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(tǒng)，主要有三大組成部分――空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設備部分。其中(GPS空間星座部分、地面監(jiān)控部分均為美國所控制；(GPS的用戶設備主要由接收機硬件和處理軟件組成。用戶通過用戶設備接收GPS衛(wèi)星信號，經信號處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終實現(xiàn)利用GPS進行導航和定位的目的。目前，許多GPS廠商遵循NMEAO183協(xié)議針對PDA掌上電腦開發(fā)許多導航型GPS。

GPS通過串口與PDA實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，利用(3PS傳來的數(shù)據(jù)，可以在PDA上得到物體的實時位置、速度等參數(shù)。通過與GIS系統(tǒng)的集成，可以在PDA上實現(xiàn)數(shù)字導航，很直觀地在地圖上了解所處的位置等信息。下面具體說明如何實現(xiàn)GPS與PDA的串口通信。

1 串行通信
每個Pocket PC都配有一個串行端口，以便PocketPC與外部串行設備之間進行通信。串行端口的本質功能是作為芯片和串行設備之間的編碼轉換器。當數(shù)據(jù)從芯片經過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數(shù)據(jù)被轉換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時，串行的位將被轉換為字節(jié)數(shù)據(jù)。Windows CE使用了通信驅動程序Comm．drv，以便使用標準的Windows API函數(shù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。驅動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COM6串口。先使用Comm6．PoxtOpen打開串口，設置Comm控件的屬性，Timer觸發(fā)OnComm接收GPS信號的事件，實現(xiàn)GPS信號的實時接收。GPS提供串行通信接口，串行通信參數(shù)為：波特率=57 600 bps，數(shù)據(jù)位=8位，開始位=1位，停止位=1位，無奇偶校驗。

2 GPS數(shù)據(jù)格式
NMEA0183協(xié)議是美國國家海洋電子協(xié)會(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句，每個語句實際上是一個ASCII碼串。這種碼直觀，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(shù)據(jù)，其余的信息忽略掉。

GPS與掌上電腦通信時，通過串口每秒鐘發(fā)送10條數(shù)據(jù)。實際導航應用讀取GPS的空間定位數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)需要每隔幾秒鐘更新一次經緯度和時問數(shù)據(jù)，不必頻繁地更新數(shù)據(jù)，否則，會浪費掌上設備有限的電能。如果和衛(wèi)星通信正常，可以接收到的數(shù)據(jù)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。

一個完整的NEMA0183語句是從起始符“$GPGGA”到終止符“CR>LF>”為止的一段字符串。需要掌握的信息是經緯度、經緯度方向、GPS定位狀態(tài)和接收信號的時間。所以當接收到這樣一個完整的NEMA0183語句時，提取有用信息的方法是：先判定起始符$GPGGA的位置，從起始符開始讀人數(shù)據(jù)，再通過異或校驗后的語句中尋找字符“，”，然后截取前后兩個“，”之間的字符(串)獲得所關心的數(shù)據(jù)，并以回車符為一個CPS語句的終止符，得到一個完整的GPS信號。在提取出的GPS語句中，找尋經緯度所在的逗號位置，讀出經緯度坐標，再將經緯度坐標進行度數(shù)的轉換。因為地圖的坐標是以度數(shù)為標準的。

3 GPS信號處理
根據(jù)串行通信的原理，結合GPS數(shù)據(jù)的格式，可以設計GPS信號處理模塊以提取與(3PS位置相關的信息。由于一般用戶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(shù)據(jù)處理模塊的設計方案如圖l所示。GPS接收機通過串口6將定位數(shù)據(jù)(NMEA 0183 Ver2．O)傳給Pocket PC，并將GPS數(shù)據(jù)在電子地圖上定位。在EVB中，借助Comm控件將定位數(shù)據(jù)讀進來，接著進行定位數(shù)據(jù)的分類，并提取出所需要的信息，同時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語句，通過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(shù)據(jù)處理功能通過進程外的ActiveX服務器封裝，將系統(tǒng)的實時性能通過操作系統(tǒng)的進程管理器來實現(xiàn)．從而繞過了EVB單線程的不足。

