GIS在卫星导航系统中的应用
摘要：本文主要探究了GIS和卫星定位系统相互结合的理论基础及其在实际生活中的应用模式，并将列举一些已经出现的两者结合的研究或产品。在理论上主要论述了嵌入式GIS与卫星导航系统结合的模式及其关键技术和优缺点。在示例上主要列出了基于嵌入式GIS的车载导航系统、基于北斗/GPS双模式卫星导航的出租车位置服务系统和结合GIS开发的BDS导航数据更新系统。
关键字：卫星导航；GIS；GPS
一、 引言
卫星导航通常来讲就是地面上接收天上卫星发送的导航卫星定位信息，并且把导航卫星作为动态的已知的对比监测点，从而实时、准确地确定地面运动器的速度和坐标，达成地面运动器的导航需求。
目前，一共有四大全球卫星导航系统：美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo、中国的BDS。除了以上四大全球系统，另外还有一些区域系统和增强系统，比如日本的QZS
S（准天顶卫星系统）、MSAS（多功能卫星增强系统）和印度的IRNSS（印度无线电导航卫星系统）等等。
卫星导航系统的发展极其迅速，应用也极其广泛，已经深入到了国民生产、日常生活的方方面面，如军事、测绘、救援、交通、农业、娱乐等等。同时，卫星导航也在创造着极大的产业价值。据近日发布的《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》统计，去年我国卫星导航与位置服务产业总体产值超过1040亿元，比2012年增加了28.4%，其中北斗产值超过100亿元，占比达9.8%，北斗导航产业市场前景广阔[1]。
地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种特定的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
对GIS来说，卫星导航系统提供了一种极为重要实时、动态、精确获得空间数据的方法，是GIS的重要数据源。卫星导航系统大大拓展了GIS的应用领域和应用方式。而对于卫星导航系统来说，它虽然可以迅速给出目标的位置和速度，但无法给出目标自身周围环境的地理属性和与其相关的空间信息的描述。而GIS恰能满足这一互补要求。
本文主要探究了GIS和卫星定位系统相互结合的理论基础及其在实际生活中的应用模式，并将列举一些已经出现的两者结合的研究或产品。
二、 卫星导航与GIS
随着卫星导航技术的广泛应用，移动导航已经深入到各个领域。因此结合将GIS与卫星导航系统结合在一起也是目前研究和应用的热点。
目前的一种方法将嵌入式GIS与卫星导航系统结合。嵌入式GIS是运行在嵌入式计算机系统上高度浓缩、高度精简的GIS软件系统，它采用SOA架构，以服务的方式对外发布GIS矢量和栅格数据，实现了空间数据和GIS功能的分布式存储、维护、分发、聚合和共享，并结合3G、开放、标准的特点，实现与移动MIS、移动OA等系统无缝集成，丰富了3G、GIS、GPS等新技术在各行业的广泛应用。
基于嵌入式GIS的卫星导航系统是在小型的移动设备中嵌入导航模块、电子地图和简单的地理信息分析模块，实现导航数据的采集、处理、传输、存储、管理、查询检索、分析、表达和应用功能[2]。
基于嵌入式GIS的卫星导航系统中所使用的数字地图一般很简单，功能上只对道路和地标信息要求详细，其他信息都做一定的简化。因此这种系统相比一般的卫星导航系统体积小、功耗低、携带方便。
嵌入式GIS是嵌入式导航终端中非常重要的部分，它的作用和特点主要表现在：第一，对地图进行基本操作，包括地图的显示、缩放、漫游、查询、管理图层等；第二，检索、分析、导航功能结合卫星定位数据对目标定位、导航[3]。
在硬件方面，基于嵌入式GIS 的卫星导航系统的硬件部分由嵌入式微处理器、外围电路及外围设备构成。嵌入式微处理器是整个硬件平台的核心部件，它不仅要具有很强的实时多任务能力，还要有较短的中断响应时间以及极低的功耗。还要有功能很强的存储区域保护功能；可扩展的处理器结构，以满足应用的最高性能[4]。
在软件方面，基于嵌入式GIS 的卫星导航系统的软件部分主要是嵌入式操作系统及应用软件。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，它不仅要发挥硬件平台的功能，同时还要能够简化应用软件的开发工作。嵌入式操作系统还必须能脱离硬盘直接从ROM 或其他非机械式
存储介质（CF 卡、SD 卡、MMC 卡等）中启动。市场中常见的嵌入式操作系统有Windows CE、Linux 等。其中Windows CE 是微软公司专门针对嵌入式产品领域开发的嵌入式操作系统，与其它操作系统相比，它具有人机界面非常友好、图形能力强、开发方便等优点。Linux 是Unix 操作系统的克隆，它开放源代码，是一个可以免费使用的自由的操作系统， 但与Windows CE 相比开发难度较高。
导航终端运行在嵌入式硬件平台上，同常见的PC 机平台相比，处理器速度较低和存储器容量较小， 而需要处理的地理信息数据量大，数据类型复杂和运算负荷重[5]。
为了提高嵌入式平台矢量地图的实时显示速度，通常需要将原始的矢量地图在PC 机上进行预处理，比如分幅分块、数据压缩等。而在嵌入式导航终端中整个地图显示过程主要包括地图数据读取和显示处理两个方面，在硬件条件一定的情况下，要提高矢量地图的显示速度，现有的技术主要从以下几个方面考虑：
1）双缓存显示技术：在多任务操作系统下，采用双缓存策略提高显示速度。
2）缩小地图数据的读取量：尽量只读取需要显示的范围。
3）优化符号绘制算法，提高地图符号的绘制速度。
