GPS定位信息在电子地图实时显示

摘要

　　近年来,随着科学技术的快速发展,GPS、GIS、电子地图等技术日益成熟并且开始紧密结合起来,这就促使了GPS/GIS导航服务业的产生。在这个背景下,GPS/GIS导航电子地图的应用研究成为了许多科研工作者关注的焦点,也成为了许多公司和企业日益竞争的领域。GPS/GIS导航电子地图的应用研究日益深入,目前国内外的学者在GPS车载定位导航和个人手机导航方面都做了深入的研究,简单来说,GPS提供快速的定位信息,然后结合导航电子地图给用户提供丰富全面的地理信息如:交通路线选择、路况信息、相关的公共服务设施等。在这方面,国外的应用技术都己经相对成熟,而国内由于技术、经济等原因,尚处于初级发展阶段,因此具有很大的市场潜力,研究意义十分重大。

　　本文在参阅大量国内外相关文献资料的基础上,结合GPS定位导航的实际应用,从GPS导航电子地图的研究及应用现状出发,阐述了本课题研究意义。论文介绍了GPS系统的工作原理和组成,并对定位数据坐标系变换的相关问题进行了深入的探讨。论述了Maplnfo地理信息软件的三种开发模式,并详尽阐述了本课题用到的基于M叩X组件的开发模式。接着,在详细的分析了导航电子地图的数据结构和组织结构后,针对哈尔滨的部分地区进行了导航电子地图的设计和制作,并对制作好的电子地图的图层控制和管理进行了细致的分析。本文对要开发的GPS导航电子地图系统进行了总体模块的设计,并说明了该软件要实现的主要功能。在vc++6.0环境下基于MaPX控件和MSC0mm控件实现了该软件系统的功能,主要包括电子地图的GIS功能如缩放、漫游、图层控制、折线距离计算等和GPS定位功能,实现了GPS定位信息在电子地图上的实时显示。

　　为了提高GPS导航电子地图系统的定位精度,分析了传统的垂直投影匹配算法,并在此基础上对其进行了改进,阐述了改进后的垂直投影匹配算法的原理,在综合了以上情况后,提出了一种几何和算术相结合的地图匹配算法,并进行了仿真实验,证明了的确能够极大的提高GPS导航定位系统的精度。

　　最后,总结了本文所做的工作,分析了论文中存在的问题及需要完善的地方。

　　关键词：GPS,GIS,电子地图,Mapx,MSComm,地图匹配;

ABSTRACT

　　In recent years, with the rapid development of science and technology, GPS、GIS. electronic map and other technologies become more sophisticated and began to work closely together, which prompted the GPS/GIS navigation services production. In this context, GPS /GIS application of navigation electronic map has become the focus of many researchers, but also a number of companies and enterprises become increasingly competitive in this field.

　　GPS/GIS application of navigation electronic map becomes more deeply, and scholars at home and abroad in GPS car navigation and personal mobile navigation has done a study, in simple terms, GPS provides fast positioning information, and then combined with navigation electronic map to provide users with a comprehensive set of geographic information such as:

　　traffic routing, traffic information, related public service facilities. In this regard, foreign technology and applications have been relatively mature, and domestic due to technical, economic and other reasons, is still in the initial stages of development, it has great market potential, research is of great significance.

　　In this paper, referring to the large number of domestic and foreign on the basis of relevant literature, combined with GPS positioning and navigation of the actual application, from the GPS navigation map of the study and application of current situation, it describes the significance of this research. Next, it introduces the GPS system works and composition, and location data related to coordinate system transformation conducted in-depth discussion. Then the three types of MapInfo GIS software development model is described, and used this topic MapX component-based development model, in the detailed analysis of the navigation map data structure and the organizational structure for Harbin some areas of the navigation electronic map design and production, and production of good electronic map layer control and management conducted a detailed analysis. Next, on to develop the GPS navigation map system of the overall module design, and it describes the software to achieve the main function. Then in VC++6.0 environment based on MapX control and MSComm control it implements a software system functions, including functions such as GIS electronic map scale, roaming, layer control, line distance calculation, and GPS positioning capability to enable a GPS positioning Information on the electronic map in real time.

