CN104181565A - 一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间定位领域，具体指一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘系统。本发明设备中北斗卫星导航模块、单片机控制模块、数据存储模块和USB接口依次相连，模式选择按键以及显示器模块分别与单片机控制模块相连；能够根据运动者需要显示包括UTC时间、经度、纬度、卫星数量、速度和高度等定位信息；并且在运动过程结束之后，通过USB接口将上述信息载入计算机中，利用高斯投影公式转换坐标系，结合地图数据，将运动轨迹进行在地图中重绘；并能显示不同路段不同时间的运动速度，帮助运动者更好地结合自身的实际情况制定运动计划。同时也可应用于如汽车、船舶、飞机等运输工具的研发测试中，帮助设备的校准和机械的调试。
Description
技术领域
本发明涉及空间定位领域，特别涉及一种基于北斗卫星导航系统的应用领域。
背景技术
随着生活水平的提高和科研技术的进步，人们对于健康的追求愈发强烈，对于运动的管理也愈发的重要，尤其对于户外运动，例如户外长跑、自行车竞赛和越野比赛等越来越受到人们广泛喜爱和参与，此时对于运动轨迹的重绘和不同阶段的速度和运动状态的测试和分析，变得尤为重要，利用卫星导航系统的定位信息，记录运动者的路径、速度、时间和经纬度等参数，并将这些参数转化为运动轨迹输出，将科学和客观的掌握运动状态，且便于运动者结合自身的实际情况制定日常锻炼或比赛训练计划。
在科研领域，比如汽车、船舶、飞机等运输工具的研发测试中，我们利用北斗卫星导航系统（BDS）的定位精度高、定位时间快和可以双向传输等优点，绘制和输出运动测试的轨迹和相关参数，便于之后设备校准和机械测试。
市场现有的进行空间定位研究的平台多是基于美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统及欧盟伽利略定位系统，在关键技术上缺少使用我国的自主知识产权，并且只能保证数据的单向传输，不利于长远的科研发展；而北斗卫星导航系统相较于三者，定位精度更高、刷新时间更短，可双向传输，适合于大范围在中国乃至全世界推广应用。其次，目前的定位仅仅局限于定位信息的简单输出，还没有将纯粹的数据通过轨迹在地图上描绘出来的系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘系统，根据北斗卫星导航系统对运动者的位置信息进行实时的记录，在运动结束之后结合数字地图，对整个运动轨迹进行重绘，并能显示运动者在不同路段和不同时间的运动速度，帮助运动者更好地结合自身的实际情况制定运动计划。本发明将突破传统的运动方式，科学地管理运动。同时本发明也可应用于如汽车、船舶、飞机等运输工具的研发测试中，绘制和输出测试运动的轨迹和相关参数，帮助设备的校准和机械的测试。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘设备，包括北斗卫星导航模块、数据存储模块、模式选择按键、显示器模块、单片机控制模块和 USB接口，其中所述北斗卫星导航模块、数据存储模块、模式选择按键和显示器模块分别与单片机控制模块相连，所述数据存储模块还与USB接口相连。
所述北斗卫星导航模块实时的采集卫星定位信息，并将这些信息通过接口传输到单片机控制模块中，所述卫星定位信息包括UTC时间（协调世界时）、经纬度、卫星数量、速度和高度信息；
使用时用户通过模式选择按键，从所述单片机控制模块中读取所需要的卫星定位信息，将其显示在显示器模块中；
所述单片机控制模块将从北斗卫星导航模块所读取到的原始卫星定位信息逐条的存入数据存储模块中，当运动过程结束后，用户通过USB接口将上述原始卫星定位信息读取到计算机中。
作为一种优选，所述北斗卫星导航模块为VK3026M3G5，VK3026M3G5是目前世界上体积最小的BDS模块板之一，其尺寸仅为25mm x 25mm x 4mm，的重量是约14克,内建具备快速定位及追踪33颗卫星的能力北斗芯片，内置备份电池，内置高增益LNA,双路LDO，信号稳定。该芯片定位速度快、功耗低、体积小、质量轻。其输入、输出信息具有格式清晰、信息量大、数据结构完整、功能多、控制灵活、可靠等特点，而且不需二次计算，数据传输兼容GPS技术和国际标准，适合二次开发；且该模块串口可以输出标准的TTL电平串行接口。
作为一种优选，所述单片机模块为MSP430，该芯片具有精简指令集的混合信号处理器，其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案，能够实现信息的读取、选择和处理。
