电子地图导航仪的设计与实现毕业论文
目录
前言 (1)
1选题背景以及意义 (1)
2国内外研究进展 (1)
3本文的研究内容以及总体框架 (3)
第1章电子地图概述 (4)
1.1电子地图的特点 (4)
1.2电子地图的分类 (5)
1.2.1阅读型电子地图 (5)
1.2.2交互型电子地图 (5)
1.2.3网络型电子地图 (5)
1.3电子地图系统的发展 (6)
1.3.1面向对象的电子地图模型 (6)
1.3.2建立电子地图图层创作模版 (6)
1.3.3电子地图设计研究 (6)
第2章 GPS导航定位原理概述 (7)
2.1GPS卫星导航定位原理 (7)
2.1.1单点动态定位 (7)
2.1.2伪距差分动态定位 (7)
2.1.3动态载波相位差分测量 (8)
2.2 GPS卫星测速原理 (8)
2.3 GPS卫星测时原理 (8)
2.3.1一站单机定时法 (9)
2.3.2共视比对定时法 (9)
第3章基于电子地图的GPS导航定位程序的设计 (10)
3.1 程序设计概述 (10)
3.2程序功能分析 (11)
3.3电子地图矢量数据管理的设计 (11)
3.3.1shapefile的主文件格式 (12)
3.3.2shapefile数据读取 (17)
3.3.3shapefile数据结构 (18)
3.4 GPS导航数据管理的设计 (19)
3.4.1GPS接收机输出的数据格式 (19)
3.4.1GPS信息类的设计 (22)
3.4.2GPS数据读取程序设计 (23)
第4章基于电子地图的GPS定位程序的实现 (25)
4.1电子地图显示与管理的实现 (25)
4.1.1电子地图显示功能的实现 (25)
4.1.2图层管理功能的实现 (27)
4.2GPS导航定位功能的实现 (29)
4.2.1GPS串口参数设置的实现 (29)
4.2.2GPS定位的实时显示的实现 (30)
4.2.3航迹回放功能的实现 (30)
4.2.3卫星天空视图显示的实现 (31)
4.2.4量测功能的实现 (33)
4.2.5界面与系统配置 (34)
总结 (35)
致谢 (36)
参考文献 (37)
毕业设计小结 (38)
前言
1选题背景以及意义
随着计算机技术的飞速发展, 全球定位系统(GPS) 和地理信息系统 (GIS) 在各行各业中得到广泛的重视和应用, 两者的集成化程度也日益加强，实现了GPS导航信息在GIS上的可视化、一体化和集成化，能够在地图上实时动态地跟踪目标和显示地理位置。GPS定位为GIS提供了采集数据信息的新方法，GIS 为GPS提供了可视化的原始地图背景，两者关系愈加紧密。
电子地图是随着计算机技术的发展而产生的一种崭新的地理信息载体，具备地图的内涵, 是数字地图在计算机屏幕上的符号化显示, 具有信息丰富、直观易懂、更新方便、实用灵活等特点, 因而受到用户的普遍欢迎。所以电子地图与GPS定位系统相结合成为两者未来发展的必然趋势。
随着GPS车载导航设备和PDA设备的快速发展，GPS、电子地图与掌上电脑技术相融合，逐步形成一个嵌入式的掌上导航系统，是当前GIS、GPS研究领域的主要趋势。如今，作为GPS与GIS 很好的结合体，GPS车载导航系统在国内外市场已经逐步普及，成为汽车行业的宠儿。
本文选题意义在于利用GIS矢量数据（shapefile非拓扑关系数据）作为电子地图格式，结合GPS，在电子地图上实现实时定位，对基于电子地图GPS定位技术的研究打下了坚实基础。
2国内外研究进展
作为GPS导航与GIS的结合体，嵌入式掌上导航系统成为了国内外GPS厂商发展的重点，尤其是汽车行业的宠儿——车载GPS导航系统。车载GPS导航系统是一种先进的导航系统，能够探测到汽车在行驶途中的当时位置，协助驾驶者在陌生的道路环境中，通过电子地图与话音指南，准确地掌握前往目的地的路线。它是GPS导航定位技术与电子地图技术结合的焦点。现阶段，随着电子产和汽车产业的快速发展，国内外汽车生产商、GPS专业厂商加快了对汽车GPS
导航系统研制，而我国汽车导航系统本身起步比国外要晚了许多，在各个方面存在着较大差距，下面简述国内外在该行业上的研究进展状况。
国外研究进展
在硬件方面，全世界已经有包括IBM、MicroOptical、Xybernaut在内的超过 100 家公司生产与移动计算相关的产品，如带LCD显示器的眼镜、手执微型键盘、手执鼠标、声控输入设备、GPS天线等。
在应用系统开发方面，美国麻省理工学院、哥伦比亚大学和欧洲的瑞士联邦技术学院、荷兰Delft技术大学等都在医学、工业等各个移动计算领域进行应用系统的开发工作。