　　In order to improve positioning accuracy of the GPS navigation map system, analysis of the traditional vertical projection matching algorithm is’ given, and being improved on the basis of it. The improved vertical projection matching algorithm theory is given, after the combination algorithm is of  the  above,  a  combination  of  geometric  and  arithmetic  map-matching given, and simulation experiments show it can indeed greatly improve the accuracy of GPS navigation and positioning system.Finally, this paper summarizes the work done and analyzes the problems of the paper and what to be perfected.

　　Key Words:  GPS, GIS, electronic map, MapX, MSComm, map matching;

　　导航最早在航海领域进行应用，目的是指引船只在大海中安全航行。中国早在先秦时期就发明了司南，宋朝时期发明了指南针，这是人类在导航方面的最初探索。在近代工业革命后，随着汽车、导弹、火箭等的发明，导航开始在更广阔的领域发挥它的作用。于此同时，人们对导航的精度以及导航内容的丰富性提出了更高的要求。

　　电子地图的产生是由于在计算机与地图学相互结合和发展。从狭义上讲，电子地图是在计算机屏幕上可视化的地图。广义上讲，电子地图是在计算机环境中可以操作使用的地图。电子地图有着纸质地图无法比拟的优势，这是因为它在保存、显示以及大小缩放、图层控制等方面十分方便。电子地图有着广泛的应用范围，现在基本上己经渗透到国民经济的各个行业。例如，在政府管理城市方面，可以从宏观上对各个区域的数字化信息进行分析，从而做出更有科学依据的决策;在土地规划方面，可以通过对电子地图的数据分析更好的实现土地管理;在管理公共设施方面，可以进行综合的规划设计，使得他们之间达到和谐，实现最优资源分配;另外在ITS(Intelligent Transportation System)方面的应用，通过电子地图与GPS的结合对车辆进行调度和集中管理，可以缓解道路阻塞、减少交通事故等。随着计算机软硬件技术的迅猛发展，电子地图领域也得到了快速的发展，逐渐形成以电子地图为媒介，以信息科学为基础的GIS(Geographic Information System)地理信息系统，它是一门介于信息科学、空间科学和地球科学之间的交叉学科，是分析与处理海量地理数据的通用技术。它在近30多年来取得了飞速的发展，并在地球资源和环境有关的学科中得到了广泛的应用。

　　世界上的任何事物都和空间位置有关。地理信息系统作为存取、分析和处理地理空间数据的前言学科，在最近十几年得到了飞速的发展。由于数字时代的到来，GIS的使用范围得到的极大的提高。从技术角度来说，GIS是解决空间问题的工具;从学科的角度来说，GIS是在地图学、信息学、测绘学和计算机科学等学科的基础上发展而来的;从功能的角度来说，GIS可以对一空间数据进行存取、显示、管理、分析等功能;从系统学的角度来说，GIS的结构和功能很完备，是一个完整的有机体。

　　从应用方面上来说，硬件、软件、数据、方法和人员五部分共同构成了地理信息系统。硬件和软件是地理信息系统构成的基础;数据是GIS的核心内容;方法是GIS提供的解决地理信息问题的方案;人员是地理信息系统中能动的因素，直接决定着其它几个组成部分 a GIS软件的选取，对其它软件的选择有重要影响，同时既影响了系统处理方案，也对系统建设周期有重要影响。

　　GPS(Global Positioning System)，即全球定位系统，其中文简称为“球位系”， GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。随着GPS的出现，导航定位领域进入了一个新的时代。在车载导航方面，用户只需要一个GPS接收机就可以完成车辆的导航工作，不用去考虑GPS系统的复杂结构，而且随着目前GPS接收机品种越来越多，其价格也越来越被普通用户接受，现在大多数车辆均配有GPS导航系统。伴随着GIS的发展，GPS定位的快速准确性与GIS系统对电子地图的强大处理能力使得导航系统的功能得到了极大的提高。

