基于PC/104的GPS車輛定位系統設計

1 引言

為了緩解現代城市交通的壓力，近年來出現了將最新的gsm（全球移動通信系統）、gps（全球定位系統）、gis（地理信息系統）系統與計算機網絡技術相結合的its智能交通系統。通過此系統可以合理利用和充分發揮現有道路的交通潛力，有效解決交通擁擠的現象。借助于高科技手段，its系統可以對機動車輛實施管理、調度、救生、咨詢或進行防盜等多種功能，幅度提高交通管理質量。對集團用戶則可以提高車輛的營運效率，降低營運成本。

為了實現its智能交通系統，如何進行車輛定位是一個關鍵性的問題。gps車輛定位系統，是借助gps全球定位系統為機動車輛提供定位信息的系統。gps系統可以提供全球覆蓋、全天候、免費的高精度標準授時/導航定位服務，通過車載gps接收機可以實時地獲得車輛的經緯度位置和時間等關鍵信息。也正因為此，gps系統成為當前車輛定位的首選方案。車輛定位系統將gps系統獲得的經緯度信息進行地圖匹配，以確定車輛在城市交通道路中的具體位置。 本文將pc/104嵌入式計算機應用在gps車輛定位系統設計中，討論了系統的軟硬件設計。2 gps車輛定位系統工作原理 gps車輛定位系統的工作原理如圖1所示。

從圖1可以看出gps車輛定位系統與gps系統、定位業務，以及gis系統的應用密不可分。以下將對它們的研究現狀加以簡要介紹。

2.1 gps全球定位系統

gps原名“導航星”（navstar）系統，1993年12月8日由美國國防部建成并投入運營。該系統將24顆衛星分布在6個等間隔空間軌道上，其中有三顆備用星。這種分布可以保證全球任意地區、任何時刻都處于不少于4顆衛星的觀測之下。gps接收機通過天線接收衛量信號和導航電文，然后進行碼測量或相位測量，依據導航電文提供的衛星位置和鐘差改正信息，就可確定4個導航參數：緯度、經度、高度和時間，從而實現定位和導航。gps接收機僅接收數據，因此在同一地區可以有任意數目的用戶接 gps信號。

2.2 定位業務（lcs）

移動通信發展到今天，最能體現它勃勃生機的地方在于其豐富多彩的數據業務和增值業務。移動定位業務作為移動通信網的一種增值業務，在這一發展機遇下也悄然興起。據預測，到2004年，在各種移動通信業務用戶數排名中，定位業務用戶數將位居第二，成為僅次于語音業務的增值業務。美國聯邦通信委員會（fcc）早在1996年，就規定美國的移動通信公司必須在2001年前為每位擁有手機的用戶提供定位業務，使這些用戶能夠用手機撥打911緊急救援電話（相當于中國的110電話）。fcc還對所要提供的位置精度作了規定。由于定位業務的深遠影響，gsm的標準組織etsi也委托美國的t1p1為gsm制定phase 2+的定位業務標準，并已納入到etsi的標準當中，同時，amps、cdma、尋呼系統等移動通信系統都在積極開發定位業務，許多廠商已經開發出了許多定位設備，提供精度越來越高的定位業務。它的應用前景主要集中在以下幾點：緊急救援、車輛導航和智能交通系統（its）、工作調度和團隊管理、移動黃頁查詢、與距離有關的計費等。

2.3 gis地理信息系統

gis地理信息系統能以一個空間信息為主線，將其它各種與其有關的空間位置信息結合起來，是以計算機為手段，對具有地理特征的空間數據進行處理的軟件系統。gis的用途十分廣泛，可以為各類應用目的服務，例如交通、能源、農林、水利、測緩、地礦、環境、航空、國土資源綜合利用等等。在未來“數字地球”的建設中，gis將起到十分重要的作用。研究gis的理論與技術、開發gis軟件產品以及推進和深化gis各類應用已經成為國內外科技界和產業界的一大熱點。

gis的理論基礎主要有兩大支柱：地球科學和信息科學。前者涉及地物空間信息及其關系信息的獲取、分類模型及語音表示中的理論問題和實踐問題，后者則涉及信息的組織、存儲、處理、可視化表示及傳輸中的理論問題和實踐問題。gis的技術基礎包括遙感技術、定位技術和信息技術的各個方面。其發展趨勢之一是opengis（開放地理數據互操作）；發展趨勢之二是全關系化，其目標就是大大提高空間數據的建設、分析速度，大大簡化gis應用軟件的設計。gis發展的總趨勢是從以系統為中心向以數據為中心發展。并且，gis/gps技術的一體化一直是gis技術界努力的方向。

在車輛定位系統中，需要電子導航地圖來描述城市道路交通信息，而電子導航地圖即屬于gis地理信息系統的一種應用。

3 gps車輛定位系統軟硬件設計

3.1 硬件設計

車載設備的具體工作環境要求gps車輛定位系統的體積要盡可能小、可靠性要盡可能高。因此，系統硬件核心部分適宜選擇某種嵌入式計算機。隨著計算機技術的飛速發展，在產品中嵌入微機作為控制器已開始隨處可見。由于pc體系結構的廣泛流行，與pc兼容的軟件、硬件、外設和開發工具都比其它體系結構更豐富、更便宜，將pc體系結構用于嵌入式應用就意味著能夠大幅度地降低開發成本、減小風險及縮短開發周期，而且減少了許多令人頭疼的系統維護和技術支持。

pc/104計算機可以滿足以上要求，它體積小、集成度高，提供與pc總線在體系結構、硬件和軟件上的完全兼容，而且結構緊湊的棧接式模塊很適合嵌入式控制應用的獨特要求。由于使用cmos器件，pc/104模塊功耗低，不存在散熱問題，工作溫度范圍寬（0～70℃）；結構緊固，非常緊湊，所占面積只有90mm×96mm，超小的體積使安裝和攜帶都很方便；減少了產品部件的數量；由模塊構成的系統，直接疊裝，無需機箱和底板；并且具有良好的抗沖擊、抗震特性。已有的pc/104模塊為構造嵌入式系統提供了種類繁多的各種構件，它能高集成性和可模塊化的結構適用于多種應用。

