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东南大学学位论文 独创性声明及使用授权说明 一、 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导卜进行的研究工作及 取得的研究成果c 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：查兰望日期：型i 二、 关于掌位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书饴有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相致：除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部 或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：查兰塑 导师签名：霾龛宝竺幻日期 东南丈学顾上研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 摘要 基于地理位置的移动信息服务正在全球兴起，移动定位使一系列的无线应 用成为可能。特别是全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的引入， 使移动定位信息的获得简单可行，而移动数据库可以提供移动环境下的海量数 据服务，这二者的结合可为各行业所需的基于定位数据的信息服务提供全新的 解决方案。 本文在g p s 和移动数据库的基础上设计了一种通用的移动地理信息系统， 并重点讨论了g p s 在移动地理信息系统中的应用技术：利用软件方法判断g p s 是否工作正常，从g p s 输出中提取有效定位数据；针对移动设备计算糍力和存 储能力有限的特点，在跟踪g p s 轨迹过程中剔除异常数据和冗余数据；对地理 信息数据库进行专门设计，对电子地图进行区域划分，以优化g p s 定位数据在 数据库中的查询；利用数据库数据实现简单的地图匹配算法来补偿g p s 盲区等 等，使g p s 在移动地理服务系统中的应用获得比较好的效果。 关键字：g p s ；定位；移动设备；移动信息服务 东南大学硕：l ：t i j l c 究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的心用披术 a b s t r a c t t h em o b i l ei n f o r m a t i o ns e r v i c ew h i c hi sb a s e do nl o c a t i o ni sd e v e l o p i n gv e r y q u i c k l yi nw o r l d w i d ef i e l d ，m o b i l el o c a t i o nm a k ei tp o s s i b l ef o ra s e r i e so fw i r e l e s s a p p l i c a t i o nw i t h t h ei n t r o d u c t i o no f g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，t h ep o s i t i o n i n f o r m a t i o ni se a s i e rt oa c q u i r e ，a n dt h em o b i l ed a t a b a s ec a np r o v i d ei n f o r m a t i o n s e r v i c ei nm o b i l ee n v i r o n m e n t ，s ot h em i x t u r eo fg p sa n dm o b i l ed a t a b a s em a y p r o v i d em a n ya p p l i c a t i o n f i e l d sf o ran e ws o l u t i o no fm o b i l ei n f o r m a t i o ns e r v i c e t h i sp a p e rd e s i g n e dag e n e r a lm o b i l e p o s i t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m b a s e do n m o b i l ed a t a b a s ea n dg p sw h i c hw i l la p p l yi na l lk i n d so f f i e l d ，a n dd i s c u s st h eg p s a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y i nm o b i l ep o s i t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e mi nd e t a i l s ：s o f t w a r e m e t h o d si su s e dt o j u d g ew h e t h e rg p si so nw o r ka n dc a t c ht h eu s e f u lp o s