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GPS定位系統(tǒng)機器功能的實現(xiàn)(一)
前言
隨著國家信息化程度的提高及計算機網絡和通信技術的飛速發(fā)展，電子政務、電子商務、數(shù)字城市、數(shù)字省區(qū)和數(shù)字地球的工程化和現(xiàn)實化，需要采集多種實時地理空間數(shù)據(jù)，因此，中國發(fā)展CORS系統(tǒng)的緊迫性和必要性越來越突出。幾年來，國內不同行業(yè)已經陸續(xù)建立了一些專業(yè)性的衛(wèi)星定位連續(xù)運行網絡，目前，為滿足國民經濟建設信息化的需要，一大批城市、省區(qū)和行業(yè)正在籌劃建立類似的連續(xù)運行網絡系統(tǒng)，一個新的建網高潮正在到來。
當前國內不同行業(yè)建設的網站系統(tǒng)基本上還是獨立運行的，很多單位的數(shù)據(jù)只在本單位甚至是本部門內共享和利用。目前國內市場上的連續(xù)運行參考站的建站方案動則百萬甚至上千萬的資金投入相對于這些小規(guī)模的應用對連續(xù)運行參考站的需求而言就顯得投入與產出太過于失衡，導致許多行業(yè)與單位只能對連續(xù)運行參考站系統(tǒng)望而怯步。
GPS即Global Position System—全球定位系統(tǒng)。上個世紀80年代初，我國一些院校和科研單位已開始研究GPS技術。80年代中期，我國引進GPS接收機，并應用于各個領域。我國GPS監(jiān)控系統(tǒng)應用走過了及其緩慢的發(fā)展道路。 1999年—2004年,GPS監(jiān)控系統(tǒng)市場出現(xiàn)了快速增長的勢頭，隨著我國GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)的快速發(fā)展與全國普及，作為系統(tǒng)瓶頸問題的通信網絡，通過采用GSM公眾網的短消息服務，找到了新的出路。而在國外，這方面的研究早已開始并取得了一定的成果。像歐美、日本等國，利用GPS技術的自主導航產品非常普及。世界上有超過100家的公司正在研制各種各樣的GPS用戶接收機。其中車輛應用所占的比重最大。
GPS技術的成熟與發(fā)展，為各類運動載體的精密實時定位提供了有力保障。如利用GPS對車輛或船舶進行導航和監(jiān)控[2]。同時，隨著信息技術的日益發(fā)展，PDA的體積越來越小巧，集成的功能越來越強大。PDA正朝著計算、通信、網絡、存儲、娛樂、電子商務等多功能的融合的趨勢發(fā)展[3]。目前結合GPS和PDA兩者的優(yōu)勢進行應用開發(fā)還很少，雖然有一些應用實例[4]，如在GIS領域，PDA和GPS應用于野外測量中，但它們應用的潛力還遠未被挖掘出來。本文有機結合GPS和PDA的優(yōu)勢，提出了一種通用靈活的電子導游系統(tǒng)的解決方案，討論系統(tǒng)設計的關鍵技術，包括：PDA端電子地圖的繪制、電子地圖的最佳路徑搜索和電子地圖匹配等。
二、系統(tǒng)設計
1、系統(tǒng)概述
先進性——在保證系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的前提下，采用當前世界上先進的GPS技術、通訊技術、軟件設計和開發(fā)技術，以保證系統(tǒng)的性能在較長的時間內不落后，并隨著技術的不斷發(fā)展得到相應的更新。
可靠性——系統(tǒng)設計就是為了更有效的提高在區(qū)域內作業(yè)的效率，更合理的應用和利用系統(tǒng)。系統(tǒng)設計以可靠性為前提，否則，不但不能起到應該起到的作用，有可能還帶來反面的影響。
可拓展性——系統(tǒng)在設計上考慮到產品的可擴展性，獨立的連續(xù)運行參考站只需要通過軟件升級就能接入多基站的連續(xù)運行參考站系統(tǒng)。系統(tǒng)可以進行整體升級，因此系統(tǒng)在升級時對終端用戶來說是透明的。
高性價比——為了極大的降低客戶的運行成本，在同樣的價格下，盡量讓客戶享受做好的服務和高性能的系統(tǒng)。
易用性——在設計系統(tǒng)時，盡量使用戶操作界面友好、簡單、易用，充分體現(xiàn)人性化。
（1）方案目標與內容
GPS定位系統(tǒng)是基于對GPS、PDA和GIS的一種集成運用，是利用PDA的強大功能處理GPS實時接收到的數(shù)據(jù)，再結合電子地圖以實現(xiàn)各種功能。在GPS定位系統(tǒng)中，PDA對各個位置的各種數(shù)據(jù)和信息進行組織和管理，并對道路網建立拓撲關系，以實現(xiàn)對全局的信息查詢和最佳路徑的選擇；利用GPS進行實時定位，并用相關算法對GPS接收到的數(shù)據(jù)與電子地圖進行匹配，達到精確定位的目的，最終實現(xiàn)用戶所需要的功能�！PS定位系統(tǒng)應能提供以下功能：地圖的設置、瀏覽、縮放；基于電子地圖的實時定位并顯示在電子地圖上；通過電子地圖查詢所有景點位置的詳細信息；用戶當前位置到其他位置的信息查詢；導向功能，及時指出戶的行進方向；準確的時間日期信息；最短路徑搜索，為用戶提供一個目標點到另一目標點的最佳路徑；關鍵詞查詢目標詳細信息及其在地圖上的位置。
