基于Google Earth的GPS導航系統(tǒng)

　1 緒論

　　隨著科技的發(fā)展車輛的普及，人們對GPS實時導航的需求變的越來越突出。隨之出現(xiàn)了，許多GPS實時導航系統(tǒng)，這其中有軟硬件集成一體的GPS導航設備，也有基于其他GPS設備的軟件系統(tǒng)。而所有的這些GPS導航幾乎都是以線框圖為主。線框圖的方式比較適用于城市內部的導航，當有需要去郊區(qū)或者山地野外去探險等活動時，這種方式就顯得力不從心了。

　　因為這些地方的地圖信息少，圖示比較粗糙，其次，它提供的時線框的方式去描述地理，顯然不能很深刻的反應該地的地貌特征，比如海拔，山野等。而且為了及時更新維護這些線框圖帶來的代價也時很大的。而這些需求的信息可以在衛(wèi)星地圖上找到。

　　與此同時Google公司在近些年出來的Google Earth軟件，是一款十分優(yōu)秀的衛(wèi)星地圖服務軟件，它免費提供的衛(wèi)星地圖精度很高。大部分地區(qū)的地區(qū)都比較清晰，特別是各個城市的照片，可以清晰的看到馬路上的車輛。在中國衛(wèi)星圖像里，一線城市以2009、2010年拍攝的為主，二、三線城市以05、06年的庫存圖片為主，能較好地滿足導航的要求。

　　在Google Earth Plus以上的收費版本中還提供了GPS接口，能實時地顯示當前位置的地圖和移動軌跡。而在免費版本中不帶這個功能。因此，設計一個基于Google Earth的GPS導航系統(tǒng)也是很有實際意義的。通過該系統(tǒng)，完成對Google Earth軟件的控制，從而達到基于GPS的實物圖導航的目的。

　　此外近期， 基于Google Earth的開發(fā)已經很多了， 例如， 利用Google官方提供的3D圖形繪制工具，繪制各種建筑或者樹木等物品，可以上傳擺置在Google Earth上面作為產品展出，也可以設計各種樹木擺放到山林的平面衛(wèi)星照片上，從而勾勒出具有3D特性的衛(wèi)星地圖，便于防止森林火災搶救等應用。

　　2 需求分析

　　2.1 功能需求

　　本系統(tǒng)由如下的四部分構成：

　　1）GPS導航系統(tǒng)與GPS設備的通訊模塊。

　　2）WEB服務器，接受來至于Google Earth的Network Link的請求，響應當前的坐標及軌跡信息。

　　3）預定軌跡的導航，根據預定軌跡對位置進行檢測，實現(xiàn)偏離預定軌跡時的報警功能。

　　4）提供軌跡管理和與其他GPS數據交換的工具。

　　2.2 數據流分析

　　如圖1，在整個系統(tǒng)中，數據的流動比較的重要，各個功能之間的數據信息的交互都是數據的流動。GPS硬件設備是個數據源，不停的接受來自衛(wèi)星的信號，通過計算，組織成有格式的數據流傳遞到本系統(tǒng)，而本系統(tǒng)對這些GPS信息進行讀取，并與系統(tǒng)內部的其他的功能配合完成一系列功能。由于系統(tǒng)要控制Google Earth來完成衛(wèi)星地圖的導航功能，所以必須要有一個可以控制Google Earth軟件的方式來完成這個任務。這個功能需要把之前從GPS硬件設備讀取的信息以某種方式來控制Google Earth。此外，系統(tǒng)的軌跡管理功能也需要與其他功能配合才能完成一系列的管理功能。

　　圖1 數據流圖

　　3 系統(tǒng)設計

　　3.1 系統(tǒng)模型

　　圖2 系統(tǒng)模型圖

　　完成GPS導航的整個系統(tǒng)的模型如圖2所示。這其中包含了很多外部硬件設備和軟件系統(tǒng)，而我們的GPS導航系統(tǒng)是安裝在用戶的PC機或筆記本電腦中的。

　　首先GPS設備不斷的接受來至于各個衛(wèi)星的無線信號，通過它本身的固件計算得出當前的坐標等相關地理信息。然后與計算機進行藍牙通訊傳送這些地理信息，而在計算機中，操作系統(tǒng)底層把藍牙通訊模擬成基本的串口通訊，供應用程序調用。本GPS導航系統(tǒng)，自動識別當前計算機中的被模擬為串口的端口號，并不斷的讀取來至于GPS設備的地理信息。再通過Google Earth控制模塊，控制Google Earth的顯示，若當前的地圖信息還未加載，Google Earth會根據當前的網絡情況，連接Google Earth服務器獲取對應坐標視角的地圖信息。用戶一般都是在駕車行駛的時候需要這種導航，所以一般可能的話，可以通過筆記本無線網絡連接Google Earth服務器，正如圖2所示。

