GIS技術(shù)在無線數(shù)傳電臺定位中的應(yīng)用

鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 楊 元

鄂爾多斯生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站 郭 慶

為有效地管理和使用無線電資源，有必要對無線數(shù)傳電臺的使用進(jìn)行監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)利用GPS接收器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)搭建車載監(jiān)控系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)采集和處理平臺實(shí)現(xiàn)對電臺使用情況的監(jiān)測，同時結(jié)合GIS技術(shù)對電臺經(jīng)緯度信息進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)量，在電子地圖中實(shí)時顯示定位電臺的位置。

無線數(shù)傳電臺是VHF/UHF超短波無線通信領(lǐng)域中比較專業(yè)的通信設(shè)備，無線電管理部門特別為其劃出專用通信頻段。由于近年無線頻譜資源的短缺，為有效管理使用無線電資源，有必要對無線數(shù)傳電臺的使用進(jìn)行監(jiān)測。本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是監(jiān)測無線數(shù)據(jù)電臺的頻率使用情況，分析經(jīng)緯度信息，統(tǒng)計(jì)電臺的數(shù)量，并在電子地圖上實(shí)時顯示電臺的位置。系統(tǒng)為車載移動監(jiān)測系統(tǒng)，主要用于對分析無線數(shù)傳電臺的使用情況及對新建電臺的測試。

1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由無線電信號采集模塊和經(jīng)緯度信號收集模塊組成。無線電信號采集模塊包括：高頻無線接收機(jī)、PCI高速數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)；經(jīng)緯度信號收集模塊為帶USB口的GPS接收機(jī)一臺，與上位機(jī)通過USB口數(shù)據(jù)線相連接。設(shè)計(jì)利用Visual C++進(jìn)行程序開發(fā)，通過對MapX工具的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)電臺的定位和顯示功能。

系統(tǒng)工作流程：將硬件設(shè)備安裝至監(jiān)測車輛，高頻無線接收器實(shí)時掃描并接收無線電信號，信號調(diào)理模塊對接收信號進(jìn)行放大和濾波，數(shù)據(jù)采集卡采集調(diào)理后的信號，并將其由模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，存儲至上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用程序從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行中頻信號和基帶信號處理；同時GPS接收機(jī)收集車載終端位置信息存儲至上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用程序通過數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)對數(shù)傳電臺的定位及地圖顯示（如圖1所示）。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

2 經(jīng)緯度信息的接收

行車軌跡及電臺位置的描繪需要從GPS接收機(jī)得到經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)對經(jīng)緯度精度要求不高，只需從GPS接收機(jī)中提取出經(jīng)緯度即可，至于其它信息如角度偏差等矯正經(jīng)緯度精度的信息可省略接收。GPS數(shù)據(jù)采集程序采用GPS的異步串行傳送方式，通過將USB口轉(zhuǎn)D型RS232C串行口，采集遵循NMEA0183協(xié)議的GPS數(shù)據(jù)。

2.1 NMEA0183協(xié)議

NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)下可輸出六種類型的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中經(jīng)緯度是從GPGGA類型語句中直接提取的，所以只介紹GPGGA語句的數(shù)據(jù)格式。例如：

該語句中所對應(yīng)的含義為：所在位置為北緯37.232475，西經(jīng)121.583416.。

2.2 串口及串行通信

實(shí)現(xiàn)串行通信的方法主要有兩種：調(diào)用API函數(shù)編寫通信程序、利用框架類MSComm控件實(shí)現(xiàn)通信。MSComm控件是開發(fā)環(huán)境自帶的控件，可靠性比調(diào)用API函數(shù)好，采用這種方式通信，能減少開發(fā)時間，而且保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此采用MSComm控件實(shí)現(xiàn)串行通信。

將MSComm控件加載到程序中后，將其添加為成員變量，然后對串口端口進(jìn)行初始化設(shè)置，包括端口的選擇，端口參數(shù)的設(shè)置，設(shè)置好后就可接收從GPS上傳到串口中的數(shù)據(jù)，并將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)從中提取出來保存到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。具體做法如下：

（1）從串口接收GPS數(shù)據(jù)。

（2）從得到的數(shù)據(jù)中提取以GPGGA打頭的GPS語句。

（3）根據(jù)NMEA0183協(xié)議中介紹的GPGGA語句格式從中提取出經(jīng)緯度信息。

（4）將經(jīng)緯度信息保存到數(shù)據(jù)表中。

3 電臺定位原理

數(shù)據(jù)庫表中保存了電臺的有用信息，包括信號強(qiáng)度、經(jīng)緯度、地址碼及接收時間以等。通過數(shù)據(jù)查詢比對，在同一電臺地址碼下，尋找強(qiáng)度相等的兩組經(jīng)緯度信息，經(jīng)過計(jì)算得到電臺的位置。

