南开大学航拍照片的扫描图像作为编辑对象。由于航拍 照片是实际景物的影像，能够满足实际景物间的准确的比 例关系，因而由此制 作的地图能够准确实现导航功能。 4 .2 .2 导航地图编辑软件的算法原理和设计过程 实现扫描地图图像到导航图的转变，就是将地图图像上的点与实际的地理 坐标对应起来，由于这里采用的扫描图像和实际景物有准确的线性比例关系， 因此，理论上只需要知道地图上某两个点的实际地理坐标，就可以 通过计算得 到图上所有点的实际地理坐标。 具体作法如下: 首先， 观察者携带 g p s接收机在地图上某点所对应的实际位置测得该点的 经纬度值，并将该点在地图上的位置标记出来。 依上述方法测得另外一点的经纬度值和标记 地图上的位置。 将两次测量得到的数据作为参数，计算出该地图上的起始点位置和图像上 相邻两点对应的经纬度差值，由此，在已知地图上某点的图上坐标，可以计算 得到该点对应的实际地理坐标。这样，地图图像上的所有点所对应的实际地理 坐标就得到了，该图即可作为导航地图使用。 这个过程实际上是导航过程的逆过程。其中关于 g p s数据的接收和经纬度 值的计算将在后面的章节具体讲述。 头盔式g p s导航系统设计 4 .3 g p s 导航软件的设计 利用地图编辑软件 n a v i e d i t o : 可以将扫描地图图像编辑成导航所需的导航 图，应用在导航软件中。下面介绍本导航系统中的由本人自行设计开发的导航 软件n a v i b o o t o g p s导航软件是为实现实时图上导航而设计，需要具备以下功能:首先， 从g p s接收模块实时获得 g p s 数据流;而后对数据进行解析，计算出经纬度， 海拔高度， 速度， 方位角，时间等信息: 导入导航地图;最后将g p s数据显示 在的导航图上，实现导航;同时还应具有记录历史路径，查看地图信息等功能。 本节将按照其功能要求分步讲解软件的设计过程。 4 .3 . 1 g p s 数据流的接收 本论文采用g s u - 1 5 作为接收模块，由图 2 - 7 可知， g s u - 1 5 以二进制流 的方式输出导航数据， 语句n o 1 , n 0 2 , n 0 3 , n 0 4 带语句头和语句尾每秒输 出一次。 t t l 电平的数据经电平转换电路，数据输入g e n e - 4 3 1 0 微处理系统的 串行口。 g p s 数据处理的起点从读取串口开始。本论文程序设计中采用底层接 口 函 数c r e a t e f i l e ( ) 和r e a d f i l e ( ) 对串口 进行初始化和读操作: h c o m m d e v = c r e a t e f i l e ( c o mi , g e n e r i c we r e a d i g e n e r i c _ wr i t e， 0 n u l l， o p e n e x i s t i n g , f i l e 一l a g - o v e r l a p p e d , n u l l ) r e a d s u c c = r e a d f i l e ( h c o m m d e v , 这 里 采 用 异 步 非 阻 塞 式 模 式 读 取， 使 用 参 数“ f i l e - f l a g - o v e r l a p p e d . 利用触发事件作为串口 读取完毕标志方式。 创建e v e n t 并设置等待时间为1 0 0 0 0 秒。 o v e r l a p p e d .h e v e n t = c r e a t e e v e n t ( n u l l ,t r u e ,f a l s e ,n u l l ) ; 头盔式g p s导航系统设计 e v e n t r e t u r n v a l u e = w a it f o r s i n g l e o b j e c t ( o v e r l a p p e d .h e v e n t , 1 0 0 0 0 ) ; 由于数据每秒更新一次，需要不停顿读取串口，为了 保证数据实时更新， 实时 处 理， 本程 序采 用多 线 程模式。 创建线 程 c o m m w a t c h p r o c o ， 将串口 读 取 程序放在这个线程内。 h c o m m w a t c h t h r e a d = c r e a t o t h r e a d ( n u l l ,o , c v i e w* p v i e w = p f r a m e - g e t a c t i v e v i e w ( ) ; p v i e w - p o s t me s s a g e ( wm _ r e a d _ c o m p l e t e d , 0 , 0 ) ; 在 主 程 序的 消 息 响 应函 数。 n r e a d c o m p le te d _ m e s s a g e ( ) 中 ， 对 接 收 到 的 串 口 数 据进 行处 理， 这需 要访问串口 读 取线 程 c o m m w a t c h p r o c o 中 的 缓 存 变量， 为了 解决两个线程同时访问 产生的竞争，在主程序和串口 读取线程中分别设置 临界区， 将变at放置在临界区内，禁止两个线程同时对其访问，杜绝了访问冲 突。 i n i t i a l i z e c r it i c a l s e c t i o n ( 一; r y 头盔式g p s导航系统设计 e n t e r c r i t i c a l s e c t i o n ( c o m m d a t a = o n t ) i n b u ff e r ; r e s e t e v e n t ( h e n a b l e c o m m e v e n t ) ; 一fi n a l l y l e a v e c r i t i c a l s e c t i o n ( d e l e t e c r i t i c a l s e c t i o 以 4 .3 .2 g p s 数据解析 串口 读取的g p s 数据流在主程序中 解析，计算出 经纬度， 海拔高度， 速度， 方位角，时间等信息.这里以n o l 输出语句为例，讲解解析过程。 第二章的表2 -5 所示为n o i 语句的输出格式， 0 x 8 1 和0 x 9 1 分别为语句头 尾。这里以纬度数据解析为例，计算公式为式4 -5 : 高位低位内容 11 0 0 0 0 0 0 1 语句头 ( 0 x 8 1 ) 2 d ( o ) 3 d ( 1 ) 4 d ( 2 ) 5 d ( 3 ) o x x x x x x x o x x x x x x x o x x x x x x x o x x x x x x x 纬度( 2 8位) 单位1 1 1 0 0 0分 l a t it u d e = ( ( d ( 0 ) x 1 2 8 + d ( l ) ) x 1 2 8 + d ( 2 ) ) x 1 2 8 + d ( 3 )式 4 一5 头盔式g p s导航系统设计 本程序采用滚动条控制实现图 像的自 动滚动: s e t s c r o ll p o 试 s b h o r z ,o ff s e t we x ) ; s e t s c r o ii p o s ( s b - v e r t , o ff s e t _ y ) ; o ff s e t - x 和o ff s e t y 分别是 水平 和垂直方向 的 滚 动量， 可以 根 据需 要设置。 根 据当 前 点 的 位 置 坐 标， 计 算得出o ff s e t - x和o ff s e 甘， 可以 设 置图 像的自 动 滚动位置。 位置坐标在两屏图像边缘变动时，会导致的图像频繁滚动，为了避免这种 现象，这里提出了 部分