VC++實現GPS全球定位系統定位數據的提取

引言

衛星導航技術的飛速發展已逐漸取代了無線電導航、天文導航等傳統導航技術，而成為一種普遍采用的導航定位技術，並在精度、實時性、全天候等方面取得了長足進步。現不僅應用於物理勘探、電離層測量和航天器導航等諸多民用領域，在軍事領域更是取得了廣泛的應用--在彈道導彈、野戰指揮系統、精確彈道測量以及軍用地圖快速測繪等領域均大量采用了衛星導航定位技術。有鑒於衛星導航技術在民用和軍事領域的重要意義，使其得到了許多國家的關注。我國也於2000年10月31日和12月21日成功發射了第一顆和第二顆導航定位試驗衛星並建立了我國第一代衛星導航定位系統--"北斗導航系統"，但由於起步晚也沒有得到廣泛應用。目前在我國應用最多的還是美國的GPS系統。本文就針對當前比較普及的GPS系統，對其衛星定位信息的接收及其定位參數提取的實現方法予以介紹。

定位信息的接收

通常GPS定位信息接收系統主要由GPS接收天線、變頻器、信號通道、微處理器、存儲器以及電源等部分組成。由於GPS定位信息內容較少，因此多用RS-232串口將定位信息（NEMA0183語句）從GPS接收機傳送到計算機中進行信息提取處理。從串口讀取數據有多種方法，在此直接使用 Win32 API函數對其進行編程處理。在Windows下不允許直接對硬件端口進行控制操作，所有的端口均被視為"文件"，因此在對串口進行偵聽之前需要通過打開文件來打開串口，並對其進行相關參數配置：

m_hCom=CreateFile("COM1",GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_EXISTING, FILE_FLAG_OVERLAPPED,NULL); file://以異步方式打開COM1口
SetCommMask (m_hCom, EV_RXCHAR ) ; file://添加或修改Windows所報告的事件列表
SetupComm (m_hCom,READBUFLEN/*讀緩沖*/,WRITEBUFLEN/*寫緩沖*/); // 初始化通訊設備參數
// 清除緩沖信息
PurgeComm (m_hCom, PURGE_TXABORT | PURGE_RXABORT | PURGE_TXCLEAR | PURGE_RXCLEAR) ;
// 對異步I/O進行設置
CommTimeOuts.ReadIntervalTimeout = MAXDWORD ; file://接收兩連續字節的最大時間間隔
CommTimeOuts.ReadTotalTimeoutMultiplier =0; file://接收每字節的平均允許時間
CommTimeOuts.ReadTotalTimeoutConstant = 0 ; file://接收時間常數
SetCommTimeouts (m_hCom , &CommTimeOuts) ;
file://獲取並設置串口
GetCommState ( m_hCom, &dcb) ;
dcb.BaudRate = CBR_4800;
dcb.ByteSize = 8;
dcb.Parity = ODDPARITY;
dcb.StopBits = ONESTOPBIT ;
SetCommState( m_hCom, &dcb);

在成功打開並設置通訊口後，可采取輪詢串口和事件觸發兩種方式對數據進行接收處理，本文在此采取效率比較高的事件觸發方式進行接收處理，通過等待EV_RXCHAR事件的發生來啟動ReadFile函數完成對GPS定位信息的接收：

while(true){
　WaitCommEvent (m_hCom,&dwEvtMask,NULL);
　if (dwEvtMask&EV_RXCHAR == EV_RXCHAR)
　　if(ComStat.cbInQue>0)
　　　ReadFile(m_hCom,m_readbuf,ComStat.cbInQue,&nLength,&olRead);
}

提取定位數據

GPS接收機只要處於工作狀態就會源源不斷地把接收並計算出的GPS導航定位信息通過串口傳送到計算機中。

前面的代碼只負責從串口接收數據並將其放置於緩存，在沒有進一步處理之前緩存中是一長串字節流，這些信息在沒有經過分類提取之前是無法加以利用的。因此，必須通過程序將各個字段的信息從緩存字節流中提取出來，將其轉化成有實際意義的，可供高層決策使用的定位信息數據。同其他通訊協議類似，對GPS進行信息提取必須首先明確其幀結構，然後才能根據其結構完成對各定位信息的提取。對於本文所使用的GARMIN GPS天線板，其發送到計算機的數據主要由幀頭、幀尾和幀內數據組成，根據數據幀的不同，幀頭也不相同，主要有"$GPGGA"、"$GPGSA"、"$GPGSV"以及"$GPRMC"等。這些幀頭標識了後續幀內數據的組成結構，各幀均以回車符和換行符作為幀尾標識一幀的結束。對於通常的情況，我們所關心的定位數據如經緯度、速度、時間等均可以從"$GPRMC"幀中獲取得到，該幀的結構及各字段釋義如下：

