基于虛擬儀器技術(shù)的GPS信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

張亞莉+吳澤濤+張智剛

摘要：針對采用本文編程語言開發(fā)GPS定位信息采集系統(tǒng)存在的問題，在分析NMEA-0183協(xié)議的基礎(chǔ)上，探討了GPS信息采集與解析的關(guān)鍵技術(shù)與方法，利用LabVIEW軟件開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的GPS信號采集系統(tǒng)。本研究設(shè)計(jì)的GPS信息采集系統(tǒng)根據(jù)GPS設(shè)備與PC間串行通信的技術(shù)優(yōu)勢，使用LabVIEW軟件實(shí)時(shí)采集GPS接收機(jī)輸出的定位信息，并在電子地圖上實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和形象地顯示出來。系統(tǒng)還可將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行保存用于后續(xù)進(jìn)一步分析。實(shí)地試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的GPS信息采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集GPS定位信息并顯示其運(yùn)動軌跡。本設(shè)計(jì)對GPS 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等提供了參考，也可作為定位結(jié)果優(yōu)化處理提供良好的數(shù)據(jù)源支持。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；GPS；LabVIEW；采集系統(tǒng)

中圖分類號： TP311 .1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0415-04

目前，已經(jīng)投入運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)有美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）和俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS），正在建設(shè)的有歐洲的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GALILEO）和中國的北斗全球定位系統(tǒng)[1-2]。其中美國的GPS系統(tǒng)是迄今最成熟的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，以GPS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)品逐漸成為現(xiàn)代社會信息來源的重要工具[3]。國際上廣泛使用的GPS定位數(shù)據(jù)處理軟件有：美國麻省理工學(xué)院（MIT）和加州大學(xué)圣地亞哥分校Scripps海洋研究所（SIO）研制的GAMIT/GLOBK，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制的GIPSY/OASIS軟件和瑞士BERNE大學(xué)研制的Bernese軟件[4]。這些GPS數(shù)據(jù)處理軟件的研發(fā)大多數(shù)是基于VC++等傳統(tǒng)文本編程語言開發(fā)的，但采用傳統(tǒng)文本編程語言開發(fā)需要熟練掌握復(fù)雜的編程語言，編程過程中需要考慮傳統(tǒng)編程語言的許多句法細(xì)節(jié)，同時(shí)文本編程語言不夠直觀、易懂。GPS信息采集系統(tǒng)需要人機(jī)界面，而文本編程語言的人機(jī)界面開發(fā)功能并不十分強(qiáng)大，且相對較為復(fù)雜。

虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，它充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，在計(jì)算機(jī)及其周邊硬件的支持下，利用系統(tǒng)軟件完成對數(shù)據(jù)的采集、控制、分析以及處理等多種功能[5-6]。目前最有影響力和發(fā)展前景的虛擬儀器編程語言是美國一家儀器（NI）公司設(shè)計(jì)的LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）和Labwindows/CVI（C for Virtual Instruments）。它被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室廣泛接受，被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[7]。LabVIEW 作為一種開放型模塊化的程序設(shè)計(jì)語言，采用G語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)出它在語言程序設(shè)計(jì)上的諸多優(yōu)勢，即具有功能強(qiáng)大的用戶界面、使用圖形編程方法來設(shè)計(jì)圖形程序、使用數(shù)據(jù)流編程，具有可獨(dú)立運(yùn)行的應(yīng)用程序、可充分提高用戶的效率、節(jié)約大量的時(shí)間和金錢等，同時(shí)保證了程序的質(zhì)量和運(yùn)行速度[8-10]。

本研究針對文本編程語言開發(fā)GPS信息采集系統(tǒng)存在的問題，選擇LabVIEW作為編程語言，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的GPS信息采集系統(tǒng)。

1 GPS數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

1.1 GPS數(shù)據(jù)傳送方式

計(jì)算機(jī)通過串行接口（Serial Interface）與GPS設(shè)備進(jìn)行通信。串行接口數(shù)據(jù)是一位一位地順序進(jìn)行傳送，其特點(diǎn)是通信線路簡單，只需要一對傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，從而大大降低了成本，特別適用于近距離通信。串口通信包括同步串行通信和異步串行通信2種最基本的方式。串行接口按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來區(qū)分包括一般電腦應(yīng)用的RS-232（使用 25 針或 9 針連接器）和工業(yè)應(yīng)用的半雙工RS-485與全雙工RS-422等。本系統(tǒng)采用異步串行通信方式，GPS數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間利用 RS-232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

