天津理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院 王 江 姜道連重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 楊成成 王皓辰

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基于有限狀態(tài)機(jī)對(duì)GPS數(shù)據(jù)快速提取的研究

天津理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院 王 江 姜道連
重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 楊成成 王皓辰

【摘要】本文提出一種基于有限狀態(tài)機(jī)的GPS數(shù)據(jù)過濾與清理方法，提高GPS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的質(zhì)量。結(jié)合u-blox公司的NEO-6M模組以及ST公司提供的Cortex-M3內(nèi)核的芯片，主要敘述怎樣使用有限狀態(tài)機(jī)對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析、識(shí)別以及提取。在大量的GPS數(shù)據(jù)中快速識(shí)別提取所需的數(shù)據(jù)，很大程度上提高了解析的準(zhǔn)確性與快速性，降低漏讀、多讀、誤讀帶來的誤差。體現(xiàn)出在信息的提取處理過程中有限狀態(tài)機(jī)思想的優(yōu)越性，這種方法對(duì)數(shù)據(jù)處理具有很高的實(shí)用價(jià)值，在大數(shù)據(jù)時(shí)代的今天顯得愈加重要。

【關(guān)鍵詞】有限狀態(tài)機(jī)；數(shù)據(jù)處理；GPS；Cortex-M3

0　引言

近年來，GPS廣泛滲入軍用、商用、民用、實(shí)驗(yàn)室等各個(gè)領(lǐng)域，信息時(shí)代發(fā)展的今天離不開導(dǎo)航系統(tǒng)。某些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)加緊導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)，只要涉及到有關(guān)信息的產(chǎn)品的研發(fā)，就會(huì)涉及到數(shù)據(jù)處理，由于原始的GPS數(shù)據(jù)包含的信息比較多，數(shù)據(jù)量大，它包括了地理定位信息，推薦定位信息，地面速度信息，GPS定位信息，當(dāng)前衛(wèi)星信息，可見衛(wèi)星信息等多種數(shù)據(jù)類型的信息。對(duì)于有些簡單應(yīng)用來說，并不是所有數(shù)據(jù)都是必須的，所以，我們需要從大量的數(shù)據(jù)中提取出核心數(shù)據(jù)。然而有限狀態(tài)機(jī)方法就是使用簡單而有效的技術(shù)手段從大量的GPS信息中快速甄別、提取關(guān)鍵有用的數(shù)據(jù)，它的狀態(tài)是有限的，各狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)移，構(gòu)成整個(gè)狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)。

1　GPS

GPS（全球定位系統(tǒng)）由美國軍方研制，是一種具有全時(shí)段、全天候、全方位的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，抗干擾性好，保密能力強(qiáng)。它的數(shù)據(jù)主要包含以下六大信息類型：$GPGGA、$GPGLL、$GPGSV $GPGSA、$GPRMC、$GPVTG［1］?？梢奊PS芯片在正常工作狀態(tài)下更新一次衛(wèi)星傳送來的數(shù)據(jù)包所包含內(nèi)容繁多，很多信息對(duì)于多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)來說都是冗余信息，快速識(shí)別提取關(guān)鍵的有用信息是研究的核心。

2　有限狀態(tài)機(jī)

FSM描述了特定算法，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、離散系統(tǒng)和數(shù)學(xué)建模的有力工具，能夠簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性，我們可以假定系統(tǒng)是在某個(gè)狀態(tài)下，由于狀態(tài)的固定性，在有限的時(shí)間里，固定狀態(tài)從前驅(qū)狀態(tài)向后繼狀態(tài)轉(zhuǎn)移。有限狀態(tài)機(jī)的工作方式是在事件驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上建立的，包括了狀態(tài)→轉(zhuǎn)移→事件→動(dòng)作四個(gè)要素。

3　主系統(tǒng)設(shè)計(jì)