電子地圖的坐標(biāo)系統(tǒng)在初始化時設(shè)定為默認(rèn)屬性，電臺的平面坐標(biāo)與經(jīng)緯度坐標(biāo)要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，MapX才能描繪出電臺的實(shí)際位置。在數(shù)據(jù)庫中查找同一地址碼下的四組經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，考慮電臺位置在強(qiáng)度相同的兩個點(diǎn)的中垂線上，那么計(jì)算兩條中垂線的交點(diǎn)坐標(biāo)就可確定這個電臺的位置（如圖2所示）。

圖2 電臺位置計(jì)算坐標(biāo)圖

計(jì)算原理：X-Y坐標(biāo)系中，同一地址碼的四組經(jīng)緯度坐標(biāo)為A0（x0,y0）、A1（x1,y1）、A2（x2,y2）、A3（x3,y3），其中A0點(diǎn)和A1點(diǎn)的強(qiáng)度相等，A2點(diǎn)和A3點(diǎn)的強(qiáng)度相等，那么A4點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y）可以通過解線性方程的方法來得到。這里直接給出結(jié)果：

由無線接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，經(jīng)過線性方程組解出電臺的位置，將與電臺相關(guān)的數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中，并將電臺位置顯示在電子地圖的圖層上。

4 電子地圖繪圖實(shí)現(xiàn)

電子地圖的創(chuàng)建可按以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

第一步：加載源文件及頭文件。將MapX工具根目錄下的MapX.cpp及MapX.h文件添加到Visual C++工程中，并將兩個文件拷貝至工程目錄下。

第二步：定義一個CMapx對象m_ ctrlMapX，將地圖文件導(dǎo)入到程序中。

第三步：聲明一個常量IDC_MAP。

第四步：在類向?qū)е袨殡娮拥貓D界面創(chuàng)建WM_SIZE和WM_CREATE消息處理函數(shù)。

第五步：在類向?qū)е袨殡娮拥貓D界面創(chuàng)建WM_SETFOCUS的處理消息函數(shù)，以確保當(dāng)窗口處于活動狀態(tài)時獲取焦點(diǎn)。

地理數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表達(dá)方式有四種：柵格表示法 、矢量表示法 、柵格和矢量的圖形表示法和面向?qū)ο蟊硎痉?。為了將真實(shí)的地理信息在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行表示和存儲，在使用柵格和矢量數(shù)據(jù)模型的地理信息系統(tǒng)中，采用分層組織，“層”是指地理特征及屬性在邏輯上的集合，它包含以特定柵格或矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織的同一類型地理實(shí)體的定位和屬性數(shù)據(jù)。

考慮到本設(shè)計(jì)的實(shí)際用途是要描繪監(jiān)測車行車軌跡以及電臺位置，因此只需要使用電子地圖基本的繪圖編輯功能，即基本圖元點(diǎn)的添加、刪除和編輯。具體步驟為：

第一步：圖元樣式設(shè)置。MapX可提供點(diǎn)、線、面及標(biāo)注的設(shè)置對話框，通過調(diào)用該對話框，可以修改默認(rèn)樣式，這是一種批量添加圖元的簡單方法。調(diào)用代碼如下：

CMapXStyle style= m_ctrlMapX.GetDefaultstyleO；//獲取默認(rèn)工具

Style.PicksSymbol()；//調(diào)用符號選取對話框

第二步：圖層編輯設(shè)置，設(shè)置為插入圖層。

Layer.SetEditable(TRUE);//設(shè)置圖層為可編輯

m_ctrlMapX.GetuyersO.Sethisertionuyer(layer.m_lpDispateh)://插入圖層

第三步：點(diǎn)圖元的添加及刪除。

M_ctrlMapX.setCurrentTool(miaddpointTool)://添加點(diǎn)圖元

點(diǎn)圖元的刪除：首先將圖元所在圖層設(shè)置為當(dāng)前編輯圖層，選定需刪除的圖元，按delete鍵即可。

小結(jié)：本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)四個功能：（1）利用MapX實(shí)現(xiàn)程序?qū)﹄娮拥貓D的開發(fā)利用；（2）通過MScomm控件實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的接收；（3）在電子地圖上繪制監(jiān)測車輛行車軌跡并保存數(shù)據(jù)；（4）通過電臺定位算法得到電臺經(jīng)緯度，在電子地圖上描繪電臺位置。在無線電頻率日益緊張的今天，對無線電實(shí)現(xiàn)優(yōu)化管理，研制性能優(yōu)良的無線電監(jiān)測機(jī)勢在必行。