卜爱国 陈艳 刘昊
东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，南京210096
摘 要：GPS由于其独特的应用性，现在已经逐渐深入人们的日常生活。由此，我们介绍了一种实现GPS应用的具体方法，主要内容包括硬件的基本原理，GPS模块的介绍，GPS信息数据的接收处理，重点讲解了GPS与地理信息系统GIS（Geographic Information System）坐标之间的转换算法。该设计方法的正确性在手持信息终端设备上得到了验证。
关键词：GPS；手持信息终端；GIS坐标变换
全球定位系统GPS是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统。
GPS具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
下面我们将具体介绍基于手持信息终端实现GPS信息应用的软硬件原理。
1 GPS应用的实现原理
1．1 硬件原理1） 系统的组成
GPS应用的系统组成分为两大部分：手持信息终端模块和GPS接收模块。这两个模块之间可以利用串口机制进行信息的交互，其结构框图如图1所示。
GPS接收模块负责从GPS卫星（空间部分）接收信息，并实时的将数据通过UART串口发送给手持信息终端模块，两者之间的通信数据格式将在下面提到；在设计过程中，通过分析和比较，我们选用了台湾RoyalTek公司的REB－2100串口GPS接收器。
手持信息终端模块是以摩托罗拉公司的MC68EZ328处理器为主体，加上一些外围设备构成，如图1中所示的FlashRom，SRam，LCD，触摸屏，键盘等外设。该模块负责接收从GPS发送过来的数据，并根据需要对其进行相应处理，最后在LCD上显示出不同的应用界面。手持信息终端模块还可以通过TXD端口给GPS发送命令字。我们之所以选用MC68EZ328是因为该处理器可外扩的存储量非常大，可以达到32 Mbyt，非常适合于信息终端产品。如果要把从GPS模块接受到的数据直接传输到PC中，需在两者之间加上一个串口转换芯片。
2） REB模块介绍
REB－2100接收模块是台湾RoyalTek公司生产的一款信息产品，其系统结构如图2所示。
REB－2100接收器具有很多鲜明的特点，例如采用Single Satellite定位技术，具有12路并行数据通道，还具有双多路径抑制技术，有效的抑制了干扰信号。
在信号捕捉及信号精度方面，REB－2100也具有其独特的优势。其信号重新捕捉时间只需要100ms，最小速度更新率可达到1 s，在没有实施SA政策时的定位精度为25 m。
REB－2100接收模块采用串行通信方式，其数据格式定义如下：9 600 b／s，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验位。REB－2100支持六种NMEA－0183协议信息：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）。这六种信息的区别在于用户所能接收到的信息类型有所差别，例如在RMC格式中有速度的信息，而在其他的格式中却没有。设计者可以根据需要选择响应的信息格式，在这里我们一般推荐RMC格式。
1．2 软件实现
1） 实现数据应用的流程
数据接收及应用的程序流程如图3所示。
在界面初始化程序中，要设计好整个应用平台的界面。而在进入应用界面的设置程序之前，必须首先通过触摸屏的定位；如果定位不正确，则要求用户重新定位，直至定位成功。在我们的应用界面上，设置了“位置”，“时间”，“地图”，“报警”四个图标，用户根据不同的需要进入不同的界面。例如在“位置”界面中，用户可以知道现在所处的经度和纬度；而在“报警”界面中，用户可以拨打紧急电话号码。
在串口初始化程序中，我们主要设置串口的传递参数。根据GPS模块数据传输机制，我们必须给串口设置如下的参数：9 600 b／s，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验位。