NEO-6M模組與Cortex-M3內(nèi)核的嵌入式主控單元通過UART接口連接，從數(shù)據(jù)包中提取出有用信息再與應(yīng)用層軟件共享，這里為了驗(yàn)證有限狀態(tài)機(jī)方法的實(shí)際效果，將主控單元再與USB-TTL模塊通過UART接口連接，USB-TTL模塊通過USB口與電腦連接，用于測試提取數(shù)據(jù)的結(jié)果?？焖僮R(shí)別并提取GPS數(shù)據(jù)的主系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件連接示意圖

GPS模塊設(shè)計(jì)：

模塊采用u-blox公司的NEO-6M模組，默認(rèn)采用NMEA-0183協(xié)議輸出定位數(shù)據(jù)，通過UBX協(xié)議對(duì)其進(jìn)行配置，搜星能力強(qiáng)，追蹤靈敏度高達(dá)-161dBm，數(shù)據(jù)輸出時(shí)，刷新頻率可以最高達(dá)到5Hz，其原理圖如圖2所示。

圖2　GPS接收機(jī)原理圖

4　GPS數(shù)據(jù)識(shí)別與提取

4.1GPS數(shù)據(jù)格式

GPS數(shù)據(jù)幀主要有幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成，由于數(shù)據(jù)幀的不同，幀頭也不同，常用的主要有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV和$GPRMC。以$GPRMC幀為例，結(jié)構(gòu)及各字段如下［2］：

GPRMC，102020.00，A，3903.45973，N，11708.02472，E，0.043，350.33，031214，-6.2，E，A*7A

$GPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞，＜12＞*hh＜CR＞＜LF＞

＜1＞UTC時(shí)間、＜2＞定位狀態(tài)、＜3＞緯度、＜4＞緯度半球、＜5＞經(jīng)度、＜6＞經(jīng)度半球、＜7＞地面速率、＜8＞地面航向、＜9＞UTC日期、＜10＞磁偏角、＜11＞磁偏角方向、＜12＞模式指示［2］。

4.2接收與解析數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)中，NEO-6M模組實(shí)時(shí)更新當(dāng)前定位的數(shù)據(jù)，再通過UART串口發(fā)送給Cortex-M3內(nèi)核的處理器，當(dāng)狀態(tài)處于啟動(dòng)標(biāo)識(shí)符時(shí)，立即啟動(dòng)解析提取功能。通過在大量數(shù)據(jù)間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行區(qū)分，經(jīng)過幀結(jié)構(gòu)、字段分析等過程，最終快速得到所需要的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

圖3　狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

4.2.1幀結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息檢索分析。s1狀態(tài)分析出“$”，自動(dòng)轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)分析出“G”，以此原理，直到找到$GPRMC這一幀數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)提取狀態(tài)，其中s1-s6為幀結(jié)構(gòu)分析，s7-s10為字段分析。

4.2.2字段分析

在幀結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行信息提取，通過計(jì)算逗號(hào)的個(gè)數(shù)，提取出UTC時(shí)間，緯度，經(jīng)度，UTC日期等相關(guān)核心信息。字段分析狀態(tài)機(jī)圖如3圖所示，檢索數(shù)據(jù)，根據(jù)原數(shù)據(jù)中逗號(hào)個(gè)數(shù)進(jìn)行匹配，如匹配成功，則將逗號(hào)后面內(nèi)容保存到數(shù)組中，遇到相應(yīng)標(biāo)志時(shí)，轉(zhuǎn)移到發(fā)送狀態(tài)，將數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)共享到應(yīng)用層軟件，否則返回繼續(xù)檢索。UTC時(shí)間發(fā)送指令由第1個(gè)逗號(hào)觸發(fā)，緯度發(fā)送指令由第3個(gè)逗號(hào)觸發(fā)，經(jīng)度發(fā)送指令由第5個(gè)逗號(hào)觸發(fā)，UTC日期發(fā)送指令由第9個(gè)逗號(hào)觸發(fā)，這一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)移均由相應(yīng)程序控制自動(dòng)完成，極大提高了識(shí)別數(shù)據(jù)的速度。

