嵌入式GPS数据采集与分析系统设计

图１ 软件主要模式及类结构
各个模块功能如下： （１）串口通讯。负责打开、配置、读写和关闭 串口。 （２）ＧＰｓ数据。负责ＧＰＳ和气压表数据分离、计 算模块：负责分离、计算来自串口的数据，计算卫星瞬 时位置，将气压值换算成气压高度等工作。 （３）主控计算。负责组合定位算法，判断ＧＰＳ可 见星情况，切换定位模式，定位计算误差补偿等工作。 （４）显示、存储模块。负责显示定位结果，绘制卫 星视图，存储定位数据等工作。 ２系统功能模块的实现
２．１数据采集模块 ２．１．１ Ｌｉｎｕｘ下串口通信
Ｌｉｎｕｘ对所有各类设备文件的输入输出操作，看上 去就像对普通文件的输入输出操作一样，所以Ｌｉｎｕｘ 对串口的操作，也是通过设备文件访问的。为了访问 串口，只需要打开相应的设备文件即可。设备文件 ／ｄｅｖ／ｔｔｙｓ是用于挂起Ｌｉｎｕｘ终端的文件Ｈ１。Ｌｉｎｕｘ下 串行口ＣＯＭｌ和ＣＯＭ２对应的设备分别为／ｄｅｖ／ｔｔｖｓ０ 和／ｄｅｖ／ｔｔｙＳｌ。
本文使用的ＪＮｓｌ００ＧＰｓ接收板可以输出原始数 据实时真值，本设计中需要使用的卫星原始数据主要 包括：卫星编号（ＳＩ）、方位角（ＥＬ）、卫星伪距（Ｒｃ）、伪 距平滑修正参数（ＣＣ）、信号健康度（ｓｓ）、ＧＰｓ时 （ＧＴ）、精度因子（ＤＰ）、电离层参数（ＩＯ）、卫星星历 （ＧＥ）等。向ｔｔｙｓ０发送命令之后，ＪＮｓｌｏｏ就将当前所 有最新的参数发送到ｔｔｙＳ０上，分离程序所需要做的工 作是在这些二进制和ＡｓＣＩＩ混合传输的数据中准确找 到各个参数。
第３０卷第１期 ２０１１年１月
实验室研究与探索
ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＥＸＰＬＯＲＡＴｌ０Ｎ ＩＮ Ｉ．ＡＢＯＲＡＴＯＲＹ
ＶｏＩ．３０ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０ｌｌ
嵌入式ＧＰＳ数据采集与分析系统设计
吴红兰， 黄圣国
（南京航空航天大学，江苏南京２１００１６）
摘要：介绍了一种基于嵌入式“ｎｕｘ系统和ＡＲＭ９处理器的手持式ＧＰＳ数据采集、处理、显示接收机
的设计过程。采用ＡＲＭ．Ｌｉｎｕｘ和ＡＲＭ９处理器的系统作为开发平台，控制ＯＥＭ板接收导航信息，并给
出了ＧＰｓ数据采集系统详细的软件设计方案，给出了提取ＧＰＳ特征数据的算法。这些对研究嵌入式系
统应用、ＧＰｓ定位及其在组合导航中的应用以及对ＯＥＭ板的二次开发等都具有实用价值。
关键词：ＧＰＳ全球卫星导航系统；嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统；ＡＲＭ９处理器系统
中图分类号：ＴＰ ３６８．１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６—７１６７（２０１１）０ｌ一００５４—０４
Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｆ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｇ ＰＳ Ｄａｔａ ＲｅｃｅｉＶｉｎｇ ａｎｄ ＡｎａＩｙｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ
ＷＵ Ｈｏｎｇ－ｔ８ｎ，ＨＵＡＮＧ ｓｈｅｎｇ—ｇｕｏ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
显示出图２所示的ＧＰＳ数据。图３为系统组成示 意图。
图３开发系统结构图