作为一种优选，所述USB接口芯片为CH375B，能够对U盘设备进行读写。
一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘方法，包括以下步骤：
（1）将北斗卫星导航模块所记录的卫星定位信息读取到计算机中，将存有包括UTC时间、经度、纬度、卫星数量、速度和高度的定位信息的设备通过USB接口芯片与计算机相连，将上述卫星定位信息读取到计算机中；
（2）对上述卫星定位信息的进行模式识别和判断，并判断上述卫星定位信息是否符合北斗卫星导航系统的格式；如果信号格式合格转入下一步骤，否则转向上一步骤；格式识别的内容主要包括对信号标示符是否是基于北斗卫星导航系统的进行识别，这是因为目前市面上卫星导航芯片主要是基于GPS的，其定位信息的标示符是GP,而北斗卫星导航系统的定位信息的表示符为BD；
（3）将上述合格的卫星定位信息载入计算机的运动轨迹重绘模块中；
（4）利用高斯投影公式转换坐标系，将上述卫星定位信息在已有的数字地图上绘制成运动轨迹，并将绘制的结果输出和显示出来。
进一步的，所述步骤（4）中，地图上所绘制的运动轨迹中可以显示不同路段和不同时间的运动速度。这样运动者更加准确的了解运动过程的细节和状态，以便更加细致和科学的调整运动节奏、制定运动计划。
作为一种优选，所述运动轨迹中不同路段和不同时间的运动速度，通过线条的不同颜色来表示。
作为一种优选，所述运动轨迹中不同路段和不同时间的运动速度，通过线条的不同形状来表示。
作为一种优选，所述运动轨迹中不同路段和不同时间的运动速度，用数字的方式标注在对应运动轨迹周围。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘系统，可以帮助运动者实时的记录运动，包括UTC时间、经度、纬度、卫星数量、速度和高度等定位信息；并且可以根据运动者的需要将对应信息显示出来，供运动者参考；同时将上述实时定位数据逐条的存入数据存储模块中，当运动过程结束后，通过USB与电脑相连，将上述定位信息读取到电脑中，通过高斯投影公式转换坐标系，并结合现有的数字地图将运动轨迹重新绘制出来，并可显示运动者在不同路段不同时间的运动速度，这样运动者可以根据上述运动轨迹和不同阶段的运动速度，掌握运动的细节和状态，并根据自身的实际情况制定合理运动计划，尤其适合职业运动员比赛训练计划的制定。同时本发明也可应用于如汽车、船舶、飞机等运输工具的研发测试中，绘制和输出测试运动的轨迹和相关参数，可帮助设备的校准和机械的测试。
此外本发明基于北斗卫星导航系统，较阶段市面上基于美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统及欧盟伽利略定位系统相比，具有定位精度更高、刷新时间更短，可双向传输（北斗卫星导航系统具有短报文通信功能）等诸多优势，并且随着北斗卫星导航系统的进一步完善和推广，将具有更加广阔的应用空间。
附图说明：
图1为基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘设备。
图2为基于北斗卫星导航的运动轨迹重绘方法流程示意图。
图3为结合地图数据重绘后的运动轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘设备，如图1所示，包括北斗卫星导航模块、数据存储模块、模式选择按键、显示器模块、单片机控制模块和 USB接口，其中所述北斗卫星导航模块、数据存储模块、模式选择按键和显示器模块分别与单片机控制模块相连，所述数据存储模块还与USB接口相连。
所述北斗卫星导航模块实时的采集卫星定位信息，并将这些数据通过接口传输到单片机控制模块中，所述卫星定位信息包括UTC时间、经度、纬度、卫星数量、速度和高度信息；
使用时用户通过模式选择按键，从所述单片机控制模块芯片中读取所需要的卫星定位信息，将其显示在显示器模块中；
所述单片机控制模块将从北斗卫星导航模块所读取到的原始定位信息逐条的存入数据存储模块中，当运动过程结束后，用户通过USB接口将上述原始定位信息读取到计算机中。
作为一种优选，所述北斗卫星导航模块为VK3026M3G5，VK3026M3G5是目前世界上体积最小的BDS模块板之一，其尺寸仅为25mm x 25mm x 4mm，的重量是约14克,内建具备快速定位及追踪33颗卫星的能力北斗芯片，内置备份电池，内置高增益LNA,双路LDO，信号稳定。该芯片定位速度快、功耗低、体积小、质量轻。其输入、输出信息具有格式清晰、信息量大、数据结构完整、功能多、控制灵活、可靠等特点，而且不需二次计算，数据传输兼容GPS技术和国际标准，适合二次开发；且该模块串口可以输出标准的TTL电平串行接口。