i t i o nd a t a f r o mt h eo u t p u to f g p s ；c o n s i d e r i n gt h el i m i t a t i o no f t h ec o m p u t e r a b i l i t ya n d m e m o r ya b i l i t yo f m o b i l ed e v i c e ，t h ea b n o r m a ld a t aa n d r e d u n d a n td a t a8 r eg e tr i do f a n du s e f u ld a t aa r es a v e dd u r i n gt h ep r o c e s so ff o l l o w i n gg p st r a c k ；t h ep o s i t i o n i n f o r m a t i o nd a t a b a s ei ss p e c i f i cd e s i g n e da n dt h ee l e c t r o n i cm a p i st e s s e l l a t e dt o o p t i m i z et h eq u e r yp r o c e s so fg p sp o s i t i o n d a t ai nd a t a b a s e ；m a p - m a t c ha r i t h m e t i ci s s i m p l yr e a l i z e db y u s eo ft h e p o s i t i o ni n f o r m a t i o n d a t a b a s e ，e t c a l lo ft h e s em a k e t h eg p sh a v eag o o d a p p l i c a t i o n e f f e c ti nt h em o b i l e p o s i t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m ， k e y w o r d s ：g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ；p o s i t i o n ；m o b i l e d e v i c e ；m o b i l e i n f o r m a t i o ns e r v i c e ； 2 东南大学顶卜研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 1 1 研究背景 第一章引言 随着计算机技术的持续发展，用户除了需要计算机的强大数据处理功能， 要求提供更友好的界面和更智能化的操作，而在传统的信息服务里用户接触的 都是抽象的数据，特别对于过于专业的领域，不利于普通用户理解所操作的数 据。如果配以图形信息，会给用户比较直观的印象，特别是在与地理位簧有关 系的领域里，如交通管理，物流管理，旅游服务等领域里，可以在地图上直接 显示出用户想查看的点和相关信息。 随着近年互联网技术的深入发展，网络互联设备正无处不在地出现在我们 的生活里，越来越多的用户开始拥有各种便携式的计算设备，小一点的如掌上 电脑( h p c ) 、个人数字助理( p d a ) 、个人信息管理器( p i m 、p a l m ) ，大一些的如 笔记本电脑，都可以通过无线网络实现网络互联，使得人们能够走出传统的机 房和桌面的限制，在任何时间和任何地点获得所需信息。同时这些移动终端必 须通过网络来把本地数据送回中心节点进行集中处理。而在地理信息系统中移 动终端的地理位置是非常重要的一个数据，因为用户要求提供的信息服务经常 与它自己的地理位置相关的。这就需要移动终端也能够提供精确的地理位置信 息，这就是本文提供的解决方案一一基于移动终端的g p s 应用。 g p s 即全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国研制，具有在 海、陆、空进行全方位实时导航与定位的卫星导航与定位系统。它具有性能 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f 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。g p s 与移动终端的结合使 得用户可以实时获得当前的地理位置信息，不管用户是在静止还是运动的情况 下，都可以记录下用户的运动轨迹，这些数据也可全部记录到信息系统中a 用 户所要求的信息服务可以基于这些位置信息提供。 东南大学硕：【卅f 究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 在一些应用行业如车辆管理、地质勘测和军用领域，g p s 的应用已经得到 了广泛的认可，而现在我们通过将g p s 的强大定位功能与通用信息服务绑定， 可以在公安系统、物流管理、旅游服务等公共信息服务方面得到更好的应用。 1 2 移动设备与移动数据库 在传统计算环境里，各节点保持固定连接，而在移动计算里，移动设备可 以在自由移动的同时保持与固定节点和其他移动节点的连接，网络的带宽存在 着不对称性，下行带宽( 服务器到移动设备) 大于上行带宽( 移动设备到服务 器) 。移动设备甚至可以在不能发送信息的情况下接受服务器发给它的信息。 移动设备在网络里是间歇性入网，会频繁地断接。