周 峰

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

基于Android智能手機(jī)平臺(tái)的GPS開發(fā)

周 峰

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

通過對(duì)Android智能手機(jī)平臺(tái)架構(gòu)，在Android的智能手機(jī)平臺(tái)上，集成了GPS的硬件模塊，實(shí)現(xiàn)了GPS的數(shù)據(jù)通信，GPS的數(shù)據(jù)解析，以及實(shí)現(xiàn)Google地圖的用戶界面，對(duì)GPS數(shù)據(jù)通信層，以及網(wǎng)絡(luò)編程應(yīng)用，給出了整體解決方案。

Android；全球定位系統(tǒng)；導(dǎo)航

1 引言

隨著移動(dòng)通訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，手機(jī)的生產(chǎn)和使用量有了大幅的提高。如何進(jìn)一步提升手機(jī)的應(yīng)用價(jià)值、開發(fā)新的功能，已成為手機(jī)發(fā)展的熱點(diǎn)。當(dāng)前，手機(jī)GPS已在個(gè)人導(dǎo)航定位方面發(fā)揮了巨大作用，除此以外，它在工程測(cè)量、設(shè)施搜索、定位監(jiān)控、緊急援助等方面也有很大的發(fā)展空間。Android是一款全新的智能手機(jī)操作系統(tǒng)，它開放性好、功能擴(kuò)展性強(qiáng)，能很好地支持基于定位的應(yīng)用程序開發(fā)。

2 Android平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)Android平臺(tái)分為四部分，它們分別是：核心應(yīng)用程序、應(yīng)用程序框架和組件、Java運(yùn)行環(huán)境、Linux內(nèi)核。

2.1 核心應(yīng)用程序

Android附帶了一些核心應(yīng)用程序，包括E-mail客戶端程序、短信程序、日歷、地圖、瀏覽器和通訊錄等。所有的Android應(yīng)用程序都用Java語言進(jìn)行開發(fā)。

2.2 應(yīng)用程序框架和組件

Android應(yīng)用程序的開發(fā)是基于程序框架和組件的，開發(fā)人員擁有同核心應(yīng)用程序一樣的API訪問權(quán)限。

2.3 Java運(yùn)行環(huán)境

所有Android程序都有各自的進(jìn)程，這些進(jìn)程運(yùn)行在Dalvik虛擬機(jī)上。Dalvik虛擬機(jī)將所有可執(zhí)行文件轉(zhuǎn)化為.dex格式，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存優(yōu)化。

2.4 Linux內(nèi)核

Android依賴于Linux 2.6提供的系統(tǒng)服務(wù)，包括安全、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)棧和驅(qū)動(dòng)模型等。

3 基于CMCC SUPL協(xié)議的輔助GPS

3.1 AGPS的工作原理

AGPS，即輔助GPS(AGPS)將GPS與無線手機(jī)組合在一起，利用輔助GPS進(jìn)行定位，傳輸一些輔助數(shù)據(jù)，這樣可以大大縮小代碼搜索窗口和頻率搜索窗口，使得定位時(shí)間降至幾秒鐘。輔助GPS是網(wǎng)絡(luò)輔助GPS，與獨(dú)立的GPS相比，以網(wǎng)絡(luò)為核心的方法能夠提供更快的首次鎖定位置的時(shí)間TTFF，它使用固定位置GPS接收機(jī)獲得移動(dòng)終端的補(bǔ)充信息數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)使移動(dòng)用戶接收機(jī)不必譯碼實(shí)際消息就可以進(jìn)行定時(shí)測(cè)量。定位原理圖如圖1所示：

圖1 AGPS定位原理圖

其工作流程是：

（1）AGPS手機(jī)首先將本身的基站地址通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿恢梅?wù)器；