在地图数据方面，美国爱荷华州立大学和加利福尼亚大学美国地理信息与分析中心（NCGIA）正在合作为NASA和联邦统计机构进行一项名为Batutta的计划，旨在研制一套专为地学野外采样使用的移动作业系统，包括地理环境与地理信息系统在无线移动环境中的集成以及穿戴式计算机、便携计算机、PDA 和台式服务器的联合使用。
在软件开发方面，作为GIS 市场的领头雁Autodesk、ESRI 和Intergraph 三大公司为Mobile GIS技术做出了极大的贡献。Autodesk 公司开发Autodesk OnSite 的“移动访问”模块。ESRI研制了ArcGIS 软件产品—ArcPad。而Intergraph建立自己的移动GIS解决方案—IntelliWhere。这些软件极大方便了Mobile GIS个人导航系统的开发。
国内研究进展
在硬件方面，国内的硬件技术很不成熟，相关导航产品的结构设计、生产已接近国际水平，硬件差距较大，绝大多数产品尚未达到工业级技术标准。同时这几年，所有的自主导航仪的硬件几乎是清一色的日本货，全是丰田、索尼、日立和先锋等名牌产品。
在应用系统开发方面，从1981年到1985年，完成了技术引进、数据规范和标准的研究、空间数据库的建立、数据处理和分析算法及应用软件的开发等环节，对GIS进行了理论探索和区域性的实验研究。从1986年到现在，我国GIS的研
究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室。
在软件开发方面，在科技部等国家有关部门的大力组织和支持下，国产GIS 基础软件开发工作取得了重要进展，出现了一批GIS高技术企业，开发出了较为成熟的国产GIS软件，如MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap、MapEngine、GROW等，并形成了一定的产业规模，同时一些导航系统软件也逐步出现，例如灵图的天行者，MAPKING、LEADSTAR、领路人等，打破了国外GIS软件对我国市场的垄断，有力促进了我国地理信息系统技术和自主导航技术的发展。
在地图数据方面，经过了20年的努力，国家测绘局与其他相关部门协作完成了全国l：100万、1：25万基础地理空间数据库以及全国七大江河数字地形模型的建设，并启动了全国l：5万，部分省份1：1万基础地理空间数据库的建设。这些基础数据有力促进了GIS技术的广泛应用。与此同时，一些车载导航电子地图开发也开始慢慢进入正轨，如北京灵图的天行者地图其精度较高，地图范围覆盖面较广，受到用户喜爱；凯利德地图软件也受到国内认可和欢迎。
3本文的研究内容以及总体框架
本文主要研究内容是以shapefile地图数据格式作为电子地图数据，在多线程条件下实现串口接收GPS信息，在电子地图上实时显示当前地理位置，实现实时导航定位功能，仅为以后在该方面上的开发提供初步基础。
本次设计的总体框架是：首先概述电子地图的特点、分类以及发展过程，接下来叙述GPS导航定位、测时、测速的基本原理，然后则结合程序代码详细阐述GPS导航定位程序的设计总体思路，并阐述了在程序设计总体思路下对GPS 导航定位程序功能的实现，最后总结了程序设计过程体会和经验，并分析程序存在的不足与缺陷。
第1章电子地图概述
1.1电子地图的特点
电子地图是随着计算机技术的发展而产生的一种崭新的地理信息载体，它脱胎于地图，将地图以数字的方式存储、呈现，并只能在电脑中才能使用。它具有显示、传输和分析的功能，可以提供比传统地图更佳的呈现方式，如放大、缩小、漫游、搜索以及路径规划。
常规的纸质地图强调的是数据载体、符号化和显示，它是电子地图发展的根源之一，而电子地图则侧重于分析，所以后者其表现方式也比前者要强大的多，具有许多独特的优点。这些优点包括：
1、信息丰富、信息量大
电子地图可包括图形、图像、文档、统计数据等多种形式，不仅可以存储二维平面图形，还可以保存三维影像，也可以与视频、音频信息相连，数据类型与数据量的可扩展性比较强 , 电子地图使用数字存储介质，该介质容量可以很大，例如一张光盘很容易存放几百张地图。而纸质地图只能存储基本的二维地形、地物要素，并且由于地图纸张、篇幅大小的限制，大部分的细部要素被综合取舍，所以其所能存储信息容量是非常有限的。
2、使用非常灵活、方便