同时移动设备本身由电池供 电，供电时间相当有限。c p u 计算能力和存储能力也非常有限，需要运行的程 序有较高的效率要求。同时屏幕显示比较小，界面的友好性也需专门考虑。 移动数据库技术是指支持移动计算环境的分布式数据库技术，它工作在嵌 入式移动环境下，强调与软硬件资源的高效集成，内核小，可定制，便于移 植。支持双向数据同步，移动设备与服务器协作完成移动式分布事务的处理， 移动设备断线时可以离线使用本地数据。随着移动设备在各行业的广泛应用， 信息系统和信息服务不再只是在室内提供，更多的信息需求要求实时地在移动 设备上获得，为移动数据库的发展提供了良好的契机。 1 3 国内外研究现状 g p s 与移动设备的整合并提供地理信息服务，针对不同应用的侧重点，目前 国内外有以下几种解决方案： 1 g p s 手持机：包括g a r m i n 公司的产品s t r e e t p i l o tc o l o rg p s ，在g p s 手持 机上加载数据地图卡，所有的地图数据预存在数据卡内，也可通过外接口导 入指定格式数据。利用g p s 手持机的便携特性，将数据服务的范围扩展到 户外，且能很好地保证g p s 工作的稳定性和精度。但受数据卡的限制不能 提供灵活的数据服务，所有户外使用的数据必须预先保存在数据卡内。需要 东南大学硕士研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 改变g p s 手持机的应用领域时，数据卡内的数据要做全部的改变，原有的 有用地图数据也不能充分的利用。 2 车载o p s 导航系统。车载g p s 导航系统已经在道路交通等领域有了成熟而 广泛的应用，在车辆上安装g p s 接收机和车载计算机，大部分的数据处理 工作由车载计算机完成。车载计算机不同于简单的移动终端，具有的计算能 力和存储空间与个人电脑比较接近，能存储大量矢量地图数据，车辆与服务 器通过专网集群或g s m 网络通信。系统结构如图1 1 。车载系统的不足在 于g p s 无法离开汽车这个载体，汽车除了提供车载计算机外，还给系统提 供传感器作为硬件辅助设备，协助o p s 的导航工作，如果离开这些，g p s 在移动设备上的工作机制需要更多的考虑。 圉1 1 车载g p s 导航系统结构 3 手机g p s 芯片的定位。以q u a l c o m m 公司g p s o n e 技术为代表，它是利 用网络和g p s 解决方案的互补特性开发出一种独特的无线定位技术。在农 村和郊区，基站密度低但g p s 接收机的接收效果却相对较好，在密集的市 区和建筑物内部，g p s 接收机经常无法接收到足够的卫星信号来计算定位， 但却可以接入到多个基站的信号。安装了o p s 芯片的手机同时从g p s 卫星 和移动通信的基站网络收集测量数据并组合起来生成精确的三维定位。通过 组合这两个信息源的信息，g p s o n e 定位解决方案只需要少到一颗卫星和一 个基站的信号就可以完成定位。但手机的存储空间非常有限，无法满足更多 的扩展应用的数据需要。 考虑到移动数据库使用的移动设备的硬件条件不同于手机，具有定的计算 能力和存储空间，但远远不能和车载系统中的车载计算机相比，所以数据处理 和存储的过程需要特殊的考虑。同时移动设备作为通用工具，需要具有灵活的 应用范围和较高的移植性，为各种应用提供通用简洁的服务，在下面的章节罩 将专门探讨这些问题。 东南大学碗卜研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的成用技术 第二章g p s 系统介绍 g p s 是( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 即“全球定位系统”的简称。该系统原 是美国国防部为其星球大战计划投资历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年 建成的，是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新- + 4 卫 星导航与定位系统。它是一项工程浩繁、耗资巨大的工程，被称为继阿波罗飞 船登月、航天飞机之后的第三大空间工程。 在海湾战争中g p s 技术中充分显示了威力，为美军方在全球的舰船、飞机 导航并指挥陆军作战，为战争的胜利起到了至关重要的作用。在民用领域g p s 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信 赖，并成功地应用于大地测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运 动监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的 技术革命。除了科学研究的使用以外，近年来g p s 在商业领域也获得了越来越 广泛的应。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，美国1 9 9 4 年宣布在l o 年内向全世界免费提供g p s 全球定位系 统的使用权，使世界各国都在争相利用这一系统，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。 2 。1g p s 系统构成 g p s 系统包括三大部分：空间部分一g p s 卫星星座；地面控制部分一地顽 监控系统：用户设备部分一g p s 信号接收机。 