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

<1> 當前位置的格林尼治時間，格式為hhmmss

<2> 狀態, A 為有效位置, V為非有效接收警告，即當前天線視野上方的衛星個數少於3顆。

<3> 緯度, 格式為ddmm.mmmm

<4> 標明南北半球, N 為北半球、S為南半球

<5> 徑度，格式為dddmm.mmmm

<6> 標明東西半球，E為東半球、W為西半球

<7> 地面上的速度，范圍為0.0到999.9

<8> 方位角，范圍為000.0到 359.9 度

<9> 日期, 格式為ddmmyy

<10> 地磁變化，從000.0到 180.0 度

<11> 地磁變化方向，為E 或 W

至於其他幾種幀格式，除了特殊用途外，平時並不常用，雖然接收機也在源源不斷地向主機發送各種數據幀，但在處理時一般先通過對幀頭的判斷而只對"$GPRMC"幀進行數據的提取處理。如果情況特殊，需要從其他幀獲取數據，處理方法與之也是完全類似的。由於幀內各數據段由逗號分割，因此在處理緩存數據時一般是通過搜尋ASCII碼"$"來判斷是否是幀頭，在對幀頭的類別進行識別後再通過對所經歷逗號個數的計數來判斷出當前正在處理的是哪一種定位導航參數，並作出相應的處理。下面就是對緩存Data中的數據進行解幀處理的主要代碼，本文在此只關心時間（日期和時間）和地理坐標（經、緯度）：

for(int i=0;i 　if(Data[i]=='$') file://幀頭，SectionID為逗號計數器
　　SectionID=0;
　　if(Data[i]==10){ file://幀尾
}
　if(Data[i]==',') file://逗號計數
　　SectionID++;
　else {
　　switch(SectionID){
　　　case 1: file://提取出時間
　　　　m_sTime+=Data[i];
　　　　break;
　　　case 2: file://判斷數據是否可信(當GPS天線能接收到有3顆GPS衛星時為A，可信)
　　　　if(Data[i]=='A')
　　　　　GPSParam[m_nNumber].m_bValid=true;
　　　　　break;
　　　case 3: file://提取出緯度
　　　　　m_sPositionY+=Data[i];
　　　　　break;
　　　case 5: file://提取出經度
　　　　　m_sPositionX+=Data[i];
　　　　　break;
　　　case 9: file://提取出日期
　　　　　m_sDate+=Data[i];
　　　　　break;
　　　　　default:
　　　　　break;
　　}
　}
}

現在已將所需信息提取到內存，即時間、日期以及經緯度分別保存在CString型變量 m_sTime、m_Data、m_sPositionY和m_sPositionX中。在實際應用中往往要根據需要對其做進一步的運算處理，比如從GPS接收機中獲得的時間信息為格林尼治時間，因此需要在獲取時間上加8小時才為我國標准時間。而且GPS使用的WGS－84坐標系也與我國采用的坐標系不同，有時也要對此加以變換。而這些變換運算必須通過數值運算完成，因此需要將前面獲取的字符型變量轉化為數值型變量，這部分工作可放在檢測到幀尾完成：

::strcpy(buf,m_sTime);
str.Format("%c%c",buf[0],buf[1]);
GPSParam[m_nNumber].m_nHour=(atoi(str)+8)%24; file://提取出小時並轉化為24小時制北京時間
file://buf第2、3字節為分鐘，4、5字節為秒，提取方法同上
……
::strcpy(buf,m_sDate);
str.Format("%c%c",buf[0],buf[1]); file://提取出月份
file://buf第2、3字節為天，4、5字節為年，提取方法同上
……
::strcpy(buf,m_sPositionY);
str.Format("%c%c",buf[0],buf[1]);
PositionValue=atoi(str);
str.Format("%c%c%c%c%c%c%c",buf[2],buf[3],buf[4],buf[5],buf[6],buf[7],buf[8]);
GPSParam[m_nNumber].m_dPositionY=PositionValue*60+atof(str); file://提取出緯度
……
::strcpy(buf,m_sPositionX);
if(m_sPositionX.GetLength()==10) file://經度超過90度(如東經125度)
{
　str.Format("%c%c%c",buf[0],buf[1],buf[2]);
　PositionValue=atoi(str);
　str.Format("%c%c%c%c%c%c%c",buf[3],buf[4],buf[5],buf[6],buf[7],buf[8],buf[9]);
　GPSParam[m_nNumber].m_dPositionX=PositionValue*60+atof(str); file://提取出經度(單位為分)
}
if(m_sPositionX.GetLength()==9) file://經度未超過90度(如東經89度)
{
　file://處理方法同上，只是buf的第0、1字節為度數，2~9為分數。
}

到此為止，已將時間和經緯度信息提取到GPS結構數組GPSParam中的各個變量中去，後續的處理和高層決策可根據該結構中存儲的數據作出相應的處理。

小結

本文結合主要的相關程序代碼對GPS全球定位系統的定位導航信息的接收和參數數據的提取進行了討論，同時也對串口的程序設計作了簡要的講述。通過本文的設計方法可以將GPS定位導航信息從GPS接收機完整接收，通過對定位參數的提取可將其應用於其他高層應用決策如各種GIS、RS系統等。本文程序在Windows 98下，由Microsoft Visual C++ 6.0編譯通過。