（2）位置服務(wù)器根據(jù)該手機(jī)的大概位置傳輸與該位置相關(guān)的GPS輔助信息(包含GPS的星歷和方位俯仰角等)到手機(jī)；

（3）該手機(jī)的AGPS模塊根據(jù)輔助信息(以提升GPS信號(hào)的第一鎖定時(shí)間TTFF能力)接收GPS原始信號(hào)；

（4）位置服務(wù)器根據(jù)傳來的GPS偽距信息和來自其他定位設(shè)備(如差分GPS基準(zhǔn)站等)的輔助信息完成對(duì)GPS信息的處理，并估算該手機(jī)的位置；位置服務(wù)器將該手機(jī)的位置通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)蕉ㄎ痪W(wǎng)關(guān)或應(yīng)用平臺(tái)。

3.2 AGPS定位基本流程

（1）搜索衛(wèi)星

AGPS定位仍然是基于GPS的，因此定位的首要步驟還是先搜索到當(dāng)前地區(qū)的可用GPS衛(wèi)星，AGPS通過網(wǎng)絡(luò)直接下載當(dāng)前地區(qū)的可用衛(wèi)星信息，提高了搜星速度。同時(shí)也減小了設(shè)備的電量消耗。

圖2 AGPS定位搜索基本流程

如圖2所示，AGPS中從定位啟動(dòng)到GPS接收器找到可用衛(wèi)星的基本流程如下：

1）設(shè)備從蜂窩基站獲取到當(dāng)前所在的小區(qū)位置；

2）設(shè)備通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)將當(dāng)前蜂窩小區(qū)位置傳送給網(wǎng)絡(luò)中的AGPS位置服務(wù)器；

3）APGS位置服務(wù)器根據(jù)當(dāng)前小區(qū)位置查詢?cè)搮^(qū)域當(dāng)前可用的衛(wèi)星信息（包括衛(wèi)星的頻段、方位、仰角等相關(guān)信息），并返回給設(shè)備；

4）GPS接收器根據(jù)得到的可用衛(wèi)星信息，可以快速找到當(dāng)前可用的GPS衛(wèi)星。至此，GPS接收器已經(jīng)可正常接收GPS信號(hào)，GPS初始化過程結(jié)束。AGPS對(duì)定位速度的提高就主要體現(xiàn)在此過程中。

（2）計(jì)算位置

GPS接收器一旦找到四顆以上的可用衛(wèi)星，就可以開始接收衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位。接下來的過程根據(jù)位置計(jì)算所在端的不同，通常有兩種方案：在移動(dòng)設(shè)備端進(jìn)行計(jì)算的MS-Based方式和在網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行計(jì)算的MS-Assisted方式。

MS-Based方式中，接下來過程與傳統(tǒng)GPS定位完全相同，GPS接收器接收原始GPS信號(hào)，解調(diào)并進(jìn)行一定處理，根據(jù)處理后的信息進(jìn)行位置計(jì)算，得到最終的位置坐標(biāo)。

在此過程中可以看到，在使用MS-Assisted方式時(shí)，由于輔助定位信息的加入，可以取得更高的定位精度；同時(shí)，可以很大程度上克服弱GPS信號(hào)情況下的無法定位或精度降低的問題；將復(fù)雜計(jì)算轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)端，也可以很大程度上減小設(shè)備的電量消耗。

4 Android GPS HAL

4.1 GPS HAL introduction

HAL（hardware abstraction layer 硬件抽象層）存在的目的在于讓android framework與linux device driver分離開來。上層應(yīng)用通過Dalvik VM(Android虛擬機(jī))與core services（如sensor service，camera service等）來加載動(dòng)態(tài)庫文件（*.so），這里的so文件指的是HAL的實(shí)現(xiàn)，core service通過JNI接口調(diào)用HAL層提供的接口，這樣就實(shí)現(xiàn)了android 應(yīng)用程序?qū)τ布牟僮鳌?/p>

