GPS定位信息提取及应用
2012-08-14曾连荪
李 冰，曾连荪
（上海海事大学 信息工程学院，上海 201306）
GPS（Global Position System）即全球定位系统，是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 ，其主要目的是用来为陆、海、空3大领域提供实时、全天候及全球性导航服务，具有高精度和自动测量的特点。利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和精密定位。随着GPS的发展和完善其应用层面日益增大，嵌入式GPS的手持终端应运而生。而今，人们对生活智能化提出了更高的要求，使其在GIS领域上的应用得到了广泛关注[1]。例如智慧城市、旅游导航等。用户可以手持带有GPS的MID实时获取位置、时间信息，实现定位导航功能。基于GPS的特性，文中介绍了GPS定位信息的提取方法，包括与MID串口通信的实现过程，并对获取的数据信号通过相关的协议进行解析。最后探讨了嵌入式GPS在导游中的应用。GPS还将在更多领域上得到应用，为人们的生活提供更大的方便。服务人性化、生活智能化将逐步实现。
1 GPS信号解析协议
GPS信号通过串口以NMEA-0183标准格式输出，NMEA-0183通信协议，提供6种数据格式，分别是 GGA，GLL，GSA，GSV，RMC，VTG。 在此主要介绍 RMC 格式数据[2]。
$GPRMC是GPS推荐的最短数据，其帧结构为：
$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>
字段 0：$GPRMC，语句 ID，表明该语句为 Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推荐最小定位信息。GP为信息来源，RMC为句型识别符
字段 1：UTC 时间，hhmmss.sss格式
字段 2：状态，A=定位，V=未定位
字段3：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）
字段 4：纬度 N（北纬）或 S（南纬）
字段5：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）
字段 6：经度E（东经）或W（西经）
字段 7：速度，节，Knots
字段 8：方位角，度
字段9：UTC日期，DDMMYY格式
字段 10：磁偏角，（000-180）度（前导位数不足则补 0）
字段11：校验值
对接收到的数据进行解析后即可获得经纬度、速度、时间等信息，从而实现GPS定位信息的提取。
2 GPS软件流程图
目前MID主要使用Android操作系统，然而相比Android系统，WinCE操作系统的稳定性相对更高，技术更加成熟[3]。本文将介绍在WinCE6.0操作系统下GPS信号的提取与解析[4]。GPS软件流程图如图1所示。
图1 GPS软件流程图Fig.1 Flow chart of the GPS software
首先打开串口进行串口的初始化，配置串口的参数，根据硬件配置，默认设置串口为COM4口，比特率为9 600 bit/s，完成所有初始化工作后，启动监听线程，监听串口上所有的输入数据，当接收到数据后，对数据进行保存，若无数据，则继续监听。系统1 s定时触发事件，若数据存在，则对接收到的数据按照NMEA0183协议解析，从而显示在用户界面上。
3 GPS定位信息提取与解析
3.1 GPS读取MID串口数据流程图
首先创建串口的读线程，然后进行串口的监听，等待指定读事件的发生。如果有可读数据则读串口，对接收到的事件进行数据处理。数据读取流程图如图2所示。
图2 数据读取流程图Fig.2 Flow chart of the data reading
3.2 串行端口数据通信
1）打开串行端口
通过调用CreateFile函数打开串行端口
m_hComm =CreateFile （Port，GENERIC_READ |GENERIC_WRITE，0，0，OPEN_EXISTING，0，0）。 这个函数的返回值是已打开串行端口的句柄值。
2）串行端口通信配置
串口打开后，需对串口进行配置。用GetCommState函数获得当前打开的串口参数，然后根据需要修改DCB的成员变量，用SetCommState函数来设置新的串口参数。
3）设置状态参数
SetCommMask（m_hComm，EV_RXCHAR）；
4）设置超时参数
为防止程序陷入循环状态，需要设置超时值。
5）读写串口通信
fReadState=ReadFile（m_hComm，data，length，&dwLength，NULL）； //从串口读取数据
