CN1033549C - Gps导航仪 - Google Patents

Abstract

一种GPS导航仪，由天线，GPS信号前端，CPU，显示器，地图卡，汉字库，键盘和存储器组成。具有坐标变换功能，利用配置的电子地图和汉字库将已知的经纬度值映射到地图卡相应的一幅子图上，实现了电子地图定位以及信息的汉字显示。

Description

GPS导航仪

本发明涉及GPS导航仪，特别涉及具有电子地图的GPS导航仪。

GPS是“全球定位系统”(Global PositioningSystem)的简称，它是美国于1973年起实施的利用导航卫星对地面、海上和近空的舰只、飞机、车辆等活动目标进行导航的一个庞大的系统。该系统由三部分组成：卫星网、地面站和用户接收设备。地面站对卫星网进行监视管理，卫星网向地球表面发送导航信息，用户接收设备采集导航信息并求出定位等导航数据。由于卫星发射的星历信息中含有空间定位数据和精确时钟数据，用户接收机利用这些数据方便地求解出自身的速度和运动方位，所以用户导航仪的基本功能和主要作用就是作空间定位、测量速度和报时。因为卫星信号传播速度很快且不受雷雨云层等大气现象的阻挡，所以用户导航仪的定位等功能处理是实时、全天候的。还因为定位卫星群的数量较多，共24颗，它们均匀地分布在6条轨道上，能保证在地球的任一地点的上空同时出现4颗以上的卫星，所以用户导航仪使用的范围是全球性的。也就是说，GPS系统是一个全球性、全天候、实时定位、测速和测时的系统。由于以上优点，GPS在近年得到迅速发展。因为上述三个部分中的卫星网和地面站被美国控制，所以有关GPS的研究主要集中在上述三个部分中的用户接收导航设备方面。纵观当前国外和国内的GPS设备，尤其是导航型GPS仪器，绝大部分不能与数字地图结合起来，仅能标注目标的经纬度，这对广大陆地用户极为不便，对于中国用户更有如下不便之处：中国地图采用1954年北京或1980年国家大地坐标系，国外GPS导航仪不能报告这两种坐标系的经纬度，没有中国数字地图的配置，也没有汉字方式的信息显示。国内近年来陆续开发研制了一些GPS导航仪，这些产品大致上可分为三种类型：

1.组装国外的GPS导航仪散件，其缺点已如上所述；

2.通信组网型GPS导航仪，这类产品强化了其通信能力，实现了在局部区域内把一组分散游动目标控制于一个指挥中心的指挥模式，但对每一单个导航仪，仍基本采用国外同类产品技术；

3.国外GPS接收机与笔记本计算机结合的类型，这种类型的组合式GPS接收设备在物理上把GPS接收机和笔记本计算机用通信线路连接在一起，利用GPS产生的定位信号，通过计算机进行图上作业，显然，这种类型产品由于使用了仅适合于室内环境的计算机，不便于在野外环境下作业，另外由于计算机为通用型设备，其中的许多功能对GPS而言是多余的，所以整个系统的性能价格比较低。

发表在IEEE Comput.Soc.Press 1992 XVi上的《Development of an orientation aid for blindindividuals》，作者是Long R.G.和Hazenbaker S.，介绍了一种采用GPS技术的导航设备，文中提到利用美国地图进行定位，但未提及采用中国数字地图和汉字技术的GPS设备。1989年由武汉测绘科技大学和深圳市建设局研制的“深圳市GPS卫星定位网的建立与数据处理”技术成果，提出了一项利用GPS定位技术扩展和改造城市控制网的技术。但该成果不含有中国数字地图与GPS导航技术相结合的内容。

为了克服已有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种以CPU为核心控制器件的，配置了中国电子地图和具有汉字信息显示方式以及具有坐标变换功能的便携、车载式结构的GPS导航仪。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种具有定位、预置航路和掉电存储航路功能的GPS导航仪

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种具有坐标变换功能的GPS导航仪，从美国WGS84坐标系变换为1954年北京坐标系或1980年国家大地坐标系。

根据本发明的再一个方面，本发明提供了一种配置了数字电子地图，特别配置了中国电子地图的GPS导航仪。数字地图有两种：全国分省区地图和全国分幅地图，它们均以交通要素为主。