3.2 GPS信號接收和處理過程
GPS接收到位置信號后，系統(tǒng)將對GPS的定位信息進行分解并提取出有用數(shù)據(jù)。GPS信號接收和處理的過程：通過串口6將GPS輸出的數(shù)據(jù)傳遞給PDA，PDA主程序獲得目標當前的位置(經緯度坐標、海拔)，將接收機獲得的GPS數(shù)據(jù)進行分解，從中得到目標當前的位置和格林威治時間(該時間加上8小時即為我國標準時)，經過相應的坐標轉換，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信號的接收程序實現(xiàn)
系統(tǒng)采用Embedded Visual Basic中的Comm通信控件和Timer定時器。定時器設置為每隔2 s更新1次經緯度和時間數(shù)據(jù)。每個Comm控件提供一個通信端口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

開始實時接收。
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′記錄下一個回車換行符位置
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題。一般要通過兩步轉換：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)，然后再經過平面坐標轉換，將高斯平面坐標(X84、Y84)強制附合到本地高斯平面坐標系統(tǒng)。

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)。有關的推導過程較復雜，本文只給出結果：

式中，ι=(L―L。)／p，ιo為投影帶中央子午線經度，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的平行圈的子午線弧長，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?shù)貒易鴺讼祷颡毩⒆鴺讼迪碌母咚蛊矫孀鴺?。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，說明該方法的實現(xiàn)過程。

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

式中：xo，yo分別為公共點在北京54中重心坐標；x′，y′o，分別為公共點在WGS84中重心坐標；k為同一邊在北京54與WGS84中的邊長之比，當有兩條以上公共邊時，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，當有兩個以上公共點時，分別求出，取平均值。

4.3生成空間交換格式矢量數(shù)據(jù)
野外用GPS-PDA采集調查對象的幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是一個自定義的格式，經處理后，將定位數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)融合生成符合要求的空間矢量數(shù)據(jù)標準交換格式。這種標準格式的矢量數(shù)據(jù)文件由6部分組成：文件頭、要素類型參數(shù)、屬性數(shù)據(jù)結構、幾何圖形數(shù)據(jù)注記和屬性數(shù)據(jù)。

5 應用實例
選取聯(lián)想天璣XP208型PDA和NAVMAN GPS1010型CF卡式GPS接收設備，用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄GPS定位信息和屬性數(shù)據(jù)。

開機運行主程序，進入主界面，代碼設置和參數(shù)設置完成后，進入測量界面。首先，選擇測量模式，對于不規(guī)則地物一般采用“連續(xù)測量”模式，規(guī)則地物采用“間斷測量”模式。然后，點擊測量鍵，開始測量并記錄數(shù)據(jù)。默認觀測時間10 s，系統(tǒng)響鈴提示，按暫停鍵結束該點觀測數(shù)據(jù)的記錄。此時，在PDA屏幕上顯示出測得的第1點。同時在遷站過程中，GPS接收機繼續(xù)保持跟蹤衛(wèi)星，在下一個待測點上，按測量鍵繼續(xù)記錄，按暫停鍵結束該點觀測數(shù)據(jù)的記錄。依次測得余下的點并顯示。如果此時輸入屬性，則點擊輸入屬性鍵后．用“筆”在該圖斑中點任意一點，彈出對話框。選擇地物要素后，自動彈出圖斑的屬性錄入界面。實地測量結果如圖3所示。

結 語
通過本設計方法，可以將GPS定位導航信息從GPS接收機完整接收，經過坐標變換后存儲為空間矢量交換格式；處理后的空間數(shù)據(jù)可以為其他應用系統(tǒng)，如各種GIS、RS、ITS(Intelligent Transportatl011 System)等使用，實現(xiàn)在車載導航、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串口上實現(xiàn)的。在實際應用過程中，可以采用其他接口方式來實現(xiàn)GPS與PDA的互連，比如紅外接口、藍牙技術等。通過適當?shù)匦薷模梢苑奖愕貞玫狡渲小?/P>