此外，为了减低成本、提高开发效率等，也将中间件技术引入到嵌入式导航系统软件的设计中。IDC（国际数据集团）对中间件的表述是：中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这类软件在不同的技术之间共享资源； 中间件位于客户机/服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信[6]。由定义可知中间件是介于操作系统和各种分布式应用程序之间的一个软件层。
在嵌入式导航终端中，利用中间件技术搭建一个位于底层硬件、操作系统平台之上，应用层之下的中间适配层，也就是通用的软件支撑平台。这个平台向下屏蔽硬件平台或操作系统平台的差异，向上为应用层提供统一的标准接口。因此不管底层的软件怎样更新换代，只需改变中间适配层的几个参数，就可以直接将应用程序移植，大大缩短了系统研制的周期，提高了开发效率，同时还保证了系统的高伸缩性、易升级性和稳定性[7]。
三、实际应用
基于嵌入式GIS的卫星导航系统广泛应用于移动定位导航中，比如掌上电脑、车载导航设
备、智能手机等。
在日常生活，应用较广泛的是基于嵌入式GIS的卫星导航系统就是车载导航系统。由于目前国际市场上最主流的卫星导航系统还是GPS，因此目前广泛应用的车载导航系统是基于GPS、GIS的车载导航系统。在导航过程中，系统通过GPS模块接收GPS定位信号，然后通过具有位置计算、路径分析等功能的GPS软件解算出车辆的实时经度、纬度、速度等定位信息，最后将车辆的位置、速度等信息显示在电子地图上。除此之外，还可以计算和规划最优的路径帮助驾驶者准确选择合适的行车路线。
基于GPS和GIS的车载导航系统，实现了导航定位与地图查询功能的结合[8]，是基于嵌入式GIS的卫星导航系统的典型应用。
另外，也有人提出了一种基于北斗/GPS双模式卫星导航的出租车位置服务系统[9]。该系统综合乘客需求、空跑出租车等信息，采用2G或3G通信链路，实时下发至出租车终端，在车载终端运用GIS地图实时显示出租车、乘客的信息，从而实现出租车的合理分布，并降低出租车空车行驶的概率。
技术上主要采用北斗/GPS双模式定位技术、GIS（Geographic Information System）地理信息技术、移动通信技术以及计算机处理技术等构建而成。北斗/GPS双模式卫星定位车载终端安装于出租车中，通过监控管理中心，加强了车辆和人员的可视性、信息化、智能化管理。本文所研究的方案实现过程是车载终端采集车辆位置信息、速度信息、状态信息等，通过2G、3G网络传送到调度中心，在GIS地图上实时显示各车辆的信息，调度中心结合乘车乘客的实时位置信息，经过综合处理，下发给在线行驶车辆，车辆车载终端收到乘车信息后，实时直观呈现在车载终端GIS地图上，指导车辆前往乘客位置。
1）车载终端采用北斗/GPS双模式定位技术，对多星座兼容接收机而言，同一时刻可视卫星的数量增加，一方面使系统的可用性得到了提高，另一方面使卫星的选择范围扩大，有利于采用选星策略去选择位置更好的卫星，特别是在城市高建筑物多的区域，对于提高定位精度大有好处；
2）车载终端采用GIS地图实时显示车辆和乘车人员的位置信息，方便出租车司机查乘客，当乘客乘车以后，实时在地图上提示，提示出租车司机该任务取消，在乘客和出租车司机之间实现实时闭环，避免空车行驶现象，降低运行成本；
3）车载终端采用3G通信，提供3G路由功能，可提供乘客一定的网络需求；
4）车载终端提供本地导航功能，可由乘客自行选择行驶路线，并提供运行服务质量调查器，有效监督出租车司机驾驶行为规范，提高运行安全；
5）位置服务平台对外以网站形式提供给约车乘客，乘客可实时查附近的出租车，并将自己的位置信息注册上传，方便约车出行；
6）由于乘客约车出行采用自己注册位置信息上传模式，位置服务平台综合处理自动分发给出租车，减少了调度中心接线员、调度员中间环节，缩短了乘客约车时间，有效降低调度中心运行人工成本。
也有结合GIS开发BDS导航数据更新系统[10]的例子。系统以Microsoft Visual Studio 2008为平台，采用C#语言和ArcEngine组件设计实现的。通过ArcSDE实现空间数据模型向关系型数据模型的映射，可将采集的导航数据以关系数据库的形式存储，方便多用户对数据成果的共享操作。利用先进的GIS组件开发技术[11]，提高系统的开发效率和运行的稳定性。又利用导航定位技术和蓝牙无线传输技术，确保北斗接收机与系统数据传输的通畅和准确。导航页源码
其系统结构如图1[10]所示。
图1 系统结构图[10]
四、 结论与展望
目前嵌入式设备的硬件条件（CPU 的速度，存储器的容量）仍制约着基于嵌入式GIS 的卫
星导航系统的发展。随着将来硬件制造水平的提高，以及卫星导航系统的发展，基于嵌入式GIS 的卫星导航系统也将向着简单、实用、多元和人性的方向发展，有着非常广阔的发展前景。尤其是随着我国自主建造的北斗卫星导航系统的发展，开发基于嵌入式GIS 的北斗卫星导航终端也有积极现实的意义。
而在最后一个例子中，结合北斗卫星导航定位技术和地理信息技术，利用ArcEngine组件合理设计实现了导航数据采集与更新系统。通过分析导航数据的特点，设计实现的多图层交互式同步更新方法能够提高野外作业效率，具有一定的参考价值。
参考文献
[1] 新浪科技. 中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书发布[EB/OL]. [tech.sina/d/2014-04-15/14349321649.shtml]. .

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。