本系統(tǒng)的串口通信設(shè)計(jì)使用LabVIEW軟件中提供的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。LabVIEW針對計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的串行口提供了1組串行口通信子函數(shù)，用戶可以非常方便地用來開發(fā)串口通信程序。本系統(tǒng)中LabVIEW串口程序如圖1所示。圖1中“VISA配置串口”函數(shù)用于按設(shè)定的波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)將指定的串口初始化，“VISA 讀取”函數(shù)用于從串口緩存向程序中返回?cái)?shù)據(jù)。當(dāng)請求字節(jié)的數(shù)量等于或少于串口中待讀取字節(jié)的數(shù)量，或者已經(jīng)收到了終止符，或者在串口中沒有可用的數(shù)據(jù)且在超時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有收到數(shù)據(jù)時(shí)，該函數(shù)將停止讀取串口數(shù)據(jù)。

1.2 GPS數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)采集

GPS 主機(jī)和控制終端之間的數(shù)據(jù)交換協(xié)議一般都由生產(chǎn)廠商自行約定，各廠商間互不相同。美國國家海洋電子協(xié)會NMEA（The National Marine Electronics Association）制定了NMEA 協(xié)議，定義了不同海事電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸接口，該協(xié)議有0180、0182 和0183 這3種版本，其中，NEMA-0183協(xié)議是目前使用最為廣泛的一種[11]。

1組標(biāo)準(zhǔn)的NMEA-0183數(shù)據(jù)由幀頭、幀內(nèi)數(shù)據(jù)和幀尾3部分組成。NEMA-0183格式數(shù)據(jù)串的所有字符均為ASCII文本字符，數(shù)據(jù)傳輸以“語句”方式進(jìn)行[12]。由于本系統(tǒng)只需要提取UTC時(shí)間、衛(wèi)星使用數(shù)、經(jīng)緯度以及海拔高度等GPS定位信息，所以選用 GGA數(shù)據(jù)格式。

在提取GPS定位數(shù)據(jù)時(shí)，先判斷是否有起始標(biāo)志符“$”，當(dāng)接收到“$”字符后，才開始接收數(shù)據(jù)。由于本系統(tǒng)在初始配置中要求只輸出GGA格式的數(shù)據(jù)，所以并不檢查語句識別符的正確性，直接接收GGA格式的數(shù)據(jù)。在對數(shù)據(jù)的類別進(jìn)行識別后，再通過對數(shù)據(jù)中逗號個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)來判斷出當(dāng)前正在處理的是哪一種定位參數(shù)。“*”字符為數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志符，當(dāng)接收到“*”字符時(shí)，則完成一條數(shù)據(jù)的接收，提取出相應(yīng)信息后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[13-14]。

LabVIEW在功能模板上的字符串子模板中提供了一整套的字符串處理函數(shù)，能夠完成各種字符串處理功能。NMEA-0183語句解析程序代碼如圖2所示。在框圖程序中，左邊部分為 GGA 格式的數(shù)據(jù)提取，主要提取UTC時(shí)間、經(jīng)緯度、海拔高度和使用衛(wèi)星數(shù)等信息；右邊部分為數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換并顯示。注意提取的時(shí)間為UTC時(shí)間（世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間），地球上共分為 24 個(gè)時(shí)區(qū)，每一個(gè)時(shí)區(qū)都有本地時(shí)間，為了有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，國際上使用 UTC標(biāo)準(zhǔn)。UTC 是基于 GMT（格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間）標(biāo)準(zhǔn)提供的準(zhǔn)確時(shí)間，它與北京時(shí)間所在的時(shí)區(qū)不同，北京時(shí)間比UTC 時(shí)間早8 h。