根据本发明的再一方面，本发明提供了一种具有汉字显示功能的GPS导航仪，使用了国家标准15×16点阵字模汉字库5199A。

根据本发明的再一个方面，本发明提供了一种以CPU为核心控制器件的便携式一体化GPS导航仪。在整机电路的地址译码电路部分采用了GAL编程技术，简化了电路设计，节省元器件数量和减少布线量，设计灵活，可修改性强，有助于技术和数据保密，提高了导航仪的性能价格比和可靠性。

本发明的上述和其它优点参看以下对照附图的描述将会更加清楚，其中：

图1是本发明的GPS导航仪的系统方框图；

图2是本发明的GPS导航仪定位信息采集及加工电路的方框图；

图3是本发明的GPS导航仪地图卡检索与显示电路的方框图；

图4是本发明的GPS导航仪汉字库读取与显示电路的方框图；

图5是本发明的GPS导航仪主控程序的流程图；

图6是本发明的GPS导航仪定位处理程序的流程图；

图7是本发明的GPS导航仪预定航线程序的流程图。

以下参看附图详细描述本发明。

首先参看图1，该图是本发明GPS导航仪电路结构的方框图。由图可见本发明的GPS导航仪以CPU3(此处为INTEL公的MCS-80C198)作为系统核心控制器件，ROM/RAM模块9是CPU的程序模块，CPU运行程序进程，实现对卫星信号的采集，定位数据的加工处理，地图库检索及相应定位数据的显示。

GPS信号前端2通过天线1采集卫星导航数据，这些数据被处理为一组清晰的文本格式的定位数据，包括美国WGS84坐标系表示的经纬度值、目标速度、高度、世界标准时以及供用户参考的有关卫星状态的信息。

地图卡6是一个2兆字节的EPROM存储体，存储了覆盖国内一个给定区域的光栅格式的电子地图。这个给定区域的范围可以是一个行政省区，也可以是按照地图分幅标准划分的若干个幅区。为了解决大面积的地图与小尺寸的显示屏的矛盾，本发明将一幅地图裁剪成几十块子图并建立起不同子图间的相关关系，通过坐标变换与投影处理，把一个已知的经纬度点映射到相关的一幅子图上，然后把该子图从地图库中检索出来送入显示屏。地图库由全部子图索引数据组成，以地图库的方式组织地图检索。本发明采用了两种数字地图，分省图和标准分幅地图。对于前者，以省为单位，每个省区制成一个地图卡，对于后者，以百万分之一图幅为单位，把全国分成40-50个区域，每个区制成一个地图卡。由于省区地图在物理上把全国按省分(省，自治区和直辖市)分成30余个地图库，因此其光标标注精度不如分幅方式高。为了适应概略定位和精细定位要求，对同一幅图分别生成三幅电子地图数据，通过功能键选择分别将其称为远景图幅，中景图幅和近景图。上述每个地图库制成一块地图卡，插入主机机箱插槽内，用户根据需要插入所需的地图卡。

汉字库7是一个汉字字模存储器为主的字模读取电路，库内存储有8000个按国家标准设计的计算机用15×16点阵的汉字。

键盘8设置15个功能键，主要有选取地图卡的取景键，光标键，预定航路键，键对应的功能通过程序控制来实现。

LCD显示系统5由一块分辨率为640×480的单色图形液晶显示器、64K字节显示存储器和显示控制器组成(见图3)。CPU产生的所有数据均需在显示器上显示出来，这些数据包括电子地图，定位光标，定位数据和系统状态的文本格式数据及其它用户所需的数据。

上述各外围设备通过总线4与CPU3连接，

系统的全部功能由ROM/RAM 9中的约30K字节的程序实现。

系统功能的总体流程是：

从GPS信号前端接收原始定位信息-->定位信息的坐标变换及地图投影-->根据投影坐标值从地图卡检索相应区域图并送入显示画面-->投影坐标值以光标形式标注在画面中的地图上-->定位信息同时以数据方式用汉字显示到显示器的文本区-->访问操作面板执行选中的功能键-->回到流程始点，构成流程的循环，上述总体流程还将在以下对控制流程的详细描述中得到进一步说明。

图2是本发明GPS导航仪中的定位信息采集及加工电路的方框图。这部分电路主要有GPS信号前端2，80C198 CPU3，存储器ROM/RAM 9，串行通信TC232以及GAL译码电路10。GPS信号前端与CPU间有一232电平转换电路TC232，这个电路有两路通信口，另一通信口留给外机通信用，GAL电路完成CPU与主内存，CPU与显示存储器以及CPU与外围设备间的地址译码。CPU与ROM之间用8位数据(DATA)线连接，与RAM之间用16位地址(ADDR)线连接。