作为一种优选，所述单片机模块为MSP430，该芯片具有精简指令集的混合信号处理器，其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案，能够实现信息的读取、选择和处理。
作为一种优选，所述USB接口芯片为CH375B，能够对U盘设备进行读写。
上述基于北斗卫星导航的运动轨迹的记录和重绘过程如下：
运动者携带或佩戴上述基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘设备准备运动，按下所述设备的模式选择按键，选择进行设备的初始化（设备初始化的过程十分迅速，不会对运动者的运动计划造成任何影响），运动者开始运动，在运动过程中所述北斗模块VK3026M3G5，实时记录运动者的定位信息，该信息包括UTC时间、经纬度、卫星数量、速度和高度，上述信息同时经过设备中的单片机MSP430控制模块，逐条存入数据存储模块中；运动过程中运动者可以根据自己的需要，通过模式选择按键，从所述单片机MSP430控制模块芯片中读取所需要的卫星定位信息，将其显示在显示器模块中。
运动过程结束之后，将上述设备通过USB接口CH375B芯片与计算机相连，将相关定位信息读取到计算机中，并对运动轨迹进行重绘，运动轨迹的重绘过程如图2所示，包括以下步骤：
（1）将北斗卫星导航模块所记录的定位信息读取到计算中，将存有包括UTC时间、经度、纬度、卫星数量、速度和高度的定位信息的设备通过USB接口芯片与计算相连，将上述定位信息读取到计算机中；
（2）对上述定位信息的进行模式识别和判断，并判断上述定位信息是否符合北斗卫星导航系统的格式；如果信号格式合格转入下一步骤，否则转向上一步骤；格式识别的内容主要包括对信号标示符是否是基于北斗卫星导航系统的进行识别，这是因为目前市面上卫星导航芯片主要是基于GPS的，其定位信息的标示符是GP,而北斗卫星导航系统的定位信息的表示符为BD；
（3）将上述合格的定位信息载入计算机运动轨迹重绘模块中；
（4）利用高斯投影公式转换坐标系，将上述定位信息在已有的数字地图上绘制成运动轨迹，并将绘制的结果输出和显示出来。
目前BDS或GPS所使用的坐标系统基本都是WGS—84坐标系，而我们使用的地图大部分都属于54北京坐标系或80 西安国家大地坐标系。要使BDS定位信息正确地显示在数字地图上，必须将BDS定位结果，即大地坐标（L，B）转换为本地高斯平面坐标（x，y）。
一般需要通过两步转换，首先将BDS的WGS-84 的大地坐标（L，B）转换为对应于WGS-84 椭球的高斯坐标平面（x84，y84）；然后再经过平面坐标转换，将高斯平面坐标（x84，y84）强制符合到本地高斯平面坐标系统，以实现BDS 定位信息在已有数字地图中的正确匹配，（目前可以获取的数字地图很多比如说google earth数字地图、百度地图或者其他数字地图）。
由已知的参考大地坐标系中点的大地纬度和大地经度（B, L），求相应的高斯投影直角坐标（x, y）的公式, 称为高斯投影正算公式：
其中
L、B 为转换前的经纬度坐标；x、y 为转换后的高斯坐标；L0为投影带的中央经线坐标；C0、C1、C2、C3 为与点位无关而只与椭球参数有关的常数。
进一步的，所述步骤（4）中，地图上所绘制的运动轨迹中可以显示不同路段和不同时间的运动速度，比如说在绘制的运动轨迹中不同的速度段用不同颜色或者线条形状来显示区分，或者说将每个运动区间的速度用数字的形式直接标注在所绘制的运动轨迹周围。
运动轨迹的重绘的输出实验结果如图3所示（上北下南，左西右东），一名实验运动者携带本发明的基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘设备，在活动区域内开始运动，向南穿过第一教学楼b座、第一教学楼c座和实验楼中间的路径，绕区域内的荷花池逆时针方向运动，依次经过荷花池旁边的音乐厅和第一教学楼a座，并向东经过第一教学楼a座和实验楼中间的路径，再向西南方向穿过实验楼和网球场中间的道路，并最终回到起点附近的终点位置。从图3可以看出整个运动轨迹被分成了5个阶段，分被用不同形状的线条表示，不同形状的线条阶段所代表不同的运动速度，这样通过输出运动轨迹的重绘的结果，运动者就可以很好掌握整个运动过程的细节和状态。上述不同阶段的速度也可以通过不同颜色或者数字标注的方式来区别。图3仅为示意性说明，不代表实际的运动轨迹输出结果。
