丁曉明，劉偉永，李 瑾

(山東科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島266590)

如今，隨著交通工具的普及和交通狀況的改善，人們的移動(dòng)性逐漸增強(qiáng)，對(duì)于空間信息的依賴更大。全球定位系統(tǒng) GPS（Global Positioning System）能有效解決此類問(wèn)題，為出行提供便捷服務(wù)[1]。目前車載導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，然而車載GPS系統(tǒng)受到道路限制，不能隨時(shí)隨地提供位置信息。個(gè)人移動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)基于移動(dòng)終端（如手機(jī)、掌上電腦等）設(shè)計(jì)，可以彌補(bǔ)車載GPS系統(tǒng)受地形限制的不足，為個(gè)人用戶提供方便可靠的位置信息，幫助用戶在陌生環(huán)境中快速地找到目的地，具有體積小、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與功能

個(gè)人移動(dòng)地理信息系統(tǒng) GIS（Geographic Information System）是在傳統(tǒng)GIS基礎(chǔ)上利用空間定位手段結(jié)合嵌入式技術(shù)，以數(shù)字地圖為顯示背景、與個(gè)人手持設(shè)備相結(jié)合，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)提供移動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)位置及周圍信息的系統(tǒng)。本文根據(jù)大多數(shù)用戶需求及我國(guó)網(wǎng)絡(luò)通信現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)個(gè)人移動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由五部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)從GPS模塊獲取數(shù)據(jù)，根據(jù)NMEA-0183協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理；由地圖匹配模塊將獲取的位置信息與電子地圖進(jìn)行匹配；位置顯示模塊在完成地圖匹配的前提下，將位置信息實(shí)時(shí)地在地圖上顯示出來(lái)，它是路徑記錄模塊的基礎(chǔ)；路徑記錄模塊將行進(jìn)位置記錄下來(lái)，將之前和當(dāng)前位置同時(shí)顯示出來(lái)，并不斷更新，從而實(shí)現(xiàn)行進(jìn)軌跡顯示功能；將地圖的縮放及移動(dòng)功能設(shè)計(jì)于輔助功能模塊中。

本系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)地圖縮放、平移、實(shí)時(shí)定位、路徑顯示等功能，有效地適用于個(gè)人移動(dòng)定位。

2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建

2.1 硬件平臺(tái)

本系統(tǒng)采用Goeget公司生產(chǎn)的ST-92系列GPS模塊，該模塊使用SIFR III芯片組，可以同時(shí)追蹤20個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，具有靈敏度高（-159 dBm）、定位坐標(biāo)精度高(可達(dá) 5 m（1 Ω）)、體積小、支持 NMEA-0183 協(xié)議等特點(diǎn)。GPS數(shù)據(jù)通過(guò)RS232接口傳遞給搭載有Windows Mobile系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)板，進(jìn)行數(shù)據(jù)提取利用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

Windows Mobile操作系統(tǒng)是微軟專門(mén)為手持移動(dòng)設(shè)備推出的“移動(dòng)版 Windows”，它將 Windows桌面擴(kuò)展到個(gè)人設(shè)備，使用Windows Mobile操作系統(tǒng)的設(shè)備主要有手機(jī)、PDA等[2]。導(dǎo)航系統(tǒng)采用微軟的Windows Mobile 6.5操作系統(tǒng)以及Windows Mobile 6 Professional SDK。開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用 Visual Studio 2005，它針對(duì).net開(kāi)發(fā)，并且提供了智能設(shè)備模擬器，可真實(shí)地模擬物理機(jī)器代碼，把軟件安裝在這個(gè)模擬器上運(yùn)行，可使開(kāi)發(fā)更加方便。

2.3 Mapx Mobile組件的嵌入

Mapx Mobile是Mapinfo公司提供的一種基于OLE(Object Linking and Embedding)的嵌入式 GIS組件，可以嵌入在Pocket PC、Windows Mobile平臺(tái)下的應(yīng)用程序中，運(yùn)用Mapx Mobile建立的軟件可單獨(dú)在設(shè)備上運(yùn)行，并且可以與Pocket PC的Windows CE操作系統(tǒng)兼容[3]。