定位信息的采集及加工过程描述如下(用FORTH语言的伪码书写)；

：RECIVE  访问通信口      读取定位命令字

          提取经纬度值    提取时间日期值

          提取速度方位值  数值存入内存单元；

：TRANS  取经纬度值B，L   B，L作54北京系变换存

         入工作单元

B，L作80国家系变换          存入工作单元

54系的B，L值作地图投影变换  存入工作单元

取世界标准时作北京时间转换  存入工作单元；

图3是本发明GPS导航仪的地图卡检索与显示电路的方框图。这部分电路主要有地图卡6，LCD显示器5和CPU3，GAL电路10作用同上，地图卡上由2兆字节的EPROM及相关的地址译码器组成，卡上有远景/中景/近景三套不同信息量的区域数字地图，还有标题字与索引控制表等管理信息。CPU通过总线访问地图卡。系统初始化或执行取景功能键时把标题字和索引控制表读入内存，以备检索地图。LCD显示系统的组成是控制器1351F，液晶板和显示存储器RAM，CPU通过总线访问控制器1351F，把显示数据(图形和文本)写入显存RAM，控制器对液晶板逐行扫描刷新。

电路工作过程用FORTH语言伪码描述如下：

：DISPMAP  取投影变换值X，Y

           X，Y在索引控制表中检索相应的区域

           图号i

           求出地图卡地址  长度

           DO  取卡址一个字节

               字节写入显示存储区

           LOOP；

在上述的检索与显示电路中，液晶显示控制器1351F是专为微处理器设计的，如80286，Z80等，但在本发明中是用单片机80C198驱动分辨率为640×480的图形液晶显示器，因此在80C198与1351F的连接中，前者不能满足后者的数据读写等待时间，所以仅用硬件技术(如上述电路连接)就会在CPU读取显示存储器时出现丢失数据现象。为此，本发明还通过软件的方式在内存中设计了一个局部显存映射区，该映射区是1351F所控制的一个局部显存区的图形映射，当需从显存读取图形数据时，不直接从显存读取，而是从映射区读取，这样就克服了数据丢失的现象。

图4是本发明GPS导航仪中的汉字库读取与显示电路，这部分电路主要包括CPU3，汉字库电路7与显示电路5，汉字库选用的是国家标准汉字点阵芯片GB5199A，该芯片有15×16点阵汉字模8000个，汉字库电路除GB5199A外，还有配套的代码—地址转换电路B202。连续读取32字节的计数器，数据缓冲和地址译码等与CPU的接口电路。

需要显示汉字时，CPU把汉字国标码写入汉字库电路，汉字库电路依此码从汉字芯片中顺序读取32字节长的字模，CPU相继读到32字节的字模后转送入显示存储器中预先指定的位置，于是在屏面的指定处产生一个汉字。

上述过程的FORTH语言伪码描述如下：

：DISPCHINES  国标码写入汉字库  置光标值

               320 DO取一字节字

               模字模写入显示LOOP；

以下描述本发明的GPS导航仪的运行程序。

GPS导航仪的运行程序设计采用模块化的自顶向下的结构，用FORTH语言来实现，程序量约30K字节，固化在一片32K的EPROM中。所有软件模块被组织成单词，存储到FORTH词典中，词典约包括600余个单词，这些单词可归纳为以下几类：

主菜单(主控)单词

预置导航路线单词

定位单词

地图卡检索程序

坐标变换和投影单词

航点记录单词

图形/汉字显示单词

定位数据采集单词

键盘扫描单词

故障检测和处理单词

首先参看图5描述的主控程序。该程序流程图如图5所示，在步骤1中进入主控程序，接着在步骤2中判断是否插入地图卡，若没有插入地图卡，则导航仪仅执行定位显示处理，显示的内容仅包括定位的文本数据(经纬度和时间等)，没有地图显示功能。在这种状态下，导航仪将作为普通的GPS导航定位仪使用，如步骤4所示。如果插入了地图卡，程序到达步骤3显示主菜单。在硬件设计中对RAM存储体安装了电池维持供电，所以在整机切断外部电源后仍能维持已行进的路线和预定航线，保证下次开机后与以前导航结果的连续性。当用户不再需要以前的历史记录时，可选择″清除已保持的航路″之主菜单功能，如步骤6所示，将存储航路的记录区清零，当然，用户也可以选择步骤5所示的″预置导航路线″之主菜单，最后程序都返回到步骤3。

