基于GPS的車載定位導航接收系統(tǒng)的設計

鄭鵬，董偉，饒生源

引言

車載定位導航系統(tǒng)，是利用現(xiàn)今普遍應用的全球定位系統(tǒng)(GPS)。車載定位導航系統(tǒng)配合地理信息系統(tǒng) GIS（Geographic Information System）、城市電子地圖（City Electronic Ma）及智能交通引導系統(tǒng)（Intelligent Transport RoutingSystem，簡稱ITRS ）使用。結(jié)合各種現(xiàn)在智能化信息技術，包括GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計算機、電子傳感器以及軟件開發(fā)技術等，實現(xiàn)車輛自主定位[1]。車載定位導航系統(tǒng)能夠為車輛等交通工具實時提供導航服務，引導交通工具沿著安全、準確的既定路線，準時、快捷地到達目的地。因此，車載導航系統(tǒng)的開發(fā)對于社會發(fā)展與進步具有重要意義。

1、車載定位導航系統(tǒng)硬件設計

1.1 車載定位導航系統(tǒng)

車載定位導航系統(tǒng)由GPS接收機、車載計算機、車載控制單元、彩色液晶觸摸屏四部分構(gòu)成[2]。

車載定位導航系統(tǒng)整體硬件組成如圖1所示。

其中，通過通訊傳輸轉(zhuǎn)換接口將GPS接收機與車載計算機相連接，其硬件結(jié)構(gòu)如圖 2所示。由 GPS接收機接收到GPS信號，再由通訊傳輸接口傳遞到車載計算機內(nèi)，車載計算機計算后將結(jié)果顯示在車載顯示單元。

1.2 接收機

GPS25LP接收機具有成本低、冷啟動時間短等優(yōu)點。因此，本設計選用該接收機進行研究。GPS25LP的定位精度為10m，滿足民用導航需求。GPS25LP接收機采用5V直流穩(wěn)壓電源供電，內(nèi)置保護裝置。同時具有 RS232、 TTL兩種電平，可自動輸出NMEA 0183語句，同時支持RTCM差分輸入，提供1PPS秒脈沖。

2、GPS接收機與PC機的連接設計

GPS25LP 內(nèi)置OEM擁有并行12個通道，具有多個I/O接口，能夠同時跟蹤12顆GPS導航衛(wèi)星。具有的2個兼容RS-232的雙向數(shù)字通道能同時傳輸標準的NMEA-0183數(shù)據(jù)[3]。根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部接口，GPS25LP OEM板與PC機間串行通訊的典型應用方案如圖3所示。

本設計中，只需從GPS接收機中接收GPS信號數(shù)據(jù)，而不需要發(fā)送數(shù)據(jù)。所以，僅使用單通道即可。本設計采用的GPS接收機與車載計算機之間串行通訊的接口電路如圖4所示。其中，GPS25LP OEM板需要穩(wěn)定的直流5V電源，標稱工作電流為220mA(MAX350mA)。

3、接收機與計算機間通訊的連接設計

3.1 車載定位導航系統(tǒng)功能及其實現(xiàn)途徑

車載定位導航系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)引導、模擬顯示、智能查詢、路徑計算、保存路徑等多個功能。其中，最重要也是最核心的為路徑計算功能。因此，本設計對路徑計算并尋出最優(yōu)路徑功能做具體研究設計。

現(xiàn)階段，車載導航系統(tǒng)設計中，通常采用地圖匹配技術與地理信息系統(tǒng)、多媒體技術有機結(jié)合，使得定位信息更加準確、逼真[4]。

本設計中，車載定位導航系統(tǒng)軟件部分主要分為三部分：

（1）GPS數(shù)據(jù)的接收和處理：GPS接收機采集定位所需的經(jīng)緯度信息、速度、時間等信息，并將獲取的信息通過串行接口傳送至車載計算機，車載定位導航系統(tǒng)分析采集的數(shù)據(jù)后即可準確獲得用戶實時位置。

（2）GPS和GIS(電子地圖)的數(shù)據(jù)通訊與集成：利用數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)GPS和GIS的數(shù)據(jù)通訊，并集成這兩個不同系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)，然后在電子地圖背景下，最后將導航定位信息實時顯示出來。

