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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
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北纬/(。)

(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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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 、

:平均值2"滞V 33
g 3l 、一『1
世29
.….



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
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