在图6中进一步描述了上述程序流程中的″定位显示处理″步骤。在步骤1进入″定位显示处理″程序。在步骤2判断是否接收到有效的卫星定位信号，若无则程序返回。若有则到达步骤3，提取WGS84坐标系的经纬度，世界标准时等数据。接着在步骤4中将WGS84坐标的经纬度值变换为54北京坐标系和80国家坐标系的经纬度值。在步骤5中将世界标准时变换为北京时间并存储当前速度与方位值。在步骤6中判断54北京坐系的经纬度值是否超出当前地图卡范围或当前有否地图卡？若超限或无卡，则在步骤7中仅显示文本方式的定位数据，然后程序返回到其起始处，否则在步骤8中将北京54坐标系的经纬度值投影到地图平面，包括双标准纬线割园锥投影和高斯投影。接着在步骤9和10中分别将地图平面坐标变换到显示坐标Xd，Yd和将Xd，Yd变换到当前图幅坐Xw，Yw。在步骤11中判断上述Xw，Yw是否位于当前显示窗口？若是，则程序到达到步骤14。在步骤12中计算Xw，Yw所对应的窗口地址。在步骤13中从地图卡中检索相应窗口并在显示屏上显示该窗口地图。在步骤14之后程序将到达步骤15，扫描键盘，判断是否有键被按下。若无键被按下，程序返回该步骤继续扫描键盘，若有键被按下，根据按下的不同功能键，例如远景键，中景键，近景键和闪航线键等，分别在步骤16、17、18和19中执行相应功能。例如在步骤16中置远景图并显示之，在步骤17中置中景图并显示Xd，Yd所在的窗口，在步骤18中置近景图并显示Xd，Yd所在的窗口，在步骤19中显示预定航线及已走航线，等等。执行完相应功能后程序返回到程序起点。

现参看图7详细描述″预置导航路线″步骤。如图所示，在步骤1中进入″预置导航路线″程序。在步骤2中预置远景图并显示预置的当前光标。接着在步骤3中扫描键盘，判断是否有键被按下？若无，则程序返回该步骤继续扫描键盘，若有键被按下，则如在上一程序中一样，根据按下的不同功能键执行相应的功能。这些功能键包括″光标移动键″、″步长设定键″、″存点键″、″删点键″和″选景键″，它们分别对应步骤4、5、6、7和8。在步骤4中对当前光标移位，移位长度为步长值。在步骤5中修改步长值。在步骤6中把当前光标处的显示坐值Xd，Yd存入预定航线缓冲器并显示该航线。在步骤7中删除最后一次存入的航点。在步骤8中改变当前设定的图幅，显示新图幅的一个窗口地图。在执行完上述各功能后程序都返回到步骤3，继续扫描键盘，准备执行新的功能。

如上所述，本发明的GPS导航仪由于配置了数字地图，特别是配置了中国电子地图，方便了广大的国内陆地用户，同时提供的定位，测速，测时功能和导航操作以及汉字显示等更是极大地方便了用户的操作使用。

Claims (5)

1.一种GPS导航仪，由天线1，GPS信号前端2，CPU3，天线与GPS信号端相连接，GPS信号经天线和GPS信号前端传送到CPU、ROM/RAM9组成，其特征在于该导航仪还包括LCD显示器5、键盘8、数字地图卡6和汉字库7，CPU与ROM/RAM9、LCD显示器5、键盘8、数字地图卡6和汉字库7通过总线4实现连接。

2.根据权利要求1的GPS导航仪，其特征在于其中所述地图卡是一个EPROM存储体，存储了覆盖一个给定区域的光栅格式的电子地图。

3.根据权利要求2的GPS导航仪，其特征在于给定区域的电子地图范围可以是一个行政省区，或是按照地图分幅方法划分的若干个幅区，每一幅图分别生成三幅含有不同信息量的地图，分别称之为远景图幅，中景图幅和近景图幅。

4.根据权利要求1的GPS导航仪，其特征在于其中的ROM/RAM9、数地图卡6和汉字库7的地址译码部分采用GAL芯片技术来实现。

5.根据权利要求4的GPS导航仪，其特征在于所述显示器5的驱动采用了在内存中设置了一个局部映射区，该映射区是显示控制器所控制的一个局部显示存储区的图形映射，当需要从显示存储器读取图形数据时，不直接读取该显示存储器而是读取该映射区。

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