电子地图一般以图层为单位组织数据，图层则一般按地图要素分别显示，这样每层显示一个要素（比如，一层显示街区，一层显示水系，一层显示绿地，一层显示道路等等），各图层可单独显示，也可多层组合叠层显示，从而达到一些纸质地图无法达到的效果。比如，在地区/政区图层上加载人口统计图层，可分析不同街区、不同地区的人口分布状况。而两张不同要素的纸张地图则不能简单的叠加，使用起来也比较不方便。
3、集成了声音、图文和数字多媒体
把图形的直观性、数字的准确性、声音的引导性和亲切感相结合，充分调用了使用者的各种感官，这是传统地图所无法比拟的。
4、地图数据更新快速
电子地图显示的数据都存储在数据库中，随着计算机技术的不断发展，数据库的更新越来越快，相应的电子地图就可以以最新的数据进行显示，它的数据更新周期要比纸质地图短的多。
5、功能非常强大
电子地图使用了计算机工具，可以非常方便的进行地图的各种计算、统计和分析，可以进行动态模拟，便于定性与定量分析，具有较强的灵活性。查询检索和分析功能能够支持从地图图形到属性数据和从属性数据到图形数据的双向检索；图形动态变化功能从开窗缩放、浏览阅读等基本功能到底图动画功能、多维动画图形模拟等；多级比例尺之间互相转换，可以将屏幕显示地图内容与当前比例完美的匹配，自动的对地图内容进行与比例尺相适应的取舍或综合。
6、交互性十分强
电子地图能提供给用户较强的交互能力，如用户可对地图进行任意的放大、缩小、漫游、要素选取、要素渲染、对象标注等等。比如，用户可以自己感兴趣
的地点进行标注，甚至可以进行编辑，来满足用户的不同要求。
1.2电子地图的分类
电子地图的分类有很多，按照电子地图的功能和数据结构的不同可为以下几种：
1.2.1阅读型电子地图
主要为单一的地图显示和阅读，该类型电子地图是把已制作的模拟地图通过扫描数字化作为图像数据存储，使用栅格数据模型表达地图图形。阅读型电子地图一般属于早期的产品，主要由于没有建立空间信息数据库，或者没有数字地图可利用，但又急于提供使用，该类型电子地图不能用于查询分析，但可在计算机屏幕上阅读。如数字化电子地图等。
1.2.2交互型电子地图
交互型的电子地图是具有多种功能高级型的电子地图，交互型电子地图是在地图矢量数据库和软硬件资源支持下，能实现对电子地图各种操作，例如显示阅读、属性查询、空间检索分析，输出硬拷贝等。交互型的电子地图是当前主要研究方向之一，在数据组织管理、功能操作、用户界面友好等诸多方面，体现了电子地图技术水平。现今，大部分车载导航电子地图、个人电子地图、地区电子地图等都是交互型的电子地图产品。
1.2.3网络型电子地图
网络型电子地图是在Internet或局域网络环境中使用的电子地图。近年来，新计算机技术不断运用到Web中，其中，传统地图与Web结合造就的网络型电子地图就是一种建设性的结合。GIS、格栅、VR也应用在网络型电子地图，使之从最初的“无缝”图片发展成二维、三维等真正的电子地图。
在二维电子地图方面：目前国内比较有代表性是有北京图为先公司开发的https://www.doczj.com/doc/1d7561060.html,平台，北京灵图公司开发的https://www.doczj.com/doc/1d7561060.html,平台，还有就是以Google为代表的运用了美国卫星航拍技术的https://www.doczj.com/doc/1d7561060.html,平台。
在三维电子地图方面：具有代表性是2005年Google在https://www.doczj.com/doc/1d7561060.html,上
推出的新产品：Google Earth。还有该领域的后起之秀：杭州阿拉丁信息科技有限公司开发的https://www.doczj.com/doc/1d7561060.html,平台。
1.3电子地图系统的发展
对电子地图系统的研究伴随着整个空间信息科学（其中包括互联网、GPS,遥感、多维可视化技术的进展）的发展而不断扩展和深人，主要表现在以下方面：
1.3.1面向对象的电子地图模型
电子地图除了地图图层基本组成外，还要包括一系列功能函数，以完成符号化生成、图形编辑、地图整饰、地图内容检索、空间分析等任务，这样地图类及其功能函数组成了电子地图概念模型。
1.3.2建立电子地图图层创作模版
图层创作“模板”是对不同地图图型设计的规格，其中最重要的是将空间和属性数据转化为地图图形的可视化方法和符号化参数的设置。在研发的系统中给出了通用地图符号库和专题地图符号模型及符号梯尺模型等工具，可以建立多种地图图层创作“模板”，制作各种类型电子地图。
1.3.3电子地图设计研究