1 ) g p s 系统卫星部分由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成，记作 ( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀分布在高度为2 万公里的6 个轨道平面内， 轨道倾角为5 5 度。各个轨道平面之间相距6 0 度。卫星运行周期为1 1 小时5 8 分。每颗卫星每天约有5 个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数 目随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4 颗，最多可见到l 1 颗。g p s 卫星在空问的上述配置，保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时 东南大学硕j j 研究生学位论文 g p s 舀：移动地理信息系统中的应用披j 术 观测到4 颗卫星，加之卫星信号的传播和接受不受天气的影响，因此g p s 是一 种全球性、全天候的连续实时定位系统。不过也应该指出，g p s 卫星的上述分 郝，在个别地区仍可能在某一短时间内只能观测到4 颗图形结构比较差的卫 星，因而无法达到必要的定位精度。 2 ) 地面监控系统。对于导航定位来说，g p s 卫星是一动态己知点。星的位 置是依据卫星发射的星历( 描述卫星运动及其轨道的参数) 算德的，每颞g p s 卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的，卫星上的各种设备是否j 下常工 作，以及卫星是否一直治着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。 地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时问标准，因此需要地面 站监测各颖卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星通过导 航电文发给用户设备。 g p s 工作卫星的地面监控系统包括个主控站、三个注入站和五个监测 站。监测站是主控站直接控制下的数据自动采集中心，负责追踪所有卫星的运 行位置、时间、，一气象及电离层资料，将每1 5 秒观测到的数据作为一组，平滑后 从送往主控站。主控站设在美国科罗拉多，由检测站送来的观测资料推算编制 各卫星的星历、钟差和大气层修正数据，并提供所有卫星的时间基准，送入注 入站。注入站将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文注入到相应卫 星的存储系统，并检测注入卫星的正确性。 3 ) g p s 信号接收机是一种被动式全天候系统，只收不发信号，故不受卫星 系统和地面控制系统的控制。用户数量也不受限制。它的任务是：捕获按一定 卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪这些卫星的运行，对所接收到 的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线 的传播时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的位置， 甚至三维速度和时阍。 静态定位中，g p s 接收机在捕获和跟踪g p s 卫星的过程中固定不变，接收 机高精度地测量g p s 信号的传播时闻，利用g p s 卫星在轨的己知位置，解算出 接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用g p s 接收机测定一个运动 物体的运行轨迹。g p s 信号接收机所位于的运动物体叫做载体( 如航行中的船 舰空中的飞机，行走的车辆等) 。载体上的g p s 接收机天线在跟踪g p s 卫星 东南人学硕士研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 的过程中相对地球而运动，接收机用g p s 信号实时地测得运动载体的状态参数 ( 瞬间三维位置和三维速度) 。 g p s 接收机按类型分有导航型、测地型和授时型三类。导航型接收机主要 用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机价格便 宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：车载 型、航海型、航空型、星载型，不同的类型载体速度不一样，对接收机的要求 也不一样。测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。定位精度 高。仪器结构复杂，价格较贵。授时型接收机主要利用g p s 卫星提供的高精 度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。 2 2g p s 定位原理 g p s 的定位是利用基本三角定位原理，g p s 接收装置以测量无线电信号的 传输时间来测量距离，以距离来判定卫星在太空中的位置，这是一种高轨道与 精密定位的观测方式。 假设卫星一在距我们1 1 0 0 0 公里的太空，卫星二处在距我们1 2 0 0 0 公罩的 太空，我们就处在分别以两颗卫星为圆心，半径分别为11 0 0 0 公里和1 2 0 0 0 公 里的球形的交集的圆周上，如果有第三颗卫星，可以继续把位置精确到点。