（2）關鍵技術
要實現(xiàn)上述功能涉及到的關鍵技術有：
(1)如何利用GPS和PDA對景區(qū)進行坐標采集以及在此基礎上實現(xiàn)電子地圖的自動繪制。如果有基準接收機和用戶接收機，利用差分的原理就可以采集到很精確的坐標；因為本系統(tǒng)用的是單GPS接收機進行坐標采集，為保證其精確度，在誤差分析的基礎上引入了坐標精度因子和衛(wèi)星可見數(shù)加以控制的控制策略。
(2)怎樣得到景區(qū)里任意兩個景點之間的最佳路徑并在電子地圖上顯示出來。根據(jù)景區(qū)里景點的多少及分布的不同可以采用不同的算法。因為本系統(tǒng)是以個別城市和地區(qū)為開發(fā)實例，根據(jù)城市和地區(qū)的建筑規(guī)模和分布的特點，采用的算法是在經典的Dijkstra算法分析的基礎上，通過改變下一節(jié)點的判斷標準，對算法進行了優(yōu)化，提高了效率；
(3)對GPS接收機接收到的數(shù)據(jù)與PDA上的電子地圖如何進行匹配。地圖匹配算法是借助電子地圖庫中的高精度道路信息作為分類模板來進行模式識別，根據(jù)識別結果來矯正GPS接收數(shù)據(jù)的定位誤差。所提出的電子導游系統(tǒng)采用的具體匹配算法是利用歷史行走軌跡對電子地圖庫中的道路線段信息進行實時模式識別。
（3）系統(tǒng)組成 系統(tǒng)包括：PDA、GPS接收機、PC、GIS、操作系統(tǒng)、MapXMobile控件、電子地圖、ACCESS數(shù)據(jù)庫、MapInfoProfessional、EmbeddedVisualC++、EmbeddedVisualBasic等。
2、系統(tǒng)原理和結構
（1）系統(tǒng)原理
連續(xù)運行參考站系統(tǒng)是建立在GPS硬件的等技術平臺之上。它將尖端科技領域的衛(wèi)星定位技術和地理信息技術、通信技術和先進的軟件開發(fā)技術有機的結合在一起，新、透明、可視、實時、的測量服務。
GPS系統(tǒng)，采用了世界領先的GPS全球衛(wèi)星定位技術、GSM全球移動通訊技術、GIS地理信息處理技術、大容量數(shù)據(jù)采集技術和大容量數(shù)據(jù)存儲等計算機網絡通信與數(shù)據(jù)處理技術，同時盡可能多的采集并記錄大量的數(shù)據(jù)信息，自動生成圖形和數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計、比較、分析、列表，從而提高管理工作的效率。能夠實現(xiàn)對車、船等移動目標的精確定位、跟蹤及控制，具有定位精度高、穩(wěn)定性強、使用效果好的特點。
GPS系統(tǒng)由三部分組成，即：定位部分、通信部分和監(jiān)控部分。定位部分主要用來確定移動目標的位置, 通信部分作為用戶和監(jiān)控中心溝通的媒介, 而監(jiān)控部分則為用戶提供完善的服務。整個系統(tǒng)的結構如圖1所示。
圖1 GPS系統(tǒng)整體結構
系統(tǒng)的工作原理是：安裝在目標上的GPS接收機根據(jù)收到的衛(wèi)星信息計算出目標的當前位置，通信控制器從GPS接收機輸出的信號中提取所需要的位置、速度和時間信息，結合目標身份等信息形成數(shù)據(jù)包，然后通過無線信道發(fā)往監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的主站接收子站發(fā)送的數(shù)據(jù)，并從中提取出定位信息，根據(jù)各目標的特征等，在監(jiān)控中心的電子地圖上顯示出來。同時，控制中心的系統(tǒng)管理員可以查詢各目標的運行狀況，根據(jù)交通流量合理調度目標。
（2）系統(tǒng)運作的流程如下：
基準站連續(xù)不間斷的觀測GPS的衛(wèi)星信號獲取該地區(qū)和該時間段的“局域精密星歷”及其他改正參數(shù)，按照用戶要求把靜態(tài)數(shù)據(jù)打包存儲并把基準站的衛(wèi)星信息送往服務器上GPS軟件的指定位置。
用戶單元接收定位衛(wèi)星傳來的信號，并解算出地理位置坐標。
用戶單元的數(shù)據(jù)通訊模塊通過局域網從服務器的指定位置獲取基準站提供的差分信息后輸入用戶單元GPS的OEM板進行差分解算。
用戶單元在野外完成靜態(tài)測量后，可以從基準站軟件下載同步時間的靜態(tài)數(shù)據(jù)進行基線聯(lián)合解算
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