現在市場上銷售的pc/104計算機型號一般都在486以上，具有兩個串行口和一個并行口。在gps車輛定位系統硬件設計中，可以將兩個rs232串行口分別用于gps接收機數據接收和rtcm104差分gps修正擴展。一個并行口可外接液晶顯示屏。通過配套的萬用鍵盤接口，可以將薄膜鍵盤擴展成用戶鍵盤直接連接在pc/104的標準鍵盤接口上使用。此外，pc/104還可以選擇各種容量的固態盤芯片和電子盤作為數據存儲硬盤使用。

系統硬件設計原理圖如圖2所示。

gps車輛定位系統在完成地圖匹配后，需將行車路徑顯示在液晶屏上。如果需要，還可顯示時間、精度、緯度及海拔等觀測量。此外用戶可以通過發送指令完成地圖縮放和信息查詢；記錄和維護歷史軌跡，支持軌跡重放（即能夠通過液晶顯示器顯示車輛在某一段時間行走的軌跡）；接受并處理報警信息等。通過通信網傳輸車輛的位置信息，還可以完成機動車輛實施管理、調度、救生、咨詢或進行防盜等多種功能。

3.2 軟件設計

gps車輛定位系統軟件編制工作主要集中在gps信號接收、電子導航地圖的開發與管理，以及地圖匹配和定位信息顯示等幾個方面。其中難點在于電子導航地圖的開發與管理，這屬于gis系統范疇，其開發形式主要有三種：

①自主設計電子導航地圖的數據結構和數據庫，利用visual c++、visual basic等編程語言開發gis系統軟件。這種開發形式要求必須具備雄厚的科研力量和巨額的開發費用。 ②引進國內外先進的gis系統軟件，利用其提供的二次開發工具，結合自己的應用目標開發。這種方法比較簡單易行，主要缺點是移值性差，并且受開發工具的限制，不能脫離原系統軟件環境而獨立運行。 ③利用支持對象技術的高級語言和gis廠商提供的控件構成面向最終用戶的可執行應用程序。利用這些控件開發的gis被稱為嵌入式的gis。這種方法是隨著20世紀90年供興起的控件技術的發展而開始流行的，它的特點是開發周期短、成本低、可以脫離大型商業gis軟件平臺獨立運行，為不熟悉gis技術的團和個人提供使用上的便利，是未來gis開發的重要方向。

例如：mapinfo是美國mapinfo corpration開發的桌面地理信息系統軟件，為用戶提供完整的地理信息解決方案。為了方便用戶應用開發，也為了mapinfo 的普及推廣，mapinfo推出了能讓用戶進行二次開發和使mapinfo智能化的mapbasic編程語言。使用mapbasic語言可以使用戶方便地開發專門的mapinfo應用系統。可以執行復雜而先進的數據庫查詢操作。此外，mapbasic程序易于諸如visual basic、c++、visual c++、power builder、delphi等語言編寫的應用軟件集成，能實現mapinfo與其他應用程序的連接。在mapbasic開發環境的支持下，可將mapinfo應用于各種不同的領域（如決策支持、多媒體數據庫應用、衛星定位應用系統等）。從而可用其開發出與gps相結合的車輛定位系統。

當今，比較前衛的桌面地理信息系統開發工具是mapinfo mapx，它是mapinfo公司新近推出的gis產品，它不同于mapinfo是professional runtimes和map basic，它是一個ocx控件。開發人員使用它可將桌面地理信息系統的功能嵌入一系列軟件應用中，從而滿足用戶的特定需求。它可在諸如ab、vc、power build或delphi這些可視化編程環境中調用。由于mapinfo maxp不再是一個專有程序語言，使用人員可在原有熟悉的編程環境下花費較少的時間和財力使用mapinfo maxp提供的先進地理信息系統功能。

4 結束語

在國內，針對gps車輛定位系統的研究方興未艾，在系統實際設計與應用中還有許多問題需要研究解決；

（1）針對gps車輛定位系統的性能指標，選擇一個合理的gps接收機； （2）各城市電子導航地圖的制作需要專業人員按統一格式嚴格制作，以便于統一管理和數據共享。因為現階段的地圖制作還處于不同公司或不同部門開發，誰開發誰管理的階段，數據庫格式不能兼容。因為道路交通信息量較大，故需研究一下可以滿足實際需求的gis系統。 （3）在城市中逐漸建立起完善的its智能交通系統，有利于實現車輛定位、管理和調度等多種功能。

以上這些都有賴于gsm（全球移動通信系統）、gps（全球定位系統）、gis（地理信息系統）系統與計算機網絡技術的共同發展和完善。本文將pc/104嵌入式計算機應用在gps車輛定位系統設計中，討論了該系統的軟硬件設計。