要 获得更精确的定位，可以再测量第四颗卫星。卫星发射的是无线电信号，传输 时间短的惊人，因此传送时间的测量需要两个不同的时钟，个时钟位于卫星 上记录无线电信号发送的时刻，另一个在接收机上记录无线电信号接受的时 间。这个时间差就是信号传输时间。 2 3g p s 的特点 1 ) 全球地面连续覆盖。由于g p s 卫星数目多而且分布合理，地球上任何 地点可以连续同步观测到至少4 颗卫星，不受天气影响，从而保障了全 球全天候连续地实时导航与定位。 东南大学硕上研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的成用技术 2 ) 实时定位速度快。利用系统一次定位和测速工作在一秒甚至数秒内便可 完成，这对高动态用户尤为重要。 3 ) 抗干扰性能好，保密性强。由于g p s 采用了数字通讯的特殊编码技 术，即伪随机噪声码技术，因而g p s 卫星所发送的信号，具有良好的 抗干扰性和保密性。 4 ) 功能多，精度高。g p s 可为各类用户提供动态目标地三维位置、三维速 度和时间信息。g p s 卫星传送两种频率的载波，l 1 ( l i n k1 ) 载波的频 率为1 5 7 5 4 2m h z ，l 2 ( l i n k 2 ) 载波的频率为1 2 2 76 0 m h z 。系统有p 码和c a 码，p 码定位精度高，可以调制在l l 和l 2 载波上。保密性 好，仅供美国军方和特许用户使用，实时定位精度优于1 6 米，测速进 度优于0 ，l 米秒，授时进度优于0 1 微秒。用双频p 码信号，g p s 能提 供最高水平的精密定位服务( p r e c i s ep o s i t i o n i n g ) 。c a 码信号供一般 用户使用，仅调制在l l 载波上，定位精度可达2 0 4 0 米。c a 码单频 信号提供的动态定位精度称为标准定位服务( s t a n d a r dp o s i t i o n i n g s e r v i c e ) 。一般用户可以经差分修正( d g p s 差分定位) 来达到更高的 精度要求，但这种差分修正需要付费使用。由于g p s 与美国的国防现 代化建设密切相关，所以系统还实行了选择可用性政策( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) ，人为地将卫星星历和g p s 卫星钟的精度降低，以限制广 大民间用户利用g p s 定位的精度。c a 码在使用了s a 技术后定位精度 被限制在1 0 0 米以内。而其他国家如前苏联早在1 9 8 2 年就开始建立自 己的全球卫星定位系统。后来，俄罗斯继续执行这系统工程计划，到 1 9 9 5 年已完成建成。欧洲联盟考虑到全球卫星定位导航系统的应用前 景，也打算建立他们自己的全球卫星定位导航系统。美国政府考虑到竞 争条件下加强g p s 的商业应用前景，已经在2 0 0 0 年5 男1 号午夜停止 s a 的使用，这样一般用户也可以达到较高的定位精度。 查堕查兰堡圭堡塞竺! 堡整苎 鱼! ! 垄堡垫垫些笪皇至堑! 堕坐旦垫垄 2 4 影响g p s 定位精度的原因 1 ) g p s 接收机与它可以收到信号的卫星所构成的角度，会影响到定位的精确 度，角度过小或者接受到信号的卫星太过聚集，都会降低精度。如果四颗卫 星分布在不同的方向上，各卫星的信号交汇面会比较4 、，定位精度比较。 2 ) g p s 接收机在室内使用或者接近于高建筑物时都会造成卫星信号被阻挡，所 接收到的卫星数目减少，接收机难以定位，这在城市里比较常见。 3 ) 卫星信号障碍物反射，产生多重路径，使接收机误以为传输时阃变长，无法 正确定位卫星位置，降低定位精度。 4 ) 大气电离层、对流层已经接收机内部时钟误差都可能影响定位精度。 具体g p s 测量误差分类及对测距的影响如下： 误差分类误差源误差范围( 米) 卫星部分星历误差、卫星钟差1 5 1 5 信号传播电离层、对流层、多径效应 1 5 】5 【信号接收接收机钟差、位置误差、天线相对 1 5 5 中心变化 i 其他影响地球潮汐、负荷潮 i 0 东南大学硕士研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 第三章基于g p s 和移动数据库的地理信息系统 3 1 移动数据库简介 在移动计算环境下，移动数据库系统的总体结构可以用图3 1 描述，它由 三类结点组成： 服务器( s e r v e r ) ：一般为固定结点，每个服务器维护一个本地数据库。服 务器可以是彼此独立的，也可以由可靠的高速互联网络连接在一起，构成一个 传统意义上的分布式数据库系统。服务器可以处理客户的联机请求，并可以保 存所有请求的历史记录。 移动支持结点( m o b i l es u p p o r ts t a t i o n 简称m s s ) ：m s s 也位于高速网络 中，并具有无线联网能力，它们用于支持一个无线网络单元( c e l l ) 内的通信。 该单元内的移动客户端既可以通过无线链路与m s s 通信，从而与整个固定网络 连通，也可以接收由m s s 发送的广播信息。服务器与m s s 可以是同台机器。 移动客户端( m o b il ec it e n t ，简称m c ) ；m c 的处理能力与存储能力相对于服 务器来说非常有限，且具有移动性( 即可以出现在任意一个无线单元中) 。m c 可能是任何种移动终端，比如笔记本、p d a 、掌上电脑等。 