电子地图创作，在数据和软硬件技术资源支撑下，决定其质量的关键是电子地图设计。设计中，需要考虑的因素很多，首先要解决的问题是已建立的空间信息的无缝数据文件，其海量数据的图形显示同屏幕尺寸和分辨率之间的矛盾；然后是在同一主导数据库的支撑下，进行多级比例尺地图显示的综合。对于计算机相对有限的存储能力和有限的屏幕显示的矛盾解决，要充分利用系统中多种方式的地图检索、开窗放大、多向漫游、导航视图以及多窗口设置等手段来解决地图阅读。因此精心设计和方便操作，对提高读者的视觉感受和读图效果是大有帮助的。
第2章 GPS 导航定位原理概述
2.1GPS 卫星导航定位原理
导航是一个技术门类的总称，它是引导飞机、船舶、车辆以及个人（总称作运载体）安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地的一种手段。GPS 导航是广义的GPS 动态定位，其定位方法主要有以下几种：
2.1.1单点动态定位
单点动态定位的基本方程为：
2221/2[()()()]j j j j u u u X X Y Y Z Z d r =-+-+-+ 2-1 式中，,,u u u X Y Z 为动态用户在k t 时刻的瞬时位置；j X j j 、Y 、Z 是第j 颗GPS 卫星在其运行轨道上的瞬时位置，它可根据广播星历计算；j r 为码接收机
所测得的GPS 信号接收天线和第j 颗GPS 卫星之间的距离，即站星距离； d 是由于接收机时钟误差的因素所引起的站星距离偏差。
利用（3-1）式解算各个坐标分量的修正值，即给定用户三维坐标的初始值（0u X ，0u Y ，0u Z ），求解三维坐标的改正值（u dX ，u dY ，u dZ ）和距离偏差d 。
2.1.2伪距差分动态定位
所谓差分动态定位（DGPS ）就是用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS 卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户的精确位置。
由式（3-1）可知基准站测得至GPS 卫星j 的伪距为：
'12()j j j j j j r r r s r r r c d d d r r t t r dr dr =+-+++ 2-2
式中，'j r r 为基准站和第j 颗GPS 卫星之间的真实距离；j r r 是GPS 卫星星历误差所引起的距离偏差；r d t 为接收机时钟相对于GPS 时间系统的偏差；j
s d t 是第J 颗GPS 卫星时钟相对GPS 时间系统的偏差；
j r d r 为电离层时延所引去的距离偏差；1j r dr 是对对流层时延所引去的距离偏差；2j r dr 为电磁波的传播速度。
2.1.3动态载波相位差分测量
由载波相位观测方程得出动态差分方程：
00000001001
{[()(/)][()(/)]}{[()(/)][()(/)]}(/)()(/)()j j j j j j j j i i
i i i r r r r t j j j j j j j j i i i i i r r r r t j j j j i i t i i t f c T f c Tr f c T f c Tr f c f c j j r r j j r r j j r r j j r r r r r r D -D +--D -D +--D -D +--D -D +-=-D -D +D -D 2-3
当动态用户和基准站都同时观测了4颗相同GPS 卫星时，则可解算在t 时刻动态用户位置估计值的改正数，从而实现动态载波相位测量的目的。
2.2 GPS 卫星测速原理
尽管载体的运行速度各不一样，且不是匀速运动，但是，只要在这些运动物体上安设GPS 信号接收机，就可以在进行动态定位的同时，实时地测得它们的运行速度。依式（3-1）可知，用户天线和GPS 卫星之间的距离：
2221/212[()()()]()j j j j j j u u u r r r r X X Y Y Z Z c d d r t t dr dr =-+-+-+-+- 2-4
根据物理学关于线速度的定义，则对式（3-4）进行求导，得到动态用户的三维速度表达式：
'...........12[()()()()()()]/()j j j j j j u u u u u u j
j j j r r r X X X X Y Y Y Y Z Z Z Z c d d s r r t t dr dr =--+--+---++ 2-5
式中，站星距离
2221/2[()()()]j j j j u u u X X Y Y Y Y r =-+-+- 2-6 由于.r d t 、.d s t 、..