HAL實(shí)現(xiàn)仍然是以加載動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式來與 linux device driver通信，不過libhardware屏蔽了具體的加載細(xì)節(jié)，每種應(yīng)用以HAL stub的概念呈現(xiàn)給JNI層，一個(gè)HAL stub編譯成一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫文件. 移植一個(gè)新的HAL實(shí)現(xiàn)需要開發(fā)人員編寫 HAL module（stub），上層應(yīng)用通過libhardware獲取HAL module的一系列回調(diào)函數(shù)（callback ops),這一系列回調(diào)函數(shù)直接與底層的linux device driver通信（一般是通過讀寫設(shè)備文件來實(shí)現(xiàn)的）。

4.2 GPS的HAL實(shí)現(xiàn)

GPS 的 HAL 實(shí)現(xiàn)主要工作就是填充一個(gè) GpsInterface結(jié)構(gòu)，android應(yīng)用啟動(dòng) LOCATION_SERVICE時(shí)，將檢測(cè)系統(tǒng)是否支持GPS應(yīng)用，若支持GPS，則在JNI層初始化GPS設(shè)備時(shí)將返回一個(gè) GpsInterface結(jié)構(gòu)，然后通過JNI層的回調(diào)函數(shù)將GPS信息發(fā)送給framework層，調(diào)用過程如圖3所示：

GpsInterface-＞Init初始化當(dāng)前GPS，當(dāng)用戶點(diǎn)擊GPS APP開始從而調(diào)用GpsInterface-＞Start后，啟用讀線程通過epoll檢測(cè)GPS設(shè)備文件的狀態(tài)，若收到數(shù)據(jù)則讀取NEMA數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)解析后，根據(jù)解析后的數(shù)據(jù)填充 GpsStatus，GpsLocation和GpsSvInfo結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用相應(yīng)的JNI層在Init時(shí)傳進(jìn)來的回調(diào)函數(shù)，service部分的代碼將自動(dòng)更新GPS信息。

圖3 JNI層回調(diào)函數(shù)調(diào)用過程

5 小結(jié)

本文在Android操作系統(tǒng)的智能于機(jī)上實(shí)現(xiàn)了GPS的應(yīng)用開發(fā)，利用終端各功能模塊的整合，配合相應(yīng)的軟件驅(qū)動(dòng)，完成指定的功能，如對(duì)定位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算所在位置的經(jīng)度，緯度，海拔，速度和時(shí)間等。

GPS系統(tǒng)具有全天候、全球覆蓋、三維定速、定時(shí)、高精度、快速、省時(shí)、高效率、應(yīng)用廣泛、多功能等特點(diǎn)，因此可廣泛應(yīng)用于陸地、海洋以及航空航天等各種環(huán)境下。而實(shí)時(shí)的Google Map地圖的使用，更能直觀地將豐富的城市地圖、全國的公路網(wǎng)圖、等地理信息同步地在智能手機(jī)上顯示出來，方便使用者(不僅僅是汽車駕駛員)進(jìn)行查詢參考，這是以后Android GPS應(yīng)用開發(fā)的重要發(fā)展方向。

[1] 黃智偉.GPS接收機(jī)電路設(shè)計(jì)[M].國防工業(yè)出版社, 2005.6.

[2] 魯郁.GPS全球定位接收機(jī)--原理與軟件實(shí)現(xiàn)[M].電子工業(yè)出版社,2009.6.

[3] 吳亞峰.Android編程典型實(shí)例與項(xiàng)目開發(fā)[M].電子工業(yè)出版社,2011.10.

GPS development of intelligent mobile phone platform Based on the Android

Through intelligent mobile phone platform structure for the Android, integrated with GPS hardware module, the GPS data communication, GPS data analysis, as well as the realization of Google map user interface were realized. For GPS data communication layer, as well as network programming application, the overall solution were given.

Android; Global positioning system; Navigation

TP216

A

1008-1151(2012)09-0031-02

2012-08-16

周峰（1979－），蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，從事電子、電路的教學(xué)和研究。