對(duì)Mapx Mobile組件的嵌入，首先需要在PC機(jī)安裝Mapx Mbile，在 VS2005工具箱選項(xiàng)窗口中，選擇COM組件欄，勾選Mapinfo Mapx Mobile V5選項(xiàng)，然后在工具箱中可看到新增的Mapx工具。對(duì)地圖操作時(shí)需要將組件拖到對(duì)話框窗口中，然后在VS2005界面中可對(duì)地圖屬性進(jìn)行操作，選擇載入需要的地圖。

Mapx Mobile是移動(dòng)GIS的高性能低成本的解決方案，具有標(biāo)準(zhǔn)用戶控制功能，可有效地嵌入到個(gè)人移動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)中[4]。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程分析

3.1 定位數(shù)據(jù)流獲取與分析

GPS模塊與應(yīng)用程序間通過(guò)RS232接口交互信息，因此需要在VS2005平臺(tái)上編寫(xiě)對(duì)串口的驅(qū)動(dòng)。

通過(guò)進(jìn)入函數(shù)LRESULT CwindowsmobileDlg::OnData-ArrivedMsg(WPARAM wParam，LPARAM lParam)來(lái)處理收到的數(shù)據(jù)。因?yàn)樽x到的數(shù)據(jù)不是CString型，所以需要做進(jìn)一步處理。

以下數(shù)據(jù)是GPS模塊接收到的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

本系統(tǒng)只需要提取經(jīng)度、緯度和時(shí)間數(shù)據(jù)，根據(jù)NMEA-0183協(xié)議，這里篩選接收GPGGA下的數(shù)據(jù)[5]。

3.2 定位點(diǎn)與路徑線的建立

首先創(chuàng)建圖層，并將其設(shè)置為動(dòng)態(tài)圖層，然后創(chuàng)建動(dòng)態(tài)圖元，對(duì)其進(jìn)行初始化，將其與mapx插件建立關(guān)聯(lián)。初始化中可設(shè)置定位點(diǎn)的大小、形狀及顏色。

通過(guò)語(yǔ)句mobile.GetPoint().Set(gpsLongitude,gpsLatitude)將當(dāng)前坐標(biāo)數(shù)據(jù)與電子地圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后通過(guò)mobile.Update()更新到地圖上并顯示出來(lái)。

對(duì)于路徑線的創(chuàng)建，需要對(duì)之前的定位點(diǎn)進(jìn)行儲(chǔ)存，獲得定位點(diǎn)集[6]。通過(guò)CMapX Feature中的CreateLine函數(shù)將儲(chǔ)存的點(diǎn)用直線連接起來(lái)，可利用CMapXStyle中提供的函數(shù)設(shè)置線的寬度、顏色等屬性。

3.3 地圖匹配算法分析

GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于地形圖、航片、衛(wèi)片等。車載及個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)源是地形圖，地形圖通過(guò)掃描矢量化將地圖轉(zhuǎn)換成矢量化數(shù)字地圖。就掃描矢量化而言，除了原圖質(zhì)量影響數(shù)據(jù)經(jīng)度外，在掃描過(guò)程中圖像預(yù)處理、矢量化過(guò)程等各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量都有一定程度的影響[7]。為保證定位準(zhǔn)確性，在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)地圖進(jìn)行匹配研究。

地圖匹配需要確定在給定定位數(shù)據(jù)和地圖信息的基礎(chǔ)上獲得最可能的路段，以及行人在該路段上最可能的位置。

本文采用最短距離匹配算法[8]，該算法根據(jù)道路屬性預(yù)先設(shè)置一個(gè)閾值，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前GPS數(shù)據(jù)與各路段間的距離以及該數(shù)據(jù)在該路段上最短距離點(diǎn)，將在閾值范圍內(nèi)的各路段匹配距離進(jìn)行比較，得到一條最短路徑。

圖3表示基于投影的匹配算法基本原理，圖中V點(diǎn)表示行人當(dāng)前位置，L1和L2表示附近的兩條路 ，V1、V2表 示 V 點(diǎn) 在兩條路上的投影，投影距離表示為d1、d2。在候選道路中選擇距離最短的作為匹配道路，并將在該條道路上的投影點(diǎn)認(rèn)為是行人的當(dāng)前位置。該算法可以在很大程度上消除地圖匹配中的各種誤差產(chǎn)生的影響。地圖匹配算法具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 地圖匹配算法實(shí)現(xiàn)流程

