基于VC++的GPS數(shù)據(jù)壓縮處理研究

周子富，朱吉?jiǎng)?/p>

（1.武警工程大學(xué) 研究生大隊(duì)，陜西 西安 710086；2.武警工程大學(xué) 通信工程系，陜西 西安 710086）

GPS是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其全球性、全能性和全天候性的導(dǎo)航定位、定時(shí)和測(cè)速優(yōu)勢(shì)在諸多領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。GPS已逐步演變?yōu)橐环N世界性的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，越來(lái)越受到了人們的關(guān)注[1]。

在各種導(dǎo)航系統(tǒng)及大型監(jiān)控系統(tǒng)中，為了提供歷史軌跡重放等功能，往往要存儲(chǔ)大量的定位數(shù)據(jù)，同時(shí)這些數(shù)據(jù)甚至還要通過(guò)無(wú)線通信傳送，所需費(fèi)用高 而且傳送中會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，很可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延遲 這就大大影響了實(shí)時(shí)定位的效果。如何處理GPS數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)整體功能的實(shí)現(xiàn)極其重要。VC++憑借其在GPS通信及數(shù)據(jù)處理程序編寫方面的優(yōu)勢(shì)，得到廣泛應(yīng)用。

1 GPS數(shù)據(jù)格式

想要對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先需要了解GPS的數(shù)據(jù)格式。目前，大多數(shù)GPS都采用美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)（National Marine Electronics Association）制定的NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)，這種通信標(biāo)準(zhǔn)輸出的數(shù)據(jù)采用ASCII碼，其內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛(wèi)星狀況等信息，規(guī)定的語(yǔ)句有 6種，包括 GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VTG[2]。對(duì)于不同的用途，選用的語(yǔ)句記錄也不同，對(duì)于大多數(shù)的普通使用者只關(guān)心其日期和時(shí)間、經(jīng)緯度、地面速度信息等，而RMC語(yǔ)句就包含了以上信息，所以本文只討論RMC語(yǔ)句。一條RMC語(yǔ)句包括了以下記錄：語(yǔ)句標(biāo)識(shí)頭、世界時(shí)間、定位狀態(tài)、緯度、緯度方位、經(jīng)度、經(jīng)度方位、地面速度、地面路線、日期、磁偏角、校驗(yàn)和和結(jié)束標(biāo)記[3]，其結(jié)構(gòu)及各字段含義如下：

$GPRMC，＜l＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜1l＞*hh

＜l＞UTC 時(shí)間。 格式為 hhmmss.ss。

＜2＞狀態(tài)，A為數(shù)據(jù)有效，V為非有效。

＜3＞緯度。 格式為ddmm.mmmm （度、分&小數(shù)分）。

＜4＞標(biāo)明南北半球，N為北半球、S為南半球。

＜5＞經(jīng)度，格式為 dddmm.mmmm （度、分 &小數(shù)分）。

＜6＞標(biāo)明東西半球，E為東半球、W為西半球。

＜7＞地面上的速度。范圍為 0.0到999.9。

＜8＞方位角，范圍為000.0到 359.9度。

＜9＞日期。 格式為 ddmmyy（日、月、年）。

＜l0＞地磁變化，從 000.0到 180.0度。

＜ll＞地磁變化方向，為E或W。

一般情況下，并不需要所有的定位數(shù)據(jù)而只需要其中的一部分，所以在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之前一般先要對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2 GPS數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理

GPS數(shù)據(jù)的采集一般都是通過(guò)串口通信進(jìn)行的，接收機(jī)都提供有串口接口，常用的GPS接收器一般遵循NMEA-0183協(xié)議且提供串行通信接口與計(jì)算機(jī)通信。VC++提供的串口通信編程方法有好幾種，其中利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)串口通信是較為方便的一種，程序員不必去學(xué)習(xí)復(fù)雜的API函數(shù)，只需對(duì)串口進(jìn)行簡(jiǎn)單配置，這方面的例子相當(dāng)普遍，這里不作詳細(xì)介紹。GPS接收機(jī)工作時(shí)會(huì)源源不斷地把接收到的GPS定位數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)中[4]。串口通訊代碼從串口接收數(shù)據(jù)并將其放置于緩存data中，等待下一步的處理。

在對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行某種壓縮處理之前，應(yīng)該先對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理是一種最直接的處理方式，也是減小數(shù)據(jù)容量的一種比較直觀有效的方法。分析GPS數(shù)據(jù)，可以知道這些信息中，有很多屬于冗余信息。為了方便后續(xù)壓縮的進(jìn)行，先對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行壓縮預(yù)處理[5]，預(yù)處理之后只保留必須要的信息，步驟如下：

1）語(yǔ)句標(biāo)識(shí)頭（ID）：數(shù)據(jù)出自同一GPS接收機(jī)，每個(gè)語(yǔ)句的標(biāo)識(shí)頭都一樣，所以該記錄段屬冗余信息，完全可以去除，在解壓縮時(shí)再在每個(gè)語(yǔ)句前加上該標(biāo)識(shí)頭即可。