　　随着经济的快速发展，汽车的数量与日俱增，城市交通问题越来越成为阻碍一个城市发展的瓶颈。因此在这种情况下结合通信、控制、GIS, GPS技术，ITS(IntelligentTransportation System)智能交通系统产生了。ITS的核心内容就是GPS导航定位问题。

　　在国外的发达国家中，GPS导航系统在人们的生活中早已经十分普及，甚至成为了车辆出行的必需品。从第一个GPS商用产品在九十年代初出现到现在，GPS产品的价格从过去的十几万美元下降到现在的几百美元，其重量也从45千克下降为 100克。目前全球GPS导航产品的制造商已经有上百家。

　　随着GPS产品应用范围的持续拓展，在无线通信终端市场，GPS产品正在成为一项越来越重要的产品，这主要是由于车载导航系统和GPS无线通信产品的日益普及。根据市场研究公司ABI的报告1101，从2001年到2005年，这两类产品在GPS市场的比重从38.7%增长到了53.6%。

　　不管是GPS通信方面的应用产品还是车载导航系统方面的产品，主要的应用市场均在美国、欧洲、日本三个地区。例如车载导航系统，随着智能运输系统的日益成熟和消费电子技术的快速发展，使得日本的汽车导航系统普及率和市场成为目前全球最高的国家。

　　在国外，GPS/GIS系统在智能交通系统中的开始了广泛的应用，尤其在交通协调管理方面显示出了巨大作用。在ITS开展较早的国家中，日本算是典型。在1971年，日本开始了CACS(Comprehensive Automobile Traffic Control System)计划。到1975年，日本就已经完成了CACS系统。20世纪末的十年间，日本先后完成了道路自动通信系统(Road Automobile Communication Systems)、高级移动交通信息控制系统(Advanced Mobile Traffic Information and Communication Systems)、融合交通信息系统(Integrated Traffic control systems)等方面的一系列研究工作。道路车辆交通智能协会与1994年创建，道路交通信息系统与1995年成立，日本各道路交通相关部门共同发起了智能交通系统共同促进规划。

　　在欧洲，70年代末期，英、德等国先后研究了自己国家适用的系统，但是各国的导航系统互相独立无关联，这对道路车辆和车辆交通管理带来了不便。于是，1986年欧洲19个国家的的相关组织开始了一项称作“尤里卡”的联合研究规划，目的是将欧洲各国联合起来，建立横跨欧洲大陆的智能化道路系统。

　　在美国，ITS的研究工作也开展的十分早。20世纪70年代初，美国公路委员会提出了电子道路诱导系统，它是通过无线导航的方式对车辆进行引导，用于调控和指挥交通。1989年美国公路局形成了一套完成计划文件，用以引导政府来支持IVHS方面的研究。1991年美国国会指定了综合地面运输效率方案，在1994年，IVHS正式更名为ITS其目的是从根本上解决和减少交通中的出现的各种问题，实现“公路交通智能化”1995年，美国制定了“国家智能交通系统项目规划”，从法律上规定了智能交通系统的7大领域和30个用户服务功能。美国交通委员会估计，实施ITS计划后，每年将减少120万起的交通肇事事件，挽救几万人的生命，节省因交通堵塞和事故所造成的损失250亿美元。

