【摘要】： 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、分布式計算技術(shù)、無線通訊技術(shù)、移動計算技術(shù)、微型嵌入式技術(shù)以及微型RTOS技術(shù)的快速發(fā)展,使得計算機技術(shù)逐步嵌入到各種日常的信息工具之中,并使這些工具更加功能化和智能化；信息技術(shù)的重心正在由信息管理與存儲轉(zhuǎn)向信息處理、信息加工與整合、信息的高效利用和信息快速獲取等領域。另外,空間信息技術(shù)中的諸多技術(shù)在社會各領域中的集成更加密切,定位導航系統(tǒng)已經(jīng)得到了快速的發(fā)展和廣泛應用。尤其是在大眾化的嵌入式導航系統(tǒng)方面,其功能和和作用已被人們接受和認可。嵌入式導航系統(tǒng)是可以廣泛應用在各類車載、手持、輕量級娛樂消費產(chǎn)品中,同時也涉及到硬件、操作系統(tǒng)、地圖數(shù)據(jù)服務、導航應用和用戶界面的多層次系統(tǒng)。隨著無線網(wǎng)絡的快速發(fā)展和城市信息化服務程度的提高,系統(tǒng)所提供的各種綜合信息服務已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的關鍵組成,在國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了大量以嵌入式導航為基礎和主要內(nèi)容的智能交通系統(tǒng),它們在社會的發(fā)展和進步中,起到了重要的推動作用。但由于目前的嵌入式硬件的多樣性、操作系統(tǒng)的多樣性以及現(xiàn)有導航電子地圖數(shù)據(jù)的組織與管理中的諸多不足使得嵌入式導航類系統(tǒng)在應用領域上、功能擴展中均出現(xiàn)了較多的限制和約束,故大部分的應用都是由不同的廠商獨立開發(fā)為主。硬件層和系統(tǒng)層的巨大差異,產(chǎn)品多樣化、良莠不齊等現(xiàn)象,使得基于導航的嵌入式應用服務難以滿足行業(yè)需求,應用擴展困難。 目前的嵌入式導航系統(tǒng)研究主要以硬件廠商和導航電子地圖商為主,研究的內(nèi)容主要集中在導航軟件與固定嵌入式硬件平臺的捆綁開發(fā),信息服務以導航為主,信息服務數(shù)據(jù)也主要以國際主流導航電子地圖格式為標準,產(chǎn)品性能差異很大,可移植能力弱,軟件的擴展性有限。國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了一些能夠進行嵌入式GIS開發(fā)和導航應用的開發(fā)軟件平臺,但這些開發(fā)平臺基本都是以某個具體的嵌入式操作系統(tǒng)或定制系統(tǒng)環(huán)境來開發(fā)的。目前還缺乏對導航系統(tǒng)進行從底向上的深入分析與研究,但由于嵌入式導航系統(tǒng)的特殊性,某些高性能算法和數(shù)據(jù)模型的研究已經(jīng)遠遠不能滿足嵌入式導航系統(tǒng)的需求。合理的系統(tǒng)架構(gòu)設計、空間信息數(shù)據(jù)的高效組織與設計與嵌入式系統(tǒng)多模塊的合理調(diào)度等關鍵技術(shù)已經(jīng)成為嵌入式導航系統(tǒng)的核心基礎,跨平臺的嵌入式軟件開發(fā)方法、多引擎的導航內(nèi)核組織是導航系統(tǒng)快速開發(fā)與應用的核心。因此,對嵌入式硬件和嵌入式操作系統(tǒng)的系統(tǒng)分析與研究,對空間數(shù)據(jù)在嵌入式領域的合理管理與應用,以及多引擎的設計與集成,配合正確的嵌入式軟件的開發(fā)技術(shù),即構(gòu)建可移植嵌入式導航平臺是快速進行嵌入式導航系統(tǒng)開發(fā)和應用拓展的重要途徑。 