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基于嵌入式LINUX的GPS导航系统的研究与实现

作　者: 周念东
导　师: 胡晨
学　校: 东南大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: GPS 坐标系转换 个人导航系统 Qt/Embedded 地图投影
分类号: P228.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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引　用: 1次
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内容摘要


随着GPS系统在包括道路测控、汽车导航、交通管理、石油勘探、海上作业和紧急救援等军事和民用的众多领域中的应用和发展,GPS系统的影响也越来越广泛。另一方面,不断发展的嵌入式操作系统促使移动计算技术在手持设备中也得到广泛的应用,以掌上电脑(PDA)为代表的移动式计算系统日益普及,在手持式设备中实现GPS移动导航功能具有良好的市场前景。本课题选择Linux为嵌入式操作系统,并采用Trolltech公司Qt/Embedded为应用程序开发平台,研究应用于手持终端设备的GPS导航系统的实现方案,开发具有自主知识产权的导航系统。坐标系统转换和地图投影是GPS导航系统中的核心技术。本文首先分析GPS系统中地理坐标系统的定义和坐标转换基本原理,从大地坐标系、空间直角坐标系以及国家当地坐标系的概念入手,研究大地地心坐标系与空间直角坐标系以及当地国家坐标系的关系,并研究从大地地心坐标系转换为国家当地坐标系的转换算法,研究地心坐标系到平面直角坐标系的转换方法,并推导了相应的转换公式。在我国导航系统中应用上述转换算法,实现WGS-84坐标系到北京54坐标系或西安80坐标系的转换,利用高斯正形投影算法实现地图投影,减小投影变形。研究横轴墨卡托投影、兰勃特投影以及线性投影等其它坐标投影方式,实现地理经纬度坐标到平面直角坐标的转换,支持多比例尺地图。通过GPS数据接收装置,检测卫星状态并获取地理信息,研究如何快速有效的获取可用于定位的坐标信息的数据处理方法。根据设备体积小、功耗低、人机界面简单易用以及运行稳定、操作简单、处理速度快的系统要求,选择Intel Xscale系列应用处理器PXA255作为处理器平台,构建系统硬件平台。选择Open Source的Arm Linux作为嵌入式操作系统以及选择Qt/Embedded为GUI平台,搭建了软件开发环境,完成了Arm Linux的系统移植,并实现了TIMB-E010-2 GPS模块的设备驱动,设计和实现了GPSD数据通信模块,改善了GPS数据接收与GPS导航应用之间的数据通信接口。根据坐标系转换以及地图投影算法的研究成果,使用C和C++语言采用面向对象编程技术进行了程序编码,实现了定位、导航、轨迹显示/地图下载和设置等功能。本文最后给出了目标系统的实验结果,并分析了系统设计中的一些不足,提出了在以后工作中改进系统性能的设想。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
序言  8-10
  1. 课题研究背景  8
  2. 课题主要研究方向  8-9
  3. 论文结构  9-10
第一章 绪论  10-15
  1.1 卫星导航系统  10-11
    1.1.1 美国全球定位GPS 系统  10
    1.1.2 欧洲伽利略Galileo 系统  10-11
    1.1.3 俄罗斯GLONASS 系统  11
  1.2 GPS 全球定位系统  11-15
    1.2.1 GPS 概念  11-12
    1.2.2 GPS 系统特点  12-13
    1.2.3 GPS 应用前景  13-15
第二章 坐标系统转换与地图投影  15-26
  2.1 基本概念  15-19
    2.1.1 大地坐标系与空间直角坐标系  15-16
    2.1.2 WGS-84 坐标系与国家当地坐标系  16-17
    2.1.3 地图投影与高斯投影  17-19
  2.2 坐标系转换算法研究  19-22
    2.2.1 大地坐标系与直角坐标系的转换算法  19-20
    2.2.2 空间直角坐标系之间的转换算法  20-21
    2.2.3 平面坐标系之间的转换算法  21-22
  2.3 高斯-克吕格投影  22-23
  2.4 坐标系转换的应用  23-26
第三章 嵌入式系统软件平台搭建  26-33
  3.1 嵌入式Linux 操作系统  26
  3.2 基于Qte 的嵌入式GUI 系统  26-28
    3.2.1 嵌入式GUI 系统  27
    3.2.2 嵌入式Qt 的特点  27-28
  3.3 软件平台的构建  28-33
    3.3.1 编译环境的建立  28-30
    3.3.2 Arm Linux 配置与编译  30-31
    3.3.3 Qt/Embedded GUI 平台  31-33
第四章 GPS导航系统的设计与实现  33-65
  4.1 硬件设计  33-37
    4.1.1 Xscale 微处理器  33-34
    4.1.2 TIM GPS 模块简介  34-36
    4.1.3 硬件系统构架设计  36-37
  4.2 GPSD 通信模块设计和实现  37-45
    4.2.1 GPSD 设计需求  38
    4.2.2 GPSD 构架和数据接口  38-41
    4.2.3 GPSD 编程实现  41-45
  4.3 GPS 导航应用的设计和实现  45-60
    4.3.1 GpsApp 主模块  46-48
    4.3.2 GPS 数据客户端  48-51
    4.3.3 坐标系转换与投影  51-58
    4.3.4 地图处理和显示  58-60
  4.4 GPS 应用程序人机界面  60-65
第五章 数据验证和性能分析  65-68
  5.1 GPSD 验证和数据测试  65-67
  5.2 GpsApp 导航性能分析  67-68
第六章 总结与展望  68-69
致谢  69-70
参考文献  70-71
附录1 NMEA-0183数据格式  71-73
附录2 Ellipsoid椭球体参数  73-74
在学期间发表论文清单  74

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 测绘学 > 大地测量学 > 卫星大地测量与空间大地测量 > 全球定位系统（GPS）
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