剧31 移动数据库总休结构幽 东南大学硕士研究生学位论文g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 嵌入式移动数据库在移动终端中构造一个数据库环境。该环境具有数据库 服务器的功能，支持数据库的基本操作，也可以作为远程客户与中心数据库进 行联机操作，复制数据、保持数据同步和实时性等。 中心服务器是一个多线程事务服务器，它具有以下功能： 1 与各个移动客户进行数据同步，保持各个数据副本的一致性。 2 定时广播移动用户感兴趣的数据集。 通过o d b c 和中心数据库交互，因此中心数据库可以是目前流行的各种固定数据 库管理系统，如s y b a s e ，o r a c l e 。 移动数据库具有以下功能特点： 1 层次化的系统结构，各层之间通过简单的参数交互。这样的体系结构增 加了系统的灵活性，可移植性，同时也加快了系统的开发进度。 应用层 徇 l 结果 语言处理层 时 i - 结果 数据存取层 原语l - 记录 物理层 固3 2 移动数据库系统层次结构 2 伸缩性。移动数据库在设计和实现过程中都考虑到嵌入式移动环境下 软硬系统与具体应用的紧密结合，采用了组件化的开发方法，将整个系 统尽可能细化成功能子系统，且各个功能子系统互相独立，从而使系统 能方便的根据应用的需要构造出最精简的子系统。 3 完整的同步方案，支持双向数据复制。使远程用户既可以从中心数据库 接收信息，也可以向中心数据库发送更新信息，而不管他们在何时何地 东南大学硕上研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 进行连接。在连接断开时可以离线使用复制的数据，从而灵活满足移动 计算的需求，保证中心数据库与移动设备数据的一致性。 4 支持传统及移动环境下的各种查询和移动事务处理。它采用s q l 日志记 录机制来实现事务管理。它不仅支持离线时的事务操作，而且支持用户 在线访问中心数据库的事务操作。 3 2 移动地理信息系统的设计 移动地理服务系统提供定位导航和信息服务，利用地理测量与计算机数据 库技术，是g p s 实时定位监控系统和地理综合信息服务系统结合的产物，可以 方便的解决了在户外无法使用固定电脑和传统数据库的问题，并把用户当前位 置作为数据查询的重要参数提供给用户。不同于交通领域的车载g p s 地理信息 系统，移动地理服务系统的客户端更具便携性，适合于城市、野外等多种地理 环境，而中心服务器具有的强大数据操作及信息分层处理功能，让多种专题的 地理数据整合成为可能，不仅适合于交通、公安、旅游等专业领域的单独应 用，还可以组合成城市地理服务系统，提供全面的信息服务。 系统硬件总体结构如图3 3 所示，分成两个子系统；g p s 导航子系统和移 动数据库子系统。g p s 导航子系统由g p s 卫星、g p s 接收机、移动设备( 包括 p d a ，笔记本电脑，手机等等) 、移动设备上的嵌入式数据库组成。g p s 接收 机接收来在g p s 卫星的信号，经处理后输出当前位置的地理信息。移动设备接 收g p s 接收机输出的信号，处理后做实时显示并交给嵌入式数据库保存。移动 数据库子系统由移动设备、移动设备上的嵌入式数据库、无线网络、移动支持 节点、中心服务器及中心数据库等组成，移动设备上的嵌入式数据库通过移动 网络与移动支持节点通信，向中心数据库提交数据查询，中心数据库保存所有 的系统数据，嵌入式数据库与中心库之间通过同步朱保持数据一致。嵌入式数 据库是两个子系统的结合点，它既为g p s 导航提供数据存储空f 白j ，也为导航数 据的相关查询提供本地空间。 其中在移动设备的客户端从软件上划分为四个模块： 堡塑查兰堡圭竺茎生兰壁堕塞 垒! 兰垄垡垫垫墨堕星墨竺主堕生墨垫查 图3 , 3 系统硬件总体结构框图 1 g p s 连接模块：g p s 与移动设备连接并输出数据给移动设备，g p s 连接模块负责监视连接是否工作正常并定时读取数据。 2 本地图形数据管理模块：负责管理各种图形数据的创建、保存、导 入、清除等操作，图形数据包括用户自定义图形( 点和线) 、g p s 运动轨迹，使用嵌入式数据库和文件存储。 3 中心库数据库查询模块：负责保持移动设备与中心数据库的连接， 当查询在本地数据库无法进行时，向中心库提交查询返回查询结 果。 4 数据显示模块：负责将本地图形数据和查询返回结果经分析后送给 屏幕显示。 系统具体实现的功能如下： 1 电子地图的显示和创建，电子地图可以使用扫描和栅格化的纸质精确地 图，也可由用户自己创建，包括选择图形文件和标注图形文件两步。考虑 到无线局域网络传输速度低，图形文件一般采用j p e g 、g i f 高压缩率的 点阵图，用户也可用画板手绘简单的地形图，采用b m p 格式。 东南大学硕士研究生学位论文g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 2 显示和创建用户自定义数据。显示的电子地图作为不同领域应用的底图， 用户按照需求在底图上按层次建立自己的重要数据点，并进行分层的管理 和显示，重要数据点也可保存在本地嵌入式数据库和中，d 库中。重要数据 点对不同行业应用有可扩展的意义。 3 导航与定位。用户在电子地图上预先设定路线，并计算出路线长度，g p s 载体运动时在地图上画出轨迹，与路线比较既直观看到运动载体是否按照 预定路线行驶，g p s 轨迹可保存、导入、动态显示。静止g p s 载体可定 位显示当前位置。 4 当前位置有关信息查询。