本文結(jié)合國家自然科學基金項目：十一五國家支撐計劃《城市空間信息基礎設施共享關鍵技術(shù)研究與示范》,重點研究和設計具備核心導航能力的可移植嵌入式導航平臺,解決基于定位導航的嵌入式信息服務領域的空間數(shù)據(jù)組織管理、硬件平臺差異化、行業(yè)應用和大眾服務拓展性等問題。研究了國內(nèi)外嵌入式導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織與管理模式、可移植軟件的開發(fā)方法與途徑、多引擎的導航模塊設計與實現(xiàn)等關鍵內(nèi)容。分析了對不同硬件平臺和軟件平臺系統(tǒng)適應性設計；設計了自己的導航電子地圖物理存儲格式,并在此基礎上實現(xiàn)了多元數(shù)據(jù)的集成和管理；結(jié)合導航核心應用,將定位、路徑分析、智能導航等多中應用引擎進行了詳細設計和實現(xiàn)；利用了增強可擴展的文件訪問模塊和高效的內(nèi)存管理模塊,配合獨立的GUI引擎使得整個導航平臺具備了優(yōu)秀的性能和良好的地圖表現(xiàn)力,能夠適用于多種行業(yè)的應用開發(fā)和擴展。具體的研究工作如下： (1)分析回顧了嵌入式導航系統(tǒng)的應用與發(fā)展,指出了多技術(shù)在嵌入式領域的集成和智能化是嵌入式導航系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢,而導航電子地圖數(shù)據(jù)、無線數(shù)據(jù)傳輸、行業(yè)應用集成和跨平臺的開發(fā)支持是目前嵌入式導航系統(tǒng)發(fā)展的重點。對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)、導航電子地圖技術(shù)、多引擎技術(shù)和導航技術(shù)等進行分析討論,指出了可移植嵌入式導航平臺的可行性。并結(jié)合空間信息服務的特征,國內(nèi)外的行業(yè)應用的需求,甚至物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,提出了可移植嵌入式導航平臺在目前和未來信息化社會中的必要性和重要性。 (2)比較分析了嵌入式導航系統(tǒng)的應用模型,討論了嵌入式導航平臺的核心模塊組成,從GIS角度導航數(shù)據(jù)的組織和管理進行分析,總結(jié)了嵌入式導航地圖數(shù)據(jù)的邏輯分類、管理、空間索引、路徑分析、路徑導航、地圖顯示等內(nèi)容,給出了嵌入式導航系統(tǒng)的層次模型。為實現(xiàn)系統(tǒng)的跨平臺,給出了可移植嵌入式導航平臺的主要特征,并對相關的關鍵技術(shù)做了討論,采用對硬件層和操作系統(tǒng)層進行抽象的方法實現(xiàn)了導航平臺的功能模塊與硬件和系統(tǒng)軟件的無關性設計。同時,對導航電子地圖進行研究,重點分析其道路模型、物理存儲格式和多元數(shù)據(jù)的組織管理；根據(jù)自己所設計的導航電子地圖,對系統(tǒng)的多引擎結(jié)構(gòu)進行設計,將GUI、路網(wǎng)分析、定位導航、無線通信等關鍵模塊在平臺中的組織和使用進行了分析,構(gòu)建了可移植嵌入式導航平臺的完整架構(gòu)。 (3)利用抽象層設計技術(shù),將嵌入式導航平臺與嵌入式硬件和嵌入式操作系統(tǒng)完整集成,利用硬件抽象層技術(shù)實現(xiàn)硬件平臺與嵌入式操作系統(tǒng)的隔離,利用操作系統(tǒng)抽象層將導航平臺與嵌入式操作系統(tǒng)相隔離。討論了抽象層設計中所要涉及的消息的抽象設計、文件接口設計等內(nèi)容,著重對GUI視窗系統(tǒng)進行了詳細討論和分析,利用GAL和IAL,結(jié)合對消息和窗口的分層管理機制,設計了類Windows的獨立視窗系統(tǒng)。