实验所选定的标定点为校区工程实验中心５楼天 台一栏杆处，经过查找得到可靠坐标数据为北纬 ３１．５６．９．１４２，东经１１８．４７．１０．１８２，高度３４．０１ ｍ。应 用所设计的数据采集软件对该理论值进行验证，为了 测试设计系统的灵敏度和精度，再选取２点进行数据 采集，１点为标定点下方１ ｍ处，另１点为标定点上方 ｌ ｍ处，分析所设计系统随高度变化显示数据的变化 规律。图４为实验所记录数据。
ＪＮｓｌ００的生产商ＪＡＶＡＤ公司使用特定的数据格 式表示原始数据，所有的数据格式定义在ＧＰｓ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｌａｎｇｕａｇｅ（ＧＲＩＬ）中Ｈ｛１ ｏ
编写数据分离程序时，首先应该在串口数据缓冲 区中找到每个信息的信息标识符，然后读取其后的３ Ｂｙｔｅ就是信息体长度，根据每个信息的数据格式读取 长度一定的数据，转换为相应的数据类型，并处理必要 的读取和转换错误。１组数据读完之后还应该存储这 组数据。 ２．２显示模块
２５
北纬／（。）
ｌ
（ｃ）距标定点下方ｌ ｍ处
９ １７ ２５ ３３ ４ｌ ４９ ５７ ６５ ７３ ７７ （ｄ）距标定点下方ｌ ｍ处
＾ ｏｖ 、 划 骺
ｌ６
北纬／（。） （ｅ）距标定点上方１ ｍ处
（ｆ）距标定点上方１ ｍ处
图４实测数据
分析以Ｅ实测数据可知，该系统在经纬度测量上 的精度是比较高的，并且所得数据也比较稳定。在进 行高度测量时，系统测得标定点的高度数据平均值为
万方数据
星历电文，再利用星历电文中包含的开普勒轨道参数 等数据进行计算。根据ＪＮＳｌ００ ＧＰＳ接收板的命令格 式，获取星历数据必须先向ＧＰＳ接收机发送命令，接 收机收到指令，立即把当前所跟踪到的所有卫星的星 历数据发送给用户。星历数据是以二进制形式在 ／ｄｅｖ／ｔｔｙｓ０口发送。发送期间，接收机的正常二进制 数据的传送暂时中止，发送完毕后恢复传送。软件中 定义了１个星历数据结构来存储各个卫星的星历 数据。 ２．１．３ ＧＰＳ导航电文的分离与使用
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吴红兰，等：嵌入式ＧＰＳ数据采集与分析系统设计
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用程序设计和实现过程。 应用程序主体模块是应用软件控制类（Ｇｐｓ—Ｂａｒ０一
Ａｐｐ），它实现启动应用程序主界面，并调度其它主要 功能模块，这些模块包括：串口通讯（ＱｅｘｔＳｅｒｉａｌＰｏｎ 类）；ＧＰｓ和气压表数据分离，卫星位置的计算（ＧＰｓ 数据类Ｇｐｓ—Ｄａｔａ，气压高度表数据类Ｂａｍｍｅｔｅｒ—Ｄａｔａ 类）；组合定位算法的计算（主控、计算类ｃｏｎｔｒｏｌ— Ｃｏｍｐｕｔｅｒ—Ｃｌａｓｓ）；显示模块（显示和存储类Ｄｉｓｐｌａｙ— ｓｔｏｒｅ）等。Ｇｐｓ—Ｂａ而一Ａｐｐ调用其他模块的关系如图１ 所示。
万方数据
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ系统组建民用ＧＰｓ接收机，减小成本，加快ＧＰＳ民用 化的普及口。。
本文选用的开发平台是ＡＲＭ．Ｌｉｎｕｘ和ＡＲＭ９处 理器的系统【３１，用该系统来控制ＯＥＭ板接收导航信 息，并根据具体要求给出了详细的设计方案，设计了提 取ＧＰｓ特征数据的算法。
１ ＧＰＳ数据采集应用系统的总体设计
ＧＰｓ数据采集应用软件的设计采用面向对象的编 程技术，运用Ｃ＋＋语言实现，并使用针对ＡＲＭ优化 的ＧＮｕ ａｒｍ—Ｌｉｎｕｘ—ｇ＋＋编译器，既保障了应用软件的 开发速度，又具有较好的性能。另外，工具和函数库能 和Ｌｉｎｕｘ操作系统保持兼容，遵循Ｏｐｅｎ ｓｏｕｒｃｅ的风 格，系统开发费用较低。应用软件需要解决ＧＰｓ和气 压高度表数据的接收、组合定位算法的实现、误差的处 理（包括大气延时修正，地球自转修正等）、结果显示 （包括当前坐标，气压表输出等）、数据存储等工作。 本节介绍基于Ｑｔ／Ｅｍｂｅｄｄｅｄ以及Ｑｔｏｐｉａ函数库的应