2）世界時(shí)間（UTC）：該信息段以時(shí)、分、秒、毫秒的格式指示出當(dāng)時(shí)世界時(shí)間。不進(jìn)行預(yù)處理。

3）定位狀態(tài)（A/V）：占用1個(gè)字節(jié)，不進(jìn)行預(yù)處理。

4）緯度：占用9個(gè)字節(jié)，不進(jìn)行預(yù)處理。

5）經(jīng)度：占用10個(gè)字節(jié)，不進(jìn)行預(yù)處理。

6）經(jīng)度指示器（E/W）：占一個(gè)字節(jié)，它指示東西經(jīng)。只研究在東經(jīng)的情況，所以它是冗余信息，可以去除。

7）緯度指示器（N/S）：占一個(gè)字節(jié)。處理同上。

8）地面速度：占用4個(gè)字節(jié)，可以去除。

9）日期：占用6個(gè)字節(jié)，以日、月、年的格式顯示。因?yàn)樵撓到y(tǒng)一天啟動(dòng)一次，日期相同，是冗余信息。

10）地磁變化：可以去除。

11）校驗(yàn)和、結(jié)束符：在完成對(duì)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)后，校驗(yàn)和便可去除。結(jié)束符由回車、換行組成，由于語(yǔ)句長(zhǎng)度已知所以也可以去除。

對(duì)一組數(shù)據(jù)：

$GPRMC，032510，A，2934.0467，N，10634.3591，E，000.0，000.0，191203，001.6，w*65則經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的 GPS數(shù)據(jù)格式為：032510，A，2934.0467，10634.3591，只剩下時(shí)間、狀態(tài)、緯度和經(jīng)度，共29個(gè)字節(jié)。進(jìn)一步處理，可以將逗號(hào)去掉，將新的 數(shù) 據(jù) 變 成 為 已 “A” 為 首 的 字 符 串A0325102934.046710634.3591，把A放在第一個(gè)字節(jié)是為了方便遍歷字符，此時(shí)，剩下26個(gè)字節(jié)，與原始數(shù)據(jù)的70個(gè)字節(jié)相比減小了62%。

利用VC++編程以上預(yù)處理時(shí)一般先通過(guò)對(duì)幀頭的判斷來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取處理。由于幀內(nèi)各數(shù)據(jù)段由逗號(hào)分割。因此在處理緩存數(shù)據(jù)時(shí)一般是通過(guò)搜尋ASCII碼“$”來(lái)判斷是否是幀頭。在對(duì)幀頭的類別進(jìn)行識(shí)別后再通過(guò)對(duì)所經(jīng)歷逗號(hào)個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)來(lái)判斷出當(dāng)前正在處理的是哪一種定位導(dǎo)航參數(shù)[6]。下面是對(duì)緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)處理的部分代碼：

這樣就提取出了時(shí)間、狀態(tài)、經(jīng)度和緯度，后續(xù)的處理只需在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行即可。

3 GPS數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)壓縮的方法很多，總的來(lái)說(shuō)可以分為無(wú)損壓縮和有損壓縮兩大類。本文針對(duì)預(yù)處理過(guò)的GPS數(shù)據(jù)的格式特點(diǎn)，采用半字節(jié)的方法[7]進(jìn)行編碼。可以看到，預(yù)處理過(guò)的數(shù)據(jù)為A0325102934.046710634.3591，即“A時(shí)間緯度經(jīng)度”的格式。為了方便檢測(cè)數(shù)據(jù)的完整性和方便編程實(shí)現(xiàn)，這里我們?cè)诤竺婕尤虢Y(jié)束標(biāo)識(shí)C，變成“A時(shí)間緯度經(jīng)度C”的格式，則處理完的數(shù)據(jù)包括有0至9十個(gè)符號(hào)、小數(shù)點(diǎn)“.”以及字母“A”、“B”，共12個(gè)符號(hào)。事實(shí)上，四位二進(jìn)制編碼就能區(qū)分16中狀態(tài)，所以用四位二進(jìn)制編碼來(lái)表示12個(gè)符號(hào)已經(jīng)足夠，而不必用八位。壓縮數(shù)據(jù)編碼表如下：

表1 編碼表Tab.1 Code table

這種編碼方式提供了16種狀態(tài)，而我們只用到了12種，還冗余4種，我們還可以根據(jù)需要，利用這4種狀態(tài)進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)其他功能，如用來(lái)實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)功能等。圖1是進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的流程圖。

圖1 數(shù)據(jù)壓縮流程圖Fig.1 Flow chart of data compression

從壓縮編碼表可以看出，采取這種編碼方式可以直接使得數(shù)據(jù)壓縮了50%。對(duì)于“A0325102934.046710634.3591B”，壓縮編碼之后只需用108位編碼表示，和預(yù)處理前的數(shù)據(jù)（70個(gè)字節(jié)，560位）相比，雖然后面加了一個(gè)結(jié)束標(biāo)識(shí)符B，但總的壓縮編碼壓縮比仍可達(dá)80%。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的GPS數(shù)據(jù)壓縮算法，壓縮比可達(dá)到 80%以上。本算法前期的數(shù)據(jù)預(yù)處理之后GPS定位數(shù)據(jù)中只剩下12個(gè)符號(hào)表示，一方面去掉了很大一部分冗余信息，使數(shù)據(jù)量明顯減小，另一方面符號(hào)數(shù)目減少且已知，因此在編碼時(shí)只需根據(jù)ASCII碼值建立較小的數(shù)組。這種數(shù)據(jù)處理方式比較簡(jiǎn)單，程序量小，壓縮比大，且易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)解決GPS應(yīng)用中數(shù)據(jù)量大而存儲(chǔ)器資源有限的問(wèn)題以及數(shù)據(jù)傳輸帶寬等問(wèn)題具有重要的實(shí)際意義。

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