　　在中国，上世纪90年代初GPS卫星导航定位技术被引进，目前主要在大地测量、车辆定位监控等领域应用。在GPS全球应用范围内，比重最大的是汽车导航方面，约占目前总数一半。GPS车载导航市场在1996-1997年间进行了整合与测试。公安和金融行业等部门通过其专用的GPS通信系统，在全国省会城市创建公安交通车辆导航跟踪系统。1998年开始，GPS导航电子地图系统的市场开始快速增长。伴随我国GSM通信基础设施的全国普及，通过采用GSM公众网的短信息服务突破了系统瓶颈问题一一通信网络，这对GPS导航系统的快速发展有着十分重要的意义。经过十几年的快速发展，我国导航用户设备市场化的条件开始成熟，正在逐步形成大规模的需求用户，GPS导航系统的市场已进入高需求时期。目前在手机GPS定位领域，运营商开始针对GPS手机提供定位信息的服务。随着我国经济的快速发展，GPS导航定位功能在手机领域在将会有十分巨大的市场发展空间，几年之后甚至将超越GPS在车载导航方面应用，成为GPS导航的最大应用领域。

GPS定位信息在电子地图实时显示：

标准的MFC应用程序基本框架

添加MapX控件

程序菜单栏的创建

主程序框架生成后产生的类

电子地图的加载界面

原始电子地图

添加放大工具命令响应函数

放大后的电子地图

缩小后的电子地图

漫游后的电子地图

图层控制界面

目录

　　第1章 绪论
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 国内外发展状况
　　　　1.3 选题的背景和意义
　　　　1.4 本论文主要内容及章节安排
　　第2章 GPS组成原理及导航电子地图的制作
　　　　2.1 GPS工作原理
　　　　　　2.1.1 测边交会法
　　　　　　2.1.2 双曲线定位
　　　　　　2.1.3 多普勒定位
　　　　2.2 GPS系统组成和定位流程
　　　　　　2.2.1 GPS系统组成
　　　　　　2.2.2 GPS接收器定位流程
　　　　2.3 坐标系介绍及坐标转换问题
　　　　　　2.3.1 坐标系介绍
　　　　　　2.3.2 关于定位数据坐标转换的问题
　　　　2.4 导航电子地图的制作
　　　　　　2.4.1 Mapinfo产品及其开发模式简介
　　　　　　2.4.2 导航电子地图的数据组成及组织结构
　　　　　　2.4.3 导航电子地图的制作
　　　　　　2.4.5 导航电子地图的图层控制与管理
　　　　2.5 本章小结
　　第3章 GPS导航电子地图的软件系统设计
　　　　3.1 系统开发环境概述
　　　　　　3.1.1 硬件环境
　　　　　　3.1.2 软件环境
　　　　3.2 系统设计的总体规划
　　　　　　3.2.1 系统的总体框架
　　　　　　3.2.2 系统的模块结构
　　　　　　3.2.3 软件系统主要功能
　　　　3.3 本章小结
　　第4章 VC环境下基于MapX和MS Comm控件的GPS导航系统的实现
　　　　4.1 基于MFC的软件界面设计
　　　　　　4.1.1 VC6.0的特点
　　　　　　4.1.2 VC应用程序的设计方法
　　　　　　4.1.3 应用程序框架生成及控件的创建
　　　　4.2 基于MapX控件的基本GIS功能的实现
　　　　　　4.2.1 MapX控件的介绍
　　　　　　4.2.2 电子地图基本GIS功能的实现
　　　　4.3 基于MSComm控件的VC串口通信模块的实现
　　　　　　4.3.1 串行通信的一般步骤
　　　　　　4.3.2 MSComm控件介绍
　　　　　　4.3.3 利用MSComm控件实现串口通信
　　　　4.4 GPS数据处理模块的实现
　　　　　　4.4.1 GPS导航数据的格式
　　　　　　4.4.2 GPS导航数据的提取
　　　　　　4.4.3 定位数据在电子地图上的实时显示
　　　　4.5 本章小结
　　第5章 GPS数据与电子地图数据匹配算法的研究
　　　　5.1 地图匹配的基本原理和算法
　　　　　　5.1.1 地图匹配的基本原理
　　　　　　5.1.2 传统的垂直投影匹配算法
　　　　5.2 改进的垂直投影匹配算法
　　　　5.3 一种凡何与算术相结合的地图匹配算法
　　　　5.4 本章小结
　　结论
　　参考文献
　　攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
　　致谢

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