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摘 要：GPS由于其獨(dú)特的應(yīng)用性，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸深入人們的日常生活。由此，我們介紹了一種實(shí)現(xiàn)GPS應(yīng)用的具體方法，主要內(nèi)容包括硬件的基本原理，GPS模塊的介紹，GPS信息數(shù)據(jù)的接收處理，重點(diǎn)講解了GPS與地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System）坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換算法。該設(shè)計(jì)方法的正確性在手持信息終端設(shè)備上得到了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：GPS；手持信息終端；GIS坐標(biāo)變換
全球定位系統(tǒng)GPS是美國從上世紀(jì)70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。
GPS具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟(jì)各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。
下面我們將具體介紹基于手持信息終端實(shí)現(xiàn)GPS信息應(yīng)用的軟硬件原理。
1 GPS應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)原理
1．1 硬件原理1） 系統(tǒng)的組成
GPS應(yīng)用的系統(tǒng)組成分為兩大部分：手持信息終端模塊和GPS接收模塊。這兩個(gè)模塊之間可以利用串口機(jī)制進(jìn)行信息的交互，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
GPS接收模塊負(fù)責(zé)從GPS衛(wèi)星（空間部分）接收信息，并實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)通過UART串口發(fā)送給手持信息終端模塊，兩者之間的通信數(shù)據(jù)格式將在下面提到；在設(shè)計(jì)過程中，通過分析和比較，我們選用了臺灣RoyalTek公司的REB－2100串口GPS接收器。
手持信息終端模塊是以摩托羅拉公司的MC68EZ328處理器為主體，加上一些外圍設(shè)備構(gòu)成，如圖1中所示的FlashRom，SRam，LCD，觸摸屏，鍵盤等外設(shè)。該模塊負(fù)責(zé)接收從GPS發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對其進(jìn)行相應(yīng)處理，最后在LCD上顯示出不同的應(yīng)用界面。手持信息終端模塊還可以通過TXD端口給GPS發(fā)送命令字。我們之所以選用MC68EZ328是因?yàn)樵撎幚砥骺赏鈹U(kuò)的存儲量非常大，可以達(dá)到32 Mbyt，非常適合于信息終端產(chǎn)品。如果要把從GPS模塊接受到的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)絇C中，需在兩者之間加上一個(gè)串口轉(zhuǎn)換芯片。
2） REB模塊介紹
REB－2100接收模塊是臺灣RoyalTek公司生產(chǎn)的一款信息產(chǎn)品，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
REB－2100接收器具有很多鮮明的特點(diǎn)，例如采用Single Satellite定位技術(shù)，具有12路并行數(shù)據(jù)通道，還具有雙多路徑抑制技術(shù)，有效的抑制了干擾信號。
在信號捕捉及信號精度方面，REB－2100也具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。其信號重新捕捉時(shí)間只需要100ms，最小速度更新率可達(dá)到1 s，在沒有實(shí)施SA政策時(shí)的定位精度為25 m。
REB－2100接收模塊采用串行通信方式，其數(shù)據(jù)格式定義如下：9 600 b／s，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位。REB－2100支持六種NMEA－0183協(xié)議信息：GGA（Global positioningsystemfixed da－ta），GLL（Geographic position———latitude／longitude），GSA（GNSSDOPand active satellites），GSV（GNSSsatel－lites in view），RMC（Recommended minimumspecificGNSSdata），VTG（Course over ground and groundspeed）。這六種信息的區(qū)別在于用戶所能接收到的信息類型有所差別，例如在RMC格式中有速度的信息，而在其他的格式中卻沒有。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要選擇響應(yīng)的信息格式，在這里我們一般推薦RMC格式。
1．2 軟件實(shí)現(xiàn)
1） 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用的流程
數(shù)據(jù)接收及應(yīng)用的程序流程如圖3所示。
在界面初始化程序中，要設(shè)計(jì)好整個(gè)應(yīng)用平臺的界面。而在進(jìn)入應(yīng)用界面的設(shè)置程序之前，必須首先通過觸摸屏的定位；如果定位不正確，則要求用戶重新定位，直至定位成功。在我們的應(yīng)用界面上，設(shè)置了“位置”，“時(shí)間”，“地圖”，“報(bào)警”四個(gè)圖標(biāo)，用戶根據(jù)不同的需要進(jìn)入不同的界面。例如在“位置”界面中，用戶可以知道現(xiàn)在所處的經(jīng)度和緯度；而在“報(bào)警”界面中，用戶可以撥打緊急電話號碼。
在串口初始化程序中，我們主要設(shè)置串口的傳遞參數(shù)。根據(jù)GPS模塊數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，我們必須給串口設(shè)置如下的參數(shù)：9 600 b／s，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位。