其中s0為初始狀態(tài)，成功提取到$字符時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)移到s1狀態(tài)，s2為成功提取到G字符狀態(tài)，s3為成功提取到P字符狀態(tài)，s4為成功提取到R字符狀態(tài)，s5為成功提取到M字符狀態(tài)，s6為成功提取到C字符狀態(tài)，s7為成功提取到UTC時(shí)間狀態(tài)，s8為成功提取緯度狀態(tài)，s9為成功提取經(jīng)度狀態(tài)，s10為成功提取日期狀態(tài)，s11為顯示提取到的數(shù)據(jù)狀態(tài)。其中seg_count1、seg_count3、seg_count5、seg_count9是逗號(hào)計(jì)數(shù)信號(hào)，seg_countA、seg_countV分別為數(shù)據(jù)有效和無效信號(hào)。RI、TI為接收和發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。

4.3大地——高斯坐標(biāo)變換

由于現(xiàn)行的GPS系統(tǒng)基本采用WGS-84坐標(biāo)系，為了將提取出來的數(shù)據(jù)顯示到數(shù)字地圖上，必須把大地坐標(biāo)，過程如下：→本地高斯坐標(biāo)。

下面給出高斯投影正算公式：

5　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試

當(dāng)解析成功后，主控單元將識(shí)別并提取的信息提供給應(yīng)用層軟件使用，如顯示、存儲(chǔ)、計(jì)算等。為了對(duì)系統(tǒng)算法進(jìn)行簡單驗(yàn)證，這里將檢測結(jié)果通過UART發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示，來驗(yàn)證算法的有效性和可靠性，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到如圖4的實(shí)時(shí)提取數(shù)據(jù)示意圖，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，本文提出的利用有限狀態(tài)機(jī)提取GPS數(shù)據(jù)信息得到實(shí)際驗(yàn)證，不僅消耗資源少，而且快速有效，同時(shí)也給類似序列檢測的問題提供了一種行之有效的技術(shù)手段。

圖4　驗(yàn)證結(jié)果的截圖

6　結(jié)語

GPS定位系統(tǒng)，作為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在滿足軍事用途的同時(shí)，也在不斷加緊民用化，科研化的進(jìn)程。本文研究了解決識(shí)別GPS數(shù)據(jù)慢的問題，為以后的學(xué)術(shù)應(yīng)用，生活導(dǎo)航奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此文的研究方案性能穩(wěn)定，消耗系統(tǒng)資源少。對(duì)于其他工程設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。本文采用有限狀態(tài)機(jī)法，能夠快速識(shí)別提取出所需的GPS數(shù)據(jù)。取代了人工對(duì)GPS數(shù)據(jù)的分析，達(dá)到快速而精準(zhǔn)獲取信息的目的，該方法在科技研究領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

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王江（1994—），男，貴州畢節(jié)人，大學(xué)本科在讀，主要從事單片機(jī)的研究、信號(hào)處理的研究。

姜道連（1972—），男，安徽泗縣人，講師，主要從事信息信號(hào)處理，嵌入式技術(shù)等方面的教學(xué)研究。

楊成成（1993—），男，貴州畢節(jié)人，大學(xué)本科在讀，主要從事單片機(jī)、過程控制的研究。

王皓辰（1994—），男，陜西寶雞人，大學(xué)本科在讀，主要從事單片機(jī)、自動(dòng)控制的研究。

Research on Fast GPS Data Extraction Based on FSM

WANG Jiang1，JIANG Dao-lian1，YANG Cheng-cheng2， WANG Hao-chen2

（1.School of Electronic Information Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.School of Automation and Electrical Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

Key Words：Finite-state machine；data processing；GPS；Cortex-M3

Abstract：A method of GPS data filtering and cleaning based on finite-state machine is put forward in this paper，which can improve the quality of data in GPS system.In combination with the NEO-6M module of u-blox Company and the chip with Cortex-M3 core provided by ST Company，how finite-state machine is utilized to rapidly analyze，identify and extract GPS data is mainly discussed in this paper.The realization of rapidly identifying and extracting required data from a mass of GPS data has greatly raised the accuracy and speed of analysis，and reduced error due to omissive reading，excessive reading or misreading.The advantages of the finite-state machine thought in the process of information extraction and processing have been reflected.This method is of high practical value to data processing，and it is especially important in the age of big data.

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