本文所设计的定位系统应用软件的主界面如图２ （ａ）所示，它的主要功能包括：①为用户使用气压高度 表辅助ＧＰｓ定位系统提供操作界面；②设置系统参 数；③控制嵌入式计算机的串口接收来自ＧＰｓ接收机 和气压高度表的数据或发送命令；④显示和保存接收 到的数据；⑤确定接收机定位状态，启动相应的定位程 序；将接收机四星定位值与组合定位值一并显示给 用户。
３１．６７４ ｌ ｍ，与精确值的差为２．３３５ ９ ｍ；距标定点下 方ｌ ｍ时测得的实验数据平均值为２９．９８０ ７ｌ ｍ左右， 与精确值的差为ｏ．６９３ ３９ ｍ；距标定点上方１ ｍ时测
万方数据
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得的实验数据平均值为３５．３６４ ０２ ｍ左右，与精确值 的差为２．６８９ ９２ ｍ。由于本实验采用ＪＮＳｌ００型接收 机，误差范围５ ｍ，可以认定数据有效。通过以上实验 数据的验证，进一步说明了应用ＧＰＳ定位时，在经纬 度测量上的精度是比较高的，在高度测量上的误差较 大。因此，怎样才能提高ＧＰｓ测高的精确度，正是我 们后续要进一步研究的课题。
Ｏ引 言
近年来，随着手持式ＧＰＳ接收机的普及，在手持 式设备上实现ＧＰｓ数据采集和分析的技术显得越发 重要。ｃＰｓ数据采集、分析软件主要功能是接收并解 析ＧＰＳ接收机原始数据报文，设计出友好的人机界面 环境，将ＧＰＳ定位结果、各个参数实时地呈现给用户。 而嵌入式系统是以计算机技术为基础，软硬件可裁剪， 对功能、可靠性、成本、体积和功耗等有严格要求的专 门应用型计算机系统。使用嵌入式系统不仅对稳定性 有很大的改善，而且使应用模块化，极大提高程序的町 读性、可扩展性和可移植性…。
８ ４７ ４７
８ ４７ ４６
８４７ ４５
８ ４ ７ ４４
＾。一、骝长
８ ４７ ４３
８ ４７ ４２ ３１．５６ｌ ５１
３１．５６ｌ ５３
３１．５６ｌ ５５
北纬／（。）
（ａ）标定点
３１．５６ｌ ５７
（ｂ）标定点
一 乙 、
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：平均值２＂滞Ｖ ３３
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．…．
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２７
３１．５６ｌ ５７５ ３１．５６ｌ ５８５ ３１．５６１ ５９５ ３１．５６ｌ ６０５ ３１．５６１ ６１５
早在嵌入式系统必起初期就有人提出使用嵌入式
收稿日期：２０ｌＯ—０６—２２ 基金项目：国家大学乍创新训练计划项目（０８１０２８７１７） 作者简介：吴红兰（１９６９一），女，江苏南京人，高级Ｔ程师，研究方 向：控制导航和智能化系统。 Ｔｅｌ．：１３９５１７３１９７０；Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｕｈｏｎｄａｎ＠１２６．ｃｏｍ
此外，本文还设计了用来查看、保存定位数据的程 序界面，用户可以查看最新的卫星状态，气压情况，温 度变化，设置ＧＰｓ接收机和气压高度表的输出等。
３ 实验数据的采集及分析
该开发系统采用ＡＲＭ９开发板阻１０１，ＧＰｓ数据的 采集与分析软件就被植入其中。通过串行通信口由 ＪＮＳｌ００接收机…１提供ＧＰＳ数据，配合触摸式显示屏，
（ａ）软件主界面
（ｂ）卫星的仰角，方位角俯视图
图２系统主要界面