用户可向中心数据库提交和当前所在地理位置有 关的信息查询。 5 随机信息查询。查询可与当前所在地理位置无关，可按照不同的行业应用 扩展。 东南大学硕。l 研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 第四章g p s 在移动地理信息系统中的应用 g p s 接收机为移动地理信息系统提供关键的定位数据，它与移动设备可通 过串口或者c f 卡接口在物理上连接。本章讨论移动设备和g p s 接收机通过串 口连接后，g p s 接收机输出所需的专门数据处理以及定位数据与数据库的结合 问题。 4 1n m e a 一0 18 3 标准 g p s 接收机本身的计算能力有限，计算出的位置信息必须交给外部设备处 理。目前市场上的g p s 接收机或接收模块( 如o e m 板) 主要输出三种信息格 式：( 1 ) 差分用的r t c ms c 1 0 4 格式( 2 ) 各个厂商互不兼容的二进制格式( 3 ) 标 准的n m e a 0 1 8 3 格式。r t c ms c 1 0 4 格式是国际海运事业无线电技术委员会 ( r t c m ) $ 1 定的差分g p s 专用信息格式，采用二进制形式，包括的内容很多， 有差分用的各项修正量。但多数接收机只有普通输出接口，唯有差分基准站型 接收机才有r t c ms c 一14 格式输出。各个厂商的二进制格式虽然没有统一标准 但包含的信息比n m e a 。0 1 8 3 格式多，是g p s 数据处理的重要信息来。n m e a - - 0 1 8 3 工业标准早在1 9 8 3 年3 月就由美国国家海洋电子协会( n m i o n a l m a r i n e e 1 e c t o n r i c sa s s o c i a t i o n ) 制定，并由绝大多数g p s 接收机生产厂家主动接受， 以避免不同厂商的产品的信息不兼容。n m e a 一0 1 8 3 标准的报文用a n s i 字符表 示，容易处理，信息量少。主要包括时间、用户位置、可见g p s 卫星状态等 基本信息。n m e a 0 1 8 3 标准中使用在g p s 系统中的基本报文格式有g p g g a ， g p r m c g p g s v 等。 g p g g a 报文格式如下： 苎堕生苎塑堕羔堡望苎墅墅生l 一 ! 望垄整垫些塑堕：皇墨堕主塑些旦垫查 字段描述 值域 字节数 ”1 2 ”：小时 ”3 4 ”：分 ”5 6 ”：秒 2 纬度 ”3 4 “：分 ”4 4 ”秒( 整数) ”0 0 0 0 “：秒( 小数) ”n ”：n o n h ，s o u t h 4 经度 ”1 3 5 ”：分 ”2 1 ”：秒( 整数) ”0 0 0 0 ”：秒( 小数) e ：e a s t w e s t 6 状态位 7 目前捕获卫星个数 8 d o p ( 2 d ：h d o p ，3 d ：p d o p ) 9 自平均海平面的高度 1 0 高度计量单位 1 l 大地水准高度 1 2 高度计量单位 1 3 1 4 蔗分g p s 数据 1 5 校验和 g p r m c 报文格式如下 o o 2 3 0 0 5 9 0 0 5 9 0 - 9 0 0 - 5 9 0 0 0 0 - 9 9 9 9 北纬或南纬 0 0 0 - 1 8 0 0 0 5 9 0 0 0 0 - 9 9 9 9 东经或西经 0 - 2 ( ”o = 定位没有成功 ”1 ”：定位成功 ”2 ”：差分定位) 0 0 1 2 n af n o r e ”0 0 0 0 ”i s p o s i t i o n i n gi si n t e r r u p t e d ) - 0 0 9 9 9 9 0 1 7 9 9 99 m ( 米) - 9 9 99 t o9 9 9 99 m ( 米) 【2 】 【2 】 【2 】 【2 】 o u t p u t w h i l e 【5 l 【8 】 【l 】 【6 】 【1 】 【1 】 1 9 m m 川m 东南大学硕士研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 字段描述值域 字节数 1 ，u t c ：时间 t 1 2 ”：小时 ”3 4 ”：分 ”5 6 ”：秒 2 状态 3 纬度 ”3 4 ”：分 ”4 4 = 秒( 整数) ”1 2 3 4 ”：秒( 小数) ”n ：n o r t h s o u t h 5 经度 ”1 3 5 ”：分 ”2 1 ：秒( 整数) ”4 5 6 7 ”= 秒( 整数) ”e ”：e a s t w e s t 7 速度( k t s ) ”0 0 56 ”：s p e e d ( k t s ) 8t r u ec o u r s e ”1 2 3 5 1 ：d e g r e e 0 0 2 3 0 0 5 9 0 0 - 5 9 ao r v ”a ”：定位或者差分定位 ”v ”= 定位被中断 0 9 0 o 5 9 0 0 0 0 9 9 9 9 北纬或南纬 0 0 0 18 0 0 0 5 9 0 0 0 0 9 9 9 9 东经或西经 【2 】 【2 】 【2 】 【1 】 【2 】 【2 】 【4 】 【l 】 【3 】 【2 】 【4 】 【1 】 0 0 0 0 9 9 99 v a r i a b l e 】 f 注意：如果无法测出此项数据，则设置 为空) 0 0 0 0 3 5 9 9 v a r i a b l e ( 注意：如果无泫测山此项数据则设 