3.4 地圖縮放及平移

地圖縮放及平移包括地圖的縮小、放大及平移。實(shí)現(xiàn)函數(shù)為 SetCur2rentTool()。

m_ctrlMap為Map對(duì)象設(shè)定了以上工具，分別是縮小、放大和平移工具,點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可進(jìn)行地圖瀏覽。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

在開(kāi)發(fā)板（手機(jī)）上安裝MapX組件，該組件位于PC機(jī)的MapX安裝目錄下,將開(kāi)發(fā)的軟件和對(duì)應(yīng)的地圖拷貝到開(kāi)發(fā)板中的maps文件夾中，雙擊運(yùn)行即可。拷貝過(guò)程使用的是微軟的ActiveSync同步工具，它允許PC機(jī)與設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)文件。

系統(tǒng)驗(yàn)證時(shí)采用青島市區(qū)地圖，軟件運(yùn)行界面示意圖如圖5所示。測(cè)試中端口號(hào)選擇為COM1，波特率為9 600 b/s，單擊右下角按鈕后啟動(dòng)系統(tǒng)。GPS數(shù)據(jù)通過(guò)RS232接口進(jìn)入開(kāi)發(fā)板中，軟件進(jìn)行處理后將位置坐標(biāo)與電子地圖進(jìn)行匹配，將該點(diǎn)位置以紅色五星符號(hào)在地圖上顯示出來(lái)，同時(shí)用戶可在界面下方看到經(jīng)度及緯度數(shù)據(jù)。隨著位置的改變，定位點(diǎn)在地圖上會(huì)隨之實(shí)時(shí)移動(dòng)，可準(zhǔn)確地進(jìn)行實(shí)時(shí)定位顯示。

點(diǎn)擊軟件右側(cè)的移動(dòng)、放大、縮小按鈕對(duì)當(dāng)前地圖進(jìn)行縮放或移動(dòng)，可以準(zhǔn)確地查詢到當(dāng)前和周圍環(huán)境信息。

啟動(dòng)路徑顯示功能需將軟件界面右下角“路徑打開(kāi)”按鈕按下。測(cè)試起點(diǎn)為四流北路與樓山路交點(diǎn)，終點(diǎn)為貴陽(yáng)路中段。測(cè)試路徑示意圖如圖6所示。行進(jìn)時(shí)紅色五星會(huì)實(shí)時(shí)移動(dòng)并留下紅色軌跡。通過(guò)軟件右側(cè)的清空按鈕可將路徑及坐標(biāo)信息消除，便于再次記錄路徑。

經(jīng)過(guò)如上測(cè)試，系統(tǒng)可正確地、實(shí)時(shí)地獲取顯示位置信息并記錄行進(jìn)軌跡，可滿足用戶基本導(dǎo)航需求。

本文利用Visual Studio平臺(tái)，嵌入 MapX Mobile地圖化組件，設(shè)計(jì)了一款基于Windows Mobile系統(tǒng)的導(dǎo)航軟件，并結(jié)合ST-92 GPS模塊，開(kāi)發(fā)了一個(gè)移動(dòng)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了闡述。本系統(tǒng)搭載青島市地圖進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)串口獲取GPS數(shù)據(jù)，完成了數(shù)據(jù)與電子地圖匹配，完成了地圖的顯示、縮放、平移，實(shí)現(xiàn)了定位導(dǎo)航功能。

[1]孫兵.基于AGPS的智能導(dǎo)航系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)與研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.

[2]凌澤軍，魏文娟，孫震強(qiáng).智能終端的主流平臺(tái)——Windows Mobile 分析[J].移 動(dòng) 通 信，2010(9)：78-82.

[3]MapInfo Corporation.MapInfo MapX Mobile production introduce[S].2003.

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[5]錢(qián)恭斌，尹文濤，王文富.基于WM6.0操作系統(tǒng)的智能手機(jī)定位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35(12)：24-30.

[6]馬紅皎，胡永輝，張志武.使用Mapx Mobile開(kāi)發(fā) Pocket PC上導(dǎo)航軟件[C].全國(guó)時(shí)間頻率學(xué)術(shù)交流會(huì)，2005.

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