fWriteState=WriteFile（m_hComm，buf，dwCharToWrite*sizeof（char），&dwBytesWritten，NULL）； //向串口写入数据
6）通信结束关闭串口
函数CloseHandle（m_hComm）用来关闭串口。当串口获取 GPS接收机数据信号后，需要根据NMEA-0183通信协议解析GPS数据，获取移动目标当前的格林尼治时间和位置，而我国的标准时间需在格林尼治时间上加上8小时。
GPS使用的坐标系为WGS_84坐标系，而我国通常使用的是国家坐标系，如北京54国家坐标系，因此需要进行坐标转换。GPS在与MID通信过程中可通过串口每秒发送10条数据。实际应用中可根据需要解析所需定位数据[5]。
4 软件测试
首先，在开发平台上对程序进行编译成功后，然后同步到硬件平台上，并运行该软件，实现串口打开，使接收机处于工作状态，同时获取GPS数据，最终显示在数据信息框中[6]。
GPS数据信息采集程序运行如图3所示。
图3 GPS信号采集程序运行界面图Fig.3 Operation interface diagram of the GPS signal acquisition program
5 嵌入式GPS在GIS上的应用
5.1 GIS简介
GIS（Geographic Information System）地理信息系统是上世纪 60年代兴起的技术，经过 40余年的发展，GIS技术已趋成熟，现在已进入推广和普及应用阶段。GIS是一项以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。
随着嵌入式GPS的出现，GIS的应用领域也得到了新的扩展。例如车载导航定位系统的实现，其大大方便了出行者，改善了交通状况。而随着城市的快速发展，我国提出了智慧城市的方案。目前宣布准备或正在规划和计划建设智慧城市的有北京、上海、广州、南京、沈阳、武汉、合肥、昆明、无锡、昆山、富阳、双流等。而其中上海在智慧城市的建设中引领风骚。其涉及领域之广可及智慧安防，医疗，交通，校园，节能等。这将成为GIS发展的新领域。因此，嵌入式GPS在GIS上的应用具有很大的发展前景。
5.2 嵌入式GPS在导游中的应用
随着旅游业的蓬勃发展，传统的导游解说式旅游已经不能满足游客的需求。人们更希望自主游玩儿，而不是跟着导游走马观花，然而对于景区的陌生常常又会给游客带来困扰，不能随心所欲。此时GPS定位在GIS上的应用即可解决这一问题。以游乐园为例，游客即可进行自主游玩。
如图4所示[7]，游客手持带有GPS的手持终端进入游乐园，当游客进入一个区域时，这里假设游客进入城堡区，通过GPS定位，此时手持终端将自动弹出界面，告知游客处于城堡区，而在城堡区界面中将设有几个窗口，分别标有城堡区中各城堡的名称，如白雪公主城堡、灰姑娘城堡、美女与野兽城堡等。用户挑选自己感兴趣的城堡点击进入界面，此时便可查看相关城堡图片，阅读相关资讯等。游客便可根据喜好判断是否前去游玩儿。
6 结束语
文中对GPS定位信息的提取进行了介绍。随着GPS的发展，嵌入式GPS的手持终端得到了广泛应用。在我国，智慧城市的提出又将带来嵌入式GPS在GIS领域上新的应用，具有美好的发展前景。
图4 游乐园导游图Fig.4 Tourist map of the Amusement park
[1]贾国宪，刘新江.VC环境下基于GlS的GPS导航系统的开发[J].北京测绘，2003（2）:11-15.JIA Guo-xian，LIU Xin-jiang.The development of GPS navigation system based on GIS in the VC environment[J].Beijing Surveying and Mapping，2003（2）:11-15.
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[5]Christopher J，Hegarty，寇艳红.GPS原理与应用[M].2版.北京:电子工业出版社，2007.
[6]李洪涛，许国昌.GPS应用程序设计[M].北京:科学出版社，1999.
[7]吴秀琳，刘永革，王利军.Mapinfo 9.5标准教程[M].北京:清华大学出版社，2009.
[8]杭观荣，康小录.美国AEHF军事通信卫星推进系统及其在首发星上的应用[J].火箭推进，2011（06）:1-8.HANG Guan-rong，KANG Xiao-lu.Propulsion system of USA AEHF military communication satellite and its application on AEHF-1 satellite[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（06）:1-8.