1.3 GPS數(shù)據(jù)顯示和保存

GPS數(shù)據(jù)顯示是系統(tǒng)的人機(jī)界面問題。虛擬儀器前面板的特殊之處在于，前面板不僅僅是顯示面板，同時(shí)還是操作面板，前面板的設(shè)置是否合理、友好決定了最終操作用戶使用的滿意程度[15-16]。

LabVIEW的特性之一就是為數(shù)據(jù)的圖形化顯示提供豐富的圖形顯示功能控件，可使虛擬儀器前面板設(shè)計(jì)得更加形象、直觀，增強(qiáng)了用戶界面的表達(dá)能力，而且使用起來極其方便。本系統(tǒng)通過調(diào)用LabVIEW圖形顯示功能的控件，實(shí)時(shí)顯示物體的運(yùn)動軌跡。軟件實(shí)現(xiàn)的界面如圖3所示，為了直觀地顯示定位信息，在前面板上設(shè)置了圖表顯示控件用來實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動軌跡，坐標(biāo)是經(jīng)緯度。同時(shí)前面板上能夠顯示即時(shí)的定位信息，包括UTC時(shí)間、經(jīng)緯度、海拔高度、衛(wèi)星數(shù)等，并設(shè)置了系統(tǒng)控制欄，包括串口配置、開始/停止按鈕。

完成了采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)后，需要把采集到的原始數(shù)據(jù)保存起來用作離線分析，又或者把分析完的數(shù)據(jù)保存起來以便作進(jìn)一步的處理。LabVIEW有豐富的文件操作函數(shù)庫，可以方便地進(jìn)行文件的讀寫，例如，LabVIEW可以讀寫文本

文件、數(shù)據(jù)報(bào)表文件、二進(jìn)制文件和測試文件等。使用LabVIEW 圖形化編程語言可以很簡單地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保存程序。本系統(tǒng)采取了文本形式來進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)的保存。

2 串口模擬試驗(yàn)測試

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后采用了友善串口調(diào)試助手進(jìn)行了串口模擬試驗(yàn)。友善串口調(diào)試支持常用的110～25 600 bps波特率及自定義波特率，可以自動識別串口，能設(shè)置校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位，能以ASCII碼、十六進(jìn)制接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)或字符、任意設(shè)定自動發(fā)送周期[17-18]。

串口模擬試驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)的2個(gè)串口，通過友善串口調(diào)試助手從計(jì)算機(jī)一個(gè)串口發(fā)送NMEA-0183格式的數(shù)據(jù)，本研究設(shè)計(jì)的GPS信息采集系統(tǒng)從計(jì)算機(jī)的另一個(gè)串口采集串口調(diào)試助手發(fā)送的數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理、分析和顯示。串口初始化后，GPS信息采集系統(tǒng)采集開始采集串口調(diào)試助手發(fā)送的數(shù)據(jù)并在系統(tǒng)前面板上實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)采集到的UTC時(shí)間、經(jīng)緯度、海拔高度、衛(wèi)星數(shù)等信息。

3 實(shí)地試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)測試

本系統(tǒng)采用Trimble 5700 GPS 接收機(jī)構(gòu)建GPS基準(zhǔn)站，以提供可靠的差分修正減少定位誤差，使用Novatel OEM615 接收機(jī)板卡構(gòu)建GPS移動站。

實(shí)地試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)華山運(yùn)動場進(jìn)行。首先搭建GPS基準(zhǔn)站和GPS移動站并連接相關(guān)硬件設(shè)備。在基準(zhǔn)站位置上安裝三腳架及對其上方自帶三角臺和天線適配器進(jìn)行設(shè)置，將5700接收機(jī)掛在三腳架上，并把黃色的GPS天線電纜接到Zephyr天線上，然后連接GPS天線電纜的另一端到5700接收機(jī)的黃色TNC端口。本系統(tǒng)利用支持高精度RTK 定位的Novatel OEM615 接收機(jī)板卡構(gòu)建GPS移動站，首先將電腦和Novatel OEM615 接收機(jī)板卡固定在推車上，把Novatel OEM615接收機(jī)板卡通過串口與電腦連接。采用PDL大功率數(shù)傳電臺和PDL RXO單收模塊構(gòu)建差分?jǐn)?shù)據(jù)通訊鏈路，PDL電臺連接5700接收機(jī)的差分輸出端，RXO單收模塊連接OEM615接收機(jī)板卡的差分?jǐn)?shù)據(jù)輸入接口。載波頻率、空中速率、傳輸協(xié)議等參數(shù)設(shè)置確保收發(fā)雙方一致。然后打開GPS信息采集系統(tǒng)，推動推車?yán)@著足球場邊界行走，GPS信息采集系統(tǒng)則自動記錄足球場的邊界GPS數(shù)據(jù)信息，且動態(tài)實(shí)時(shí)在系統(tǒng)前面板“GPS定位信息動態(tài)顯示”欄中顯示運(yùn)動軌跡。系統(tǒng)按照要求將試驗(yàn)獲取的GPS數(shù)據(jù)保存為文本文件以便后續(xù)進(jìn)一步分析。