本发明一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘系统，可以帮助运动者实时的记录运动，包括UTC时间、经纬度、卫星数量、速度和高度等定位信息；并且可以根据运动者的需要将对应信息显示出来，供运动者参考；同时将上述实时定位数据逐条的存入数据存储模块中，当运动过程结束后，通过USB与电脑相连，将上述定位信息读取到电脑中，通过高斯投影公式转换坐标系，并结合现有的地图数据将运动轨迹重新绘制出来，并显示运动者在不同路段不同时间的运动速度，这样运动者可以根据上述运动轨迹和不同阶段的运动速度，来测试运动状态和运动效果，并根据自身的实际情况制定合理运动计划，尤其适合职业运动员的比赛训练计划的制定。同时本发明也可应用于如汽车、船舶、飞机等运输工具的研发测试中，绘制和输出测试运动的轨迹和相关参数，帮助设备的校准和机械的测试。
此外本发明基于北斗卫星导航系统，较阶段市面上基于美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统及欧盟伽利略定位系统相比，具有定位精度更高、刷新时间更短，可双向传输（北斗卫星导航系统具有短报文通信功能）等诸多优势，并且随着北斗卫星导航系统的进一步完善和推广，将具有更加广阔的应用空间。
Claims (9)
1.一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘设备，包括北斗卫星导航模块、数据存储模块、模式选择按键、显示器模块、单片机控制模块和 USB接口，其特征在于，所述北斗卫星导航模块、数据存储模块、模式选择按键和显示器模块分别与单片机控制模块相连，所述数据存储模块还与USB接口相连；
所述北斗卫星导航模块实时的采集卫星定位信息，并将这些信息通过接口传输到单片机控制模块中；
使用时用户通过模式选择按键，从所述单片机控制模块中读取所需要的卫星定位信息，将其显示在显示器模块中；
所述单片机控制模块将北斗卫星导航模块所传输的原始卫星定位信息逐条的存入数据存储模块中，当运动过程结束后，用户通过USB接口将上述原始卫星定位信息读取到计算机中。
2.如权利要求1所述的一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘设备，其特征在于，所述北斗卫星导航模块为VK3026M3G5。
3.如权利要求1所述的一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘设备，其特征在于，所述USB接口芯片为CH375B。
4.如权利要求1所述的一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘设备，其特征在于，所述卫星定位信息包括UTC时间、经度、纬度、卫星数量、速度和高度信息。
5.一种基于北斗卫星导航系统的运动轨迹记录与重绘方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将北斗卫星导航模块所记录的卫星定位信息读取到计算机中；
（2）对上述卫星定位信息的进行模式识别和判断，并判断上述定位信息是否符合北斗卫星导航系统的格式；如果信号格式合格转入下一步骤，否则转向上一步骤；
（3）将上述合格的卫星定位信息载入计算机的运动轨迹重绘模块中；
（4）利用高斯投影公式转换坐标系，将上述卫星定位信息在已有的数字地图上绘制成运动轨迹，并将绘制的结果输出和显示出来。
6.如权利要求5所述的一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘方法，其特征在于，所述步骤（4）中所绘制的运动轨迹，可以显示不同路段和不同时间的运动速度。
7.如权利要求5或6所述的一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘方法，其特征在于，所述运动轨迹中不同路段和不同时间的运动速度，通过线条的不同颜色来表示。
8.如权利要求5或6所述的一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘方法，其特征在于，所述运动轨迹中不同路段和不同时间的运动速度，通过线条的不同形状来表示。
9.如权利要求5或6所述的一种基于北斗卫星导航的运动轨迹记录与重绘方法，其特征在于，所述运动轨迹中不同路段和不同时间的运动速度，用数字的方式标注在对应运动轨迹周围。
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Application publication date: 20141203 |