　　3.2 功能模塊劃分

　　整個系統(tǒng)由四大模塊組成。分別為GPS設備通訊模塊，WEB服務器模塊，預定軌跡導航模塊，用戶圖形界面。

　　1）GPS設備的通訊模塊根據操作系統(tǒng)底層對藍牙的模擬串口，讀取GPS設備發(fā)送過來的地理信息，并過濾無用信息，動態(tài)的更新到自定義的數據結構中去。

　　2）WEB服務器模塊接受來至于Google Earth的Network Link的請求，結合之前更新在結構體中的坐標信息，生成用來改變Google Earth顯示的KML文件，并響應Google Earth.

　　3）預定軌跡導航模塊先加載KML文件，獲得預定的軌跡信息。啟動導航功能之后，實時地根據預定軌跡對當前位置檢測，并在當前位置偏離預定軌跡時，提供報警功能。

　　4）用戶圖形界面為了便于用戶的快捷使用，本系統(tǒng)提供類似與金山快譯的工具條按鈕組，所有的功能全都由工具條上的幾個形象的按鈕完成。十分便利。

　　3.3 核心模塊分析

　　3.3.1 GPS模塊

　　圖3 GPS模塊分析

　　這里GPS模塊的輸入是來至于GPS硬件設備發(fā)送過來的地理信息，而它的輸出是對這些地理信息解析提取出來的坐標和軌跡信息，傳遞給GoogleEarth控制模塊。內部完成串口數據的接受與坐標軌跡的提取。

　　3.3.2 Google Earth控制模塊

　　圖4 Google Earth控制模塊分析

　　這個Google Earth控制模塊，有兩個輸入，一個是外部輸入，就是來自于Google Earth的請求，一個是用于構造響應這個請求時用到的坐標與軌跡信息，這些信息來至于GPS模塊，對外輸出就是響應Google Earth的KML文件。

　　3.3.3 串口通訊模塊分析

　　圖5 串口通訊模塊

　　在這個過程中，首先GPS設備不斷的接受來至于各個衛(wèi)星的無線信號，通過它本身的固件計算得出當前的坐標等相關地理信息。然后與計算機進行藍牙通訊傳送這些地理信息，而在計算機中，操作系統(tǒng)底層把藍牙通訊模擬成基本的串口通訊，供應用程序調用。我們的GPS導航系統(tǒng)，自動識別當前計算機中的被模擬為串口的端口號，并開啟線程，不斷的讀取來至于GPS設備的地理信息。這里并不是所有的地理信息在本系統(tǒng)都是有用的，通過程序過濾，提取出當前坐標點經緯度、速度、方向等幾個基本的數據信息。把這些信息存儲到結構體中，并通過與之前的坐標點的累加，可以構造出一連串的坐標，從而構成行駛軌跡。

　　3.3.4 WEB服務器模塊分析

　　WEB服務器模塊中首先開啟HTTP服務線程， 等待來至于GoogleEarth的Network Link的請求，結合之前更新在結構體中的坐標信息，生成用來改變Google Earth顯示的KML文件，并響應Google Earth.這里有三個KML文件，其中Network Link中的URL直接指向http://127.0.0.1:5080/index.kml.這里的5080是WEB服務器注冊的端口號。

　　3.3.5 預定軌跡導航模塊分析

　　圖6 預定軌跡導航及越界警報模塊

　　預定軌跡導航及越界警報模塊中，首先在導航之前要加載預定軌跡。

　　為了便于繪制和存儲，我們就采用Google Earth中對軌跡的存儲的KML軌跡文件作為預定軌跡的載體。在加載完預定軌跡之后就可以開啟GPS導航，串口通訊模塊不斷的讀取當前坐標信息，而系統(tǒng)專門啟動一個線程定時的去檢測當前坐標與預定軌跡之間的距離，當超出設置的預定軌跡的范圍的時候，即偏離預定軌跡時，啟動警報系統(tǒng)，發(fā)出聲音警報，提醒用戶當前坐標已經偏離預定的軌跡范圍了。若是沒有偏離預定軌跡，則線程睡眠一段時間，再次檢測當前位置與預定軌跡之間的距離，開始下一輪的檢測與警報。