實(shí)地試驗(yàn)過程中，在GPS信息采集系統(tǒng)前面板“定位信息”欄中可以看到系統(tǒng)采集到的UTC時(shí)間，足球場邊界的經(jīng)緯度、海拔高度，以及采集GPS信息使用的衛(wèi)星數(shù)等信息，同時(shí)在“GPS定位信息動態(tài)顯示”欄中可以觀察到電子地圖實(shí)時(shí)顯示推車在足球場運(yùn)動軌跡。試驗(yàn)過程及試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 Novatel OEM615 接收機(jī)板卡的動態(tài)定位精度分析 電子地圖能夠通過采集的GPS數(shù)據(jù)真實(shí)、形象地反映物體運(yùn)動軌跡。同時(shí)，在系統(tǒng)前面板“定位信息存儲”指定的計(jì)算機(jī)位置中，可以找到系統(tǒng)存儲的采集的GPS原始數(shù)據(jù)。

為了檢驗(yàn)動態(tài)定位精度，對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、轉(zhuǎn)換處理后，將實(shí)測經(jīng)緯度坐標(biāo)通過高斯投影換算成以m為單位的平面坐標(biāo)后，計(jì)算GPS定位點(diǎn)在足球場各邊上的偏移誤差（Bj）和隨機(jī)誤差（Sj）[19]，結(jié)果見表1。

從以上數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)軌跡相距最大偏離距均在0.05 m以內(nèi)。分析其中最大偏差部分存在誤差的主要原因是：在行走過程中，由于不能始終保持天線在一個(gè)水平面上，以及未能保證行走的路線完全重合所造成的。

3.2.2 GPS測試結(jié)果與卷尺測量結(jié)果的對比分析 為了比較GPS信息采集系統(tǒng)獲取的推車運(yùn)動軌跡圖與足球場的實(shí)際形狀，用卷尺測量足球場各邊的長度以及足球場中心發(fā)球區(qū)直徑，并使用MATLAB進(jìn)行作圖得到足球場實(shí)際形狀（圖6）。通過繞足球場整個(gè)邊界采集的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行測試后，GPS信息采集系統(tǒng)獲取的推車運(yùn)動軌跡圖與足球場實(shí)際形狀進(jìn)行對比分析結(jié)果見表2。

通過以上3組數(shù)據(jù)的對比分析可知，通過卷尺測量和GPS測量2點(diǎn)之間距離的結(jié)果雖然存在差別，但是最大誤差均在1 m以內(nèi)，說明設(shè)計(jì)的GPS信息采集系統(tǒng)具有較高的測量精度。

4 結(jié)論

本研究使用LabVIEW圖形化編程語言，基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的GPS信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對GPS接收機(jī)輸出NAME-0183數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收和處理，能夠根據(jù)所要判斷的字符串對GPS輸出的各類型NMEA語句進(jìn)行解析，同時(shí)也可以存儲GPS接收機(jī)輸出的原始文件，便于在后處理中更為準(zhǔn)確地計(jì)算用戶位置。該程序具有通用性，可以配置成為接受其他型號的GPS信息采集系統(tǒng)，使用可靠方便。由于北斗導(dǎo)航儀等也遵守NAME-0183 協(xié)議，本設(shè)計(jì)也為北斗導(dǎo)航信息采集系統(tǒng)的研究提供了參考。

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