GPS信息的讀取是通過串口中斷來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)模塊獲得工作電源后，GPS開始源源不斷的接收數(shù)據(jù)并向MC68EZ328串口傳輸數(shù)據(jù)。MC68EZ328在串口寄存器存滿后會產(chǎn)生串口中斷信號；在進(jìn)入中斷程序后，MC68EZ328除了接收數(shù)據(jù)外，還向上層發(fā)送任務(wù)信息，表示GPS現(xiàn)在正在接收信息。
整個(gè)手持信息終端的軟件平臺是建立在一種多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上的，所有應(yīng)用程序都通過任務(wù)調(diào)度機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。例如在該平臺上可以實(shí)現(xiàn)GPS、IrDA等任務(wù)的調(diào)度；當(dāng)上層接收到GPS發(fā)送的任務(wù)信息后，并會進(jìn)入GPS應(yīng)用程序。
在GPS應(yīng)用程序中，我們首先選擇GPS信息類型，在這里我們選擇RMC信息。但如果要實(shí)現(xiàn)GPS導(dǎo)航定位的功能，必須進(jìn)行GPS坐標(biāo)到GIS坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，有關(guān)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的具體算法將在下面論述。
2） GPS－GIS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法
現(xiàn)在GIS已經(jīng)形成了一個(gè)獨(dú)立的、具有鮮明特色的研究領(lǐng)域。GIS技術(shù)是構(gòu)建數(shù)字地球、數(shù)字中國、數(shù)字城市的核心技術(shù)。如果我們把從GPS模塊接收到的定位信息和GIS圖形系統(tǒng)統(tǒng)一起來，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航定位功能，這將對提高人們的生活具有積極的意義。
GPS定位數(shù)據(jù)是基于WGS－84地心坐標(biāo)系。
要使GPS定位信息正確的顯示在數(shù)字地圖上，必須將GPS定位結(jié)果即大地坐標(biāo)（L，B）轉(zhuǎn)換為本地高斯平面坐標(biāo)（x，y）。一般要通過兩步轉(zhuǎn)換，首先將WGS－84的大地坐標(biāo)（L，B）轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于WGS－84橢球的高斯坐標(biāo)平面（x84，y84），然后再經(jīng)過平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將高斯平面坐標(biāo)（x84，y84）強(qiáng)制符合到本地高斯平面坐標(biāo)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)GPS定位信息在數(shù)字地圖中的正確匹配。
下面將介紹從WGS－84大地坐標(biāo)（L，B）轉(zhuǎn)換為本地高斯平面坐標(biāo)（x，y）的兩個(gè)轉(zhuǎn)換過程。
高斯正算公式：GPS所接收到的WGS－84大地坐標(biāo)（L，B）轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標(biāo)（x84，y84），有關(guān)x，y的推導(dǎo)過程比較復(fù)雜，本論文只給出最后的推導(dǎo)結(jié)果：
X為赤道至緯度為B的平行圈的子午線弧長，計(jì)算公式為：
將被積函數(shù)按級數(shù)展開求其積分，并根據(jù)WGS－84橢球的有關(guān)參數(shù)可以求出X。
平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的目的就是將高斯平面坐標(biāo)（x84，y84）轉(zhuǎn)換為與數(shù)字地圖中的定位信息相匹配的當(dāng)?shù)貒易鴺?biāo)系或獨(dú)立坐標(biāo)系下的高斯平面坐標(biāo)。下面以（x84，y84）轉(zhuǎn)換為54坐標(biāo)系中的（x54,y54）為例，說明一種利用平均轉(zhuǎn)軸相似轉(zhuǎn)化法公式的實(shí)現(xiàn)過程。
首先根據(jù)公共點(diǎn)分別在WGS－84坐標(biāo)系和北京54坐標(biāo)系中的高斯平面坐標(biāo)，求出公共點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系中同一邊的方位角之差a和長度比例系數(shù)k，然后按照下面的公式計(jì)算任一點(diǎn)在北京54坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
式中：xi，yi———i點(diǎn)在北京54中坐標(biāo)；
k———同一邊在北京54與WGS－84中的邊長之比，當(dāng)有兩條以上公共邊，分別求出取平均值；
a———同一邊在北京54與WGS－84中的方位角之差，a＝a54－a84，當(dāng)有兩個(gè)以上公共點(diǎn)，分別求出取平均值。
3 總 結(jié)
以上我們主要介紹了手持信息終端系統(tǒng)的構(gòu)成，GPS模塊的特點(diǎn)，GPS信息數(shù)據(jù)的處理方法，以及GPS與GIS坐標(biāo)之間轉(zhuǎn)換的算法。由于實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)水平的限制，目前我們在很多方面還存在不足之處，主要體現(xiàn)在我們的整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)還處于演示階段，沒有把我們已經(jīng)掌握的GPS技術(shù)和GIS供應(yīng)商結(jié)合起來；另外我們只是利用GPS供應(yīng)商提供的模塊，還沒有形成自己的技術(shù)優(yōu)勢。鑒于此，我們在今后一段時(shí)間還需要做的工作是尋找合適的GIS 供應(yīng)商，盡快把GPS技術(shù)推廣到人們的生活和工作實(shí)踐中，為提高人民的生活水平作出貢獻(xiàn)。
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摘自《電子器件》