GPS信息的读取是通过串口中断来实现的。当模块获得工作电源后，GPS开始源源不断的接收数据并向MC68EZ328串口传输数据。MC68EZ328在串口寄存器存满后会产生串口中断信号；在进入中断程序后，MC68EZ328除了接收数据外，还向上层发送任务信息，表示GPS现在正在接收信息。
整个手持信息终端的软件平台是建立在一种多任务实时操作系统上的，所有应用程序都通过任务调度机制来实现。例如在该平台上可以实现GPS、IrDA等任务的调度；当上层接收到GPS发送的任务信息后，并会进入GPS应用程序。
在GPS应用程序中，我们首先选择GPS信息类型，在这里我们选择RMC信息。但如果要实现GPS导航定位的功能，必须进行GPS坐标到GIS坐标的转换，有关坐标转换的具体算法将在下面论述。
2） GPS－GIS坐标转换算法
现在GIS已经形成了一个独立的、具有鲜明特色的研究领域。GIS技术是构建数字地球、数字中国、数字城市的核心技术。如果我们把从GPS模块接收到的定位信息和GIS图形系统统一起来，就能实现实时的导航定位功能，这将对提高人们的生活具有积极的意义。
GPS定位数据是基于WGS－84地心坐标系。
要使GPS定位信息正确的显示在数字地图上，必须将GPS定位结果即大地坐标（L，B）转换为本地高斯平面坐标（x，y）。一般要通过两步转换，首先将WGS－84的大地坐标（L，B）转换为对应于WGS－84椭球的高斯坐标平面（x84，y84），然后再经过平面坐标转换，将高斯平面坐标（x84，y84）强制符合到本地高斯平面坐标系统，以实现GPS定位信息在数字地图中的正确匹配。
下面将介绍从WGS－84大地坐标（L，B）转换为本地高斯平面坐标（x，y）的两个转换过程。
高斯正算公式：GPS所接收到的WGS－84大地坐标（L，B）转换为高斯平面坐标（x84，y84），有关x，y的推导过程比较复杂，本论文只给出最后的推导结果：
X为赤道至纬度为B的平行圈的子午线弧长，计算公式为：
将被积函数按级数展开求其积分，并根据WGS－84椭球的有关参数可以求出X。
平面坐标转换：平面坐标转换的目的就是将高斯平面坐标（x84，y84）转换为与数字地图中的定位信息相匹配的当地国家坐标系或独立坐标系下的高斯平面坐标。下面以（x84，y84）转换为54坐标系中的（x54,y54）为例，说明一种利用平均转轴相似转化法公式的实现过程。
首先根据公共点分别在WGS－84坐标系和北京54坐标系中的高斯平面坐标，求出公共点在两个坐标系中同一边的方位角之差a和长度比例系数k，然后按照下面的公式计算任一点在北京54坐标系中的坐标。
式中：xi，yi———i点在北京54中坐标；
k———同一边在北京54与WGS－84中的边长之比，当有两条以上公共边，分别求出取平均值；
a———同一边在北京54与WGS－84中的方位角之差，a＝a54－a84，当有两个以上公共点，分别求出取平均值。
3 总 结
以上我们主要介绍了手持信息终端系统的构成，GPS模块的特点，GPS信息数据的处理方法，以及GPS与GIS坐标之间转换的算法。由于实验条件和技术水平的限制，目前我们在很多方面还存在不足之处，主要体现在我们的整个应用系统还处于演示阶段，没有把我们已经掌握的GPS技术和GIS供应商结合起来；另外我们只是利用GPS供应商提供的模块，还没有形成自己的技术优势。鉴于此，我们在今后一段时间还需要做的工作是寻找合适的GIS 供应商，尽快把GPS技术推广到人们的生活和工作实践中，为提高人民的生活水平作出贡献。
参考文献
［1］ 李洪涛，2000，GPS应用程序设计［M］．科学出版社，NO．1．
［2］ 周其焕，朱淑莉．GLONASS的发展历程和应用展望．导航，1996，3．
［3］ 王广运．全球导航定位系统的进展［J］．科学进展，1987，6．
［4］ 王广运，刘烈昭．GPS在测地上的应用［J］．导航，1992，2．
［5］ 王广运，李洪涛．准载波相位差分GPS测量［J］．导航，1997，4．
摘自《电子器件》
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