GPS定位系统机器功能的实现(一)
前言
随着国家信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发展，电子政务、电子商务、数字城市、数字省区和数字地球的工程化和现实化，需要采集多种实时地理空间数据，因此，中国发展CORS系统的紧迫性和必要性越来越突出。几年来，国内不同行业已经陆续建立了一些专业性的卫星定位连续运行网络，目前，为满足国民经济建设信息化的需要，一大批城市、省区和行业正在筹划建立类似的连续运行网络系统，一个新的建网高潮正在到来。
当前国内不同行业建设的网站系统基本上还是独立运行的，很多单位的数据只在本单位甚至是本部门内共享和利用。目前国内市场上的连续运行参考站的建站方案动则百万甚至上千万的资金投入相对于这些小规模的应用对连续运行参考站的需求而言就显得投入与产出太过于失衡，导致许多行业与单位只能对连续运行参考站系统望而怯步。
GPS即Global Position System—全球定位系统。上个世纪80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。我国GPS监控系统应用走过了及其缓慢的发展道路。 1999年—2004年,GPS监控系统市场出现了快速增长的势头，随着我国GSM数字移动通信系统的快速发展与全国普及，作为系统瓶颈问题的通信网络，通过采用GSM公众网的短消息服务，找到了新的出路。而在国外，这方面的研究早已开始并取得了一定的成果。像欧美、日本等国，利用GPS技术的自主导航产品非常普及。世界上有超过100家的公司正在研制各种各样的GPS用户接收机。其中车辆应用所占的比重最大。
GPS技术的成熟与发展，为各类运动载体的精密实时定位提供了有力保障。如利用GPS对车辆或船舶进行导航和监控[2]。同时，随着信息技术的日益发展，PDA的体积越来越小巧，集成的功能越来越强大。PDA正朝着计算、通信、网络、存储、娱乐、电子商务等多功能的融合的趋势发展[3]。目前结合GPS和PDA两者的优势进行应用开发还很少，虽然有一些应用实例[4]，如在GIS领域，PDA和GPS应用于野外测量中，但它们应用的潜力还远未被挖掘出来。本文有机结合GPS和PDA的优势，提出了一种通用灵活的电子导游系统的解决方案，讨论系统设计的关键技术，包括：PDA端电子地图的绘制、电子地图的最佳路径搜索和电子地图匹配等。
二、系统设计
1、系统概述
先进性——在保证系统可靠性和稳定性的前提下，采用当前世界上先进的GPS技术、通讯技术、软件设计和开发技术，以保证系统的性能在较长的时间内不落后，并随着技术的不断发展得到相应的更新。
可靠性——系统设计就是为了更有效的提高在区域内作业的效率，更合理的应用和利用系统。系统设计以可靠性为前提，否则，不但不能起到应该起到的作用，有可能还带来反面的影响。
可拓展性——系统在设计上考虑到产品的可扩展性，独立的连续运行参考站只需要通过软件升级就能接入多基站的连续运行参考站系统。系统可以进行整体升级，因此系统在升级时对终端用户来说是透明的。
高性价比——为了极大的降低客户的运行成本，在同样的价格下，尽量让客户享受做好的服务和高性能的系统。
易用性——在设计系统时，尽量使用户操作界面友好、简单、易用，充分体现人性化。
（1）方案目标与内容
GPS定位系统是基于对GPS、PDA和GIS的一种集成运用，是利用PDA的强大功能处理GPS实时接收到的数据，再结合电子地图以实现各种功能。在GPS定位系统中，PDA对各个位置的各种数据和信息进行组织和管理，并对道路网建立拓扑关系，以实现对全局的信息查询和最佳路径的选择；利用GPS进行实时定位，并用相关算法对GPS接收到的数据与电子地图进行匹配，达到精确定位的目的，最终实现用户所需要的`功能。 GPS定位系统应能提供以下功能：地图的设置、浏览、缩放；基于电子地图的实时定位并显示在电子地图上；通过电子地图查询所有景点位置的详细信息；用户当前位置到其他位置的信息查询；导向功能，及时指出户的行进方向；准确的时间日期信息；最短路径搜索，为用户提供一个目标点到另一目标点的最佳路径；关键词查询目标详细信息及其在地图上的位置。
（2）关键技术
要实现上述功能涉及到的关键技术有：
(1)如何利用GPS和PDA对景区进行坐标采集以及在此基础上实现电子地图的自动绘制。如果有基准接收机和用户接收机，利用差分的原理就可以采集到很精确的坐标；因为本系统用的是单GPS接收机进行坐标采集，为保证其精确度，在误差分析的基础上引入了坐标精度因子和卫星可见数加以控制的控制策略。
(2)怎样得到景区里任意两个景点之间的最佳路径并在电子地图上显示出来。根据景区里景点的多少及分布的不同可以采用不同的算法。因为本系统是以个别城市和地区为开发实例，根据城市和地区的建筑规模和分布的特点，采用的算法是在经典的Dijkstra算法分析的基础上，通过改变下一节点的判断标准，对算法进行了优化，提高了效率；
(3)对GPS接收机接收到的数据与PDA上的电子地图如何进行匹配。地图匹配算法是借助电子地图库中的高精度道路信息作为分类模板来进行模式识别，根据识别结果来矫正GPS接收数据的定位误差。所提出的电子导游系统采用的具体匹配算法是利用历史行走轨迹对电子地图库中的道路线段信息进行实时模式识别。
（3）系统组成 系统包括：PDA、GPS接收机、PC、GIS、操作系统、MapXMobile控件、电子地图、ACCESS数据库、MapInfoProfessional、EmbeddedVisualC++、EmbeddedVisualBasic等。
2、系统原理和结构
（1）系统原理
连续运行参考站系统是建立在GPS硬件的等技术平台之上。它将尖端科技领域的卫星定位技术和地理信息技术、通信技术和先进的软件开发技术有机的结合在一起，新、透明、可视、实时、的测量服务。
GPS系统，采用了世界领先的GPS全球卫星定位技术、GSM全球移动通讯技术、GIS地理信息处理技术、大容量数据采集技术和大容量数据存储等计算机网络通信与数据处理技术，同时尽可能多的采集并记录大量的数据信息，自动生成图形和数据，进行统计、比较、分析、列表，从而提高管理工作的效率。能够实现对车、船等移动目标的精确定位、跟踪及控制，具有定位精度高、稳定性强、使用效果好的特点。
GPS系统由三部分组成，即：定位部分、通信部分和监控部分。定位部分主要用来确定移动目标的位置, 通信部分作为用户和监控中心沟通的媒介, 而监控部分则为用户提供完善的服务。整个系统的结构如图1所示。
图1 GPS系统整体结构
系统的工作原理是：安装在目标上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出目标的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合目标身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往监控中心。监控中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各目标的特征等