2 0 雩 东南大学硕士研究生学位论文g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 9u t c ：日期 ”0 2 ”：日 ”0 l ”：月 ”9 5 ”：年 1 0 m a g n e t i cd e v i a t i o n ( d e g r e e ) ”0 0 1 o ”：d e g r e e ”w ”：w e s t 1 1 校验和 g p g s v 报文格式如下 置为空1 0 i 3 l 0 l 一1 2 9 4 4 0 ( 1 9 9 4 - 2 0 4 0 ) 0 0 00 18 00 东或西 【2 】 【2 】 【2 】 【5 1 【1 】 字段描述 值域 字节数 2 此报文编号 1 3 3n o o f s a t e l l i t e si nl i n e o f s i t e 0 0 - 1 2 ( w i t he l e v a t i o na n g l eh i g h e r t h a n 5d e g r e e so n l y ) 4 此报文报告的第一颗卫星编号0 1 3 2 5 第一颗卫星仰角 0 5 9 0 6 第一颗卫星俯角0 0 0 3 5 9 7 第一颗卫星的信噪比 0 0 9 9 8 - 1l 此报文的第i 颗卫星 宁段含义同第一颗卫星 1 2 15 第一三颗卫星 字段吉义同第一顿甲星 1 6 1 9 第四颗卫星 字段含义同第一颗一旱 【1 】 【2 】 【2 】 【2 】 【3 】 【2 】 2 1 丽r 东南大学硕士研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 4 2g p $ 接收机正常工作的判断方法 不同的g p s 接收机有不同的技术指标，本系统采用j u p i t e r 并行1 2 通道 o e m 板，冷启动时间不超过1 2 0 秒定位精度小于1 6 米，载体速度最高可达 5 1 4 米秒，1 p p s 脉冲输出( 脉冲信号时间间隔是1 秒) ，普通输出为n m e a - - 0 1 8 3 标准报文，差分输出为r t c ms c 1 0 4 标准报文。 移动设备只负责定时读取g p s 接收机的输出，用户在启动了g p s 的导航 功能后没有任何机制来监控g p s 接收机是否正常工作，需要由移动设备做特殊 的处理，在g p s 接收机不能正常输出数据的时候给用户以错误提示，提醒用户 重新启动g p s 接收机使其正常工作。 g p s 接收机不能正常输出的几个主要可能因素有： 1 ) 移动设备与g p s 接收机连接的串口故障； 2 ) g p s 接收机开机后就不能输出数据； 3 ) g p s 接收机后能够输出数据，但在超过一般冷起定位时间很多的情况 下，还是无法接收卫星信号发出有效定位数据； 4 ) g p s 接收机在正常工作了一段时间后跑飞或者断电关机，没有输出数 据： 5 ) g p s 接收机在正常工作了一段时间后，无法接收卫星信号，虽然保证 每隔一秒有输出，在比较长的时间内无法输出有效定位数据； 以上五种情况，除了第一种需要在使用串口时进行报错处理，其余四种都 可通过在移动设备中的软件算法来解决。g p s 接收机有冷启动定位时间，在此 时间内g p s 接收机能够捕获足够的卫星信息并输出有效定位数据，参照冷启动 时间设定一软件定时器( 称作定时器1 ) ，用户打开g p s 的时候启动定时器 l ，如果接收机一直无输出或者输出中无有效数据，定时器1 到时并报错，通知 用户g p s 接收机工作不正常；如果在此时间内接收机接收到了正常数据，定时 器l 关闭，表示接收机已经开始正常工作。 同样对于第四五两种情况也可以设置软件定时器来解决。用户设定移动设 备读取g p s 接收机输出的时间间隔( 移动设备不必读取g p s 接收机所有的输出 报文) ，在保证g p s 接收机已经成功的冷启动定位正常工作后，移动设备循环 读取g p s 接收机的输出直至用户关闭g p s 功能。在每次读取的开始阶段设定一 东南大学硕士研究生学位论文 g p s 在移动地理信息系统中的应用技术 软件定时器( 我们称作定时器2 ) ，定时3 0 秒，这是为保障g p s 接收机在无法 接收卫星信号时重新寻找卫星信号并定位需要的时间，如果在这段时间内接收 机无法重新定位输出有效数据或者跑飞没有输出信号，定时器2 到时并报错， 提醒用户g p s 接收机突然工作不正常，可能需要冷启动。若在定时器2 的定时 时间内收到有效输出，表示此轮读取成功，可关闭定时器2 并进入下一轮读 取。 i 璺= ig p se 常2 f l ；n 辑洫陧 东南大学硕士研究生学位论文g p s 在移动地理信息系统中的脚用技术 两个软件定时器结合工作的具体处理流程如图4 1 所示：启动移动设备的 g p s 功能后首先检查串口是否可用，确定后启动定时器i ，在g p s 功能不被 关闭的情况下循环读取串口数据，如果有有效数据到来则关闭定时器1 ，说明 g p s 在冷启动以后开始正常工作。在循环读取串口的过程中，如果定时器l 没 有关闭说明一直读不到数据或者读到的都是无效数据，直到定时器1 到时并向 用户报错。在成功检验了g p s 在冷启动以后工作正常，启动定时器2 检查g p s 当前是否工作正常。每轮循环读取g p s 数据以前启动定时器2 ，取到了有效数 据则关闭定时器2 ，进入下一轮读取数据。如果某一轮无法读取数据或者读的 是无效数据，程序也会进入下一轮读取，在定