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

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軟件實時采集GPS接收機輸出的定位信息，并在電子地圖上實時、準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)進行保存用于后續(xù)進一步分析。實地試驗表明，設(shè)計的GPS信息采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集GPS定位信息并顯示其運動軌跡。本設(shè)計對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

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0415-04

目前，已經(jīng)投入運行的衛(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，美國噴氣推進實驗室（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節(jié)，同時文本編程語言不夠直觀、易懂。GPS信息采集系統(tǒng)需要人機界面，而文本編程語言的人機界面開發(fā)功能并不十分強大，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)代計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，在計算機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)界和研究實驗室廣泛接受，被公認為是標(biāo)準的數(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)計語言，采用G語言進行程序設(shè)計，充分體現(xiàn)出它在語言程序設(shè)計上的諸多優(yōu)勢，即具有功能強大的用戶界面、使用圖形編程方法來設(shè)計圖形程序、使用數(shù)據(jù)流編程，具有可獨立運行的應(yīng)用程序、可充分提高用戶的效率、節(jié)約大量的時間和金錢等，同時保證了程序的質(zhì)量和運行速度[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

計算機通過串行接口（Serial Interface）與GPS設(shè)備進行通信。串行接口數(shù)據(jù)是一位一位地順序進行傳送，其特點是通信線路簡單，只需要一對傳輸線就可以實現(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）與計算機數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間利用 RS-232接口進行數(shù)據(jù)交換。

本系統(tǒng)的串口通信設(shè)計使用LabVIEW軟件中提供的函數(shù)來實現(xiàn)。LabVIEW針對計算機標(biāo)準的串行口提供了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數(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)且在超時時間內(nèi)沒有收到數(shù)據(jù)時，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”方式進行[12]。由于本系統(tǒng)只需要提取UTC時間、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，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)的類別進行識別后，再通過對數(shù)據(jù)中逗號個數(shù)的計數(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，則完成一條數(shù)據(jù)的接收，提取出相應(yīng)信息后，再進行數(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。注意提取的時間為UTC時間（世界標(biāo)準時間），地球上共分為 24 個時區(qū)，每一個時區(qū)都有本地時間，為了有統(tǒng)一的時間標(biāo)準，國際上使用 UTC標(biāo)準。UTC 是基于 GMT（格林尼治標(biāo)準時間）標(biāo)準提供的準確時間，它與北京時間所在的時區(qū)不同，北京時間比UTC 時間早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)計得更加形象、直觀，增強了用戶界面的表達能力，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，實時顯示物體的運動軌跡。軟件實現(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時顯示運動軌跡，坐標(biāo)是經(jīng)緯度。同時前面板上能夠顯示即時的定位信息，包括UTC時間、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)保存起來以便作進一步的處理。LabVIEW有豐富的文件操作函數(shù)庫，可以方便地進行文件的讀寫，例如，LabVIEW可以讀寫文本

文件、數(shù)據(jù)報表文件、二進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)計數(shù)據(jù)保存程序。本系統(tǒng)采取了文本形式來進行GPS數(shù)據(jù)的保存。

2 串口模擬試驗測試

本系統(tǒng)設(shè)計完成后采用了友善串口調(diào)試助手進行了串口模擬試驗。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、數(shù)據(jù)位和停止位，能以ASCII碼、十六進制接收或發(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]。

串口模擬試驗利用計算機的2個串口，通過友善串口調(diào)試助手從計算機一個串口發(fā)送NMEA-0183格式的數(shù)據(jù)，本研究設(shè)計的GPS信息采集系統(tǒng)從計算機的另一個串口采集串口調(diào)試助手發(fā)送的數(shù)據(jù)后進行處理、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)前面板上實時顯示系統(tǒng)采集到的UTC時間、經(jīng)緯度、海拔高度、衛(wèi)星數(shù)等信息。

3 實地試驗與分析

3.1 試驗測試

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

實地試驗在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)華山運動場進行。首先搭建GPS基準站和GPS移動站并連接相關(guān)硬件設(shè)備。在基準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行設(shè)置，將5700接收機掛在三腳架上，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 接收機板卡構(gòu)建GPS移動站，首先將電腦和Novatel OEM615 接收機板卡固定在推車上，把Novatel OEM615接收機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)建差分數(shù)據(jù)通訊鏈路，PDL電臺連接5700接收機的差分輸出端，RXO單收模塊連接OEM615接收機板卡的差分數(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)，推動推車繞著足球場邊界行走，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)實時在系統(tǒng)前面板“GPS定位信息動態(tài)顯示”欄中顯示運動軌跡。系統(tǒng)按照要求將試驗獲取的GPS數(shù)據(jù)保存為文本文件以便后續(xù)進一步分析。

實地試驗過程中，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，同時在“GPS定位信息動態(tài)顯示”欄中可以觀察到電子地圖實時顯示推車在足球場運動軌跡。試驗過程及試驗結(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、形象地反映物體運動軌跡。同時，在系統(tǒng)前面板“定位信息存儲”指定的計算機位置中，可以找到系統(tǒng)存儲的采集的GPS原始數(shù)據(jù)。

為了檢驗動態(tài)定位精度，對所采集的數(shù)據(jù)進行提取、轉(zhuǎn)換處理后，將實測經(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，計算GPS定位點在足球場各邊上的偏移誤差（Bj）和隨機誤差（Sj）[19]，結(jié)果見表1。

從以上數(shù)據(jù)分析，試驗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)獲取的推車運動軌跡圖與足球場的實際形狀，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進行作圖得到足球場實際形狀（圖6）。通過繞足球場整個邊界采集的GPS數(shù)據(jù)進行測試后，GPS信息采集系統(tǒng)獲取的推車運動軌跡圖與足球場實際形狀進行對比分析結(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)實現(xiàn)了對GPS接收機輸出NAME-0183數(shù)據(jù)的實時接收和處理，能夠根據(jù)所要判斷的字符串對GPS輸出的各類型NMEA語句進行解析，同時也可以存儲GPS接收機輸出的原始文件，便于在后處理中更為準確地計算用戶位置。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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