12j j r r dr dr +三者的值很小，可忽略不计。则在进行测速之前，先使动态接收机处于静止状态，此时有： .u X =.u Y =.u Z =0 2-7
可按式（3-4）解算出卫星的三维速度，随即进行动态用户的速度测量。 2.3 GPS 卫星测时原理
GPS 卫星都安装有四台原子时钟 ，导航定位时受到美国海军天文台（USNO ）经常性的监测。GPS 系统得地面主控站能够以优于5ns 的精度，使GPS 时间和世界协调时UTC 之差保持在1m s 以内。因此，GPS 卫星可以成为一种全球性的用户无限的时间信号源，用以进行精确的时间比对。
利用GPS 信号进行时间传递，一般采用下列两种方法：
2.3.1一站单机定时法
即在一个已知位置测站上，用一台GPS 信号接收机观测一颗GPS 卫星，从而测定用户时钟的偏差。可解算得到用户时钟偏差为：
'U S a d d t T t t T t D =-+D - 2-8
上式即为一站单机的定时方程式。
2.3.2共视比对定时法
即在两个测站上各安设一台GPS 信号接收机，在相同 的时间内，观测同一颗GPS 卫星，而测定用户时钟的偏差。依（3-8）可知，A 、B 两个测站所测的用户时钟偏差分别为：
{
'11111'22222U S a d d t U S a d d t T t t T T t t T t t D =-+D -D =-+D - 2-9 通过数据传输而将测站A 的用户钟差送到B ，得到两个用户的钟差 ..
212212121()()()U
U U
d d a a a d d T T T t t t t d t t =D -D =----- 3-10 上式中消除GPS 卫星的时钟偏差S
t T D ；实际传播时间21,d d t t 是依据测站位
置和卫星位置而求得 {
1122t d d ds t d d ds t T t t T t =+D =+D 3-11 因此共视用户的钟差： ..212121()()()U t t d d a d d T t t T T d t t =----- 3-12
第3章 基于电子地图的GPS 导航定位程序的设计
3.1 程序设计概述
从一般导航系统软件设计上看，基于GIS 的GPS 导航系统软件是GPS 定位导航系统中重要组成部分，这些系统将GPS 和GIS 的主要功能即GPS 数据接收、处理，数字地图显示、查询及地图匹配功能融合在一起。而这些功能按照模块化设计（即组件式或类模块式）方式将所有功能进行有序、合理组织起来，实现导航系统的复杂功能，而每个模块完成独立的功能。数字电子地图制作是软件设计的一部分，单独进行实现，然后将地图在软件中使用。
本次论文所设计的程序是在VC6.0环境下从底层设计功能性类模块（如串口接收GPS 数据信息类、从NMEA0183语句中提取相关信息类等），并对程序功能进行类模块封装，并有序组合这些类模块，完成GPS 导航定位的一般功能。在电子地图制作方面，采用shapefile 矢量数据为电子地图数据格式，根据shapefile 数据格式，自行设计各种类来读取、管理shapefile 矢量数据，并在视图上显示。最后将shapefile 地图数据加载到程序中，总体上实现在电子地图上的GPS 实时导航定位功能。图1为程序设计总体功能框架：
图1 程序设计总体功能框架图 地图数据读取功能 GPS 导航定位程序
多线程串口读取GPS 数据功能
GPS 数据提取功能
卫星天空视图功能
地图操作功能