通過對上述部分的分析和設計,為平臺設計了完整的可移植抽象層,為跨平臺的軟件開發(fā)奠定了良好的基礎。 (4)從導航和應用角度討論了導航電子地圖應該遵循的原則,結(jié)合數(shù)據(jù)的管理,對大圖幅的地圖管理和無縫拼接技術(shù)進行討論,從空間數(shù)據(jù)的管理角度對導航系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)組織與協(xié)同調(diào)度機制進行研究,提出了能夠滿足導航應用和信息服務擴展的數(shù)據(jù)組織模式。通過將數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一格網(wǎng)索引組織,在不同的比例尺層中放置不同的數(shù)據(jù),按照既定的比例尺規(guī)則,實現(xiàn)了連續(xù)地圖操作時的連貫瀏覽,同時,對每個格網(wǎng)的數(shù)據(jù)采用分包策略組織,并進行集中存儲,根據(jù)道路的拓撲結(jié)構(gòu),將分割后的道路段連接,構(gòu)建IDT表,實現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)的無損存儲壓縮。在此基礎上,對主流導航數(shù)據(jù)的物理存儲格式進行討論,從物理存儲的角度,對物理文件的存儲模型進行設計,并結(jié)合嵌入式設備的特征,對數(shù)據(jù)的壓縮給出了自己的解決策略,利用簡化結(jié)構(gòu)、比特位存儲及分塊壓縮等三個步驟,使得產(chǎn)生的導航地圖數(shù)據(jù)可以滿足導航大眾應用的需求,在數(shù)據(jù)量上,在數(shù)據(jù)的存儲信息等方面都能很好地對導航進行支持。 (5)對導航平臺中的多引擎結(jié)構(gòu)進行設計,給出了合理的設計模型。基于Framebuffer的GDI顯示引擎實現(xiàn)了優(yōu)秀的可視化地圖表現(xiàn)能力,配合自己獨立的GUI視窗系統(tǒng),能夠高性能地進行各種定制的信息顯示。文件訪問調(diào)度引擎為導航各個模塊的高效提供各種數(shù)據(jù),保證了各模塊的高速運轉(zhuǎn)和服務。內(nèi)存管理引擎中多種管理模型的使用,實現(xiàn)了小內(nèi)存、低訪問量、高命中率等優(yōu)良特性,使得平臺在不同硬件參數(shù)的機器上都能夠優(yōu)秀的性能表現(xiàn)。定位導航引擎在GPS信號的組織管理上、導航中的不同場景中的業(yè)務設計上,其信號解析模塊、路徑分析模塊、地圖匹配模塊都很好地滿足了實際的定位導航的需求,在實際的路測中,也達到了很好的目標。經(jīng)過認真設計的多引擎導航平臺結(jié)構(gòu),是利用多種管理模型和組織模型的結(jié)果,它本身具備分層和模塊結(jié)構(gòu)使得平臺可以滿足不同層次的業(yè)務需求,也能夠提供各種定制的應用,更能夠在不同的行業(yè)進行業(yè)務拓展,因此,它是導航平臺的業(yè)務核心,是平臺的強健支撐。 (6)研究實現(xiàn)了可移植嵌入式導航平臺,并在此基礎上,通過對幾個應用系統(tǒng)的開發(fā)驗證了平臺在可移植性、良好的多元數(shù)據(jù)組織與存儲、多引擎的導航結(jié)構(gòu)等方面具有的良好性能,另外,系統(tǒng)中不同的應用開發(fā)和無線網(wǎng)絡通信的整合驗證了平臺具備的優(yōu)秀擴展能力和可開發(fā)能力。驗證了平臺所具備的優(yōu)秀性能和高適應能力。
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TP368.12

【引證文獻】

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本文編號：2790544