（3）GPS信號與電子地圖匹配：正常情況下，車輛在行駛過程中不會脫離道路。因此，利用原地圖庫內(nèi)存儲的道路數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS獲取的定位結(jié)果，按照一定算法將車輛定位結(jié)果強制性附合到道路上，實現(xiàn)GPS信號與電子地圖的匹配。

3.2 GPS接收機與車載計算機間的串行通訊

3.2.1 接收機的語言—NMEA接收輸出語句

本設計中，GPS25LP OEM板采用NMEA 0183通信標準格式[5]，可輸出多種句型。各句型均以字符“$”開頭的ASCII碼字符，其內(nèi)容包含了經(jīng)緯度、速度、日期、時間、航向、衛(wèi)星狀況等多種信息。

3.2.2 串行通訊

利用Visual C++的MSComm通訊控件，將GPS數(shù)據(jù)采集到車載計算機中。數(shù)據(jù)采集過程中，每隔一秒鐘接收一次衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車載定位導航系統(tǒng)中GPS數(shù)據(jù)的實時顯示。

程序設計中，對串行口的操作包括：

串行口的初始化：設置串行口的端口，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位，波特率設為4800bps；

接收一幀ASCII碼字符信息；

數(shù)據(jù)處理；

接收下一幀ASCII碼字符信息；

數(shù)據(jù)處理；

如此循環(huán)往復。

在數(shù)據(jù)處理過程中，針對需要的定位信息的要求，設計了如下的串行通訊思想：

由于接收到的定位數(shù)據(jù)，因此必須對接收到的數(shù)據(jù)進行過濾處理，篩選獲得有效信息。在本設計中，將語句起始標志為“$GPRMC”的語句作為有效語句。因此，判斷“$GPRMC”成為過濾的一個條件，將“$GPRMC”作為判斷依據(jù)。

獲得有效判斷依據(jù)后，定位語句起始標志為“$GPRMC”的定位語句中“$GPRMC”之后的59個字符為有效信息。因此，以“59”作為判斷定位語句完整的依據(jù)。

然而，在實際數(shù)據(jù)接收時可能會有兩種情況，一種是單幀以“$GPRMC”開頭的完整語句，另一種是上一幀的后半部分再加下一幀的前一部分共同組成一個完整的以“$GPRMC”開頭的定位語句。因此，這兩種請款必須區(qū)別對待。

基于以上通訊思想，數(shù)據(jù)通訊程序流程圖如圖5所示。

3.2.3 數(shù)據(jù)截取

當接收到一幀完整語句并且起始標志為“$GPRMC”的定位語句時，需要對該定位語句進行分段截取，截取出需要的經(jīng)緯度、速度以及時間等信息。通常，接收到的數(shù)據(jù)是以“，”的形式存儲，故直接查找“，”位置對數(shù)據(jù)進行按位分段截取即可。

4、結(jié)論

車載定位導航系統(tǒng)利用現(xiàn)今普遍應用的全球定位系統(tǒng)，配合地理信息系統(tǒng)、城市電子地圖及智能交通引導系統(tǒng)，對行進中的車輛實時定位與導航?，F(xiàn)階段，車載定位導航系統(tǒng)的重要特點之一就是將 GPS、GIS、多媒體計算機等技術有機結(jié)合。基于GPS定位的基本原理，結(jié)合車載導航系統(tǒng)的實際應用，本設計開發(fā)出一套硬件實施方案和軟件程序，成功地接收了GPS的定位數(shù)據(jù)，車載計算機得以成功接收采集到的數(shù)據(jù)資源并顯示出來。

[1] 鮑遠律,劉振安. 衛(wèi)星定位、交通監(jiān)控與數(shù)字地圖[M].北京:國防工業(yè)出版,2006.

[2]丁芳.國際車載導航應用的現(xiàn)狀與趨勢[N].中國測繪報,2011(01):11.

[3] 張文乾.基于 GPS/DR和 GSM 的車輛定位導航系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學2010.

[4] 耿大威.基于北斗/GPS雙模衛(wèi)星定位系統(tǒng)的車載終端設計[D].中國海洋大學,2013.

[5] 彭春華,蔣新華.基于 GPS的實時機車運行信息傳輸系統(tǒng)[J].交通運輸工程學報，2004(2): 111-114.