發(fā)布時間：2020-08-12 12:34

【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(jī)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(lǐng)域。另外,空間信息技術(shù)中的諸多技術(shù)在社會各領(lǐng)域中的集成更加密切,定位導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)得到了快速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。尤其是在大眾化的嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)方面,其功能和和作用已被人們接受和認(rèn)可。嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)是可以廣泛應(yīng)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(wù)、導(dǎo)航應(yīng)用和用戶界面的多層次系統(tǒng)。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展和城市信息化服務(wù)程度的提高,系統(tǒng)所提供的各種綜合信息服務(wù)已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的關(guān)鍵組成,在國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了大量以嵌入式導(dǎo)航為基礎(chǔ)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(jìn)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(dǎo)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(dǎo)航類系統(tǒng)在應(yīng)用領(lǐng)域上、功能擴(kuò)展中均出現(xiàn)了較多的限制和約束,故大部分的應(yīng)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(dǎo)航的嵌入式應(yīng)用服務(wù)難以滿足行業(yè)需求,應(yīng)用擴(kuò)展困難。 目前的嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)研究主要以硬件廠商和導(dǎo)航電子地圖商為主,研究的內(nèi)容主要集中在導(dǎo)航軟件與固定嵌入式硬件平臺的捆綁開發(fā),信息服務(wù)以導(dǎo)航為主,信息服務(wù)數(shù)據(jù)也主要以國際主流導(dǎo)航電子地圖格式為標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品性能差異很大,可移植能力弱,軟件的擴(kuò)展性有限。國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了一些能夠進(jìn)行嵌入式GIS開發(fā)和導(dǎo)航應(yīng)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(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行從底向上的深入分析與研究,但由于嵌入式導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。合理的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、空間信息數(shù)據(jù)的高效組織與設(shè)計與嵌入式系統(tǒng)多模塊的合理調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成為嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)的核心基礎(chǔ),跨平臺的嵌入式軟件開發(fā)方法、多引擎的導(dǎo)航內(nèi)核組織是導(dǎo)航系統(tǒng)快速開發(fā)與應(yīng)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(lǐng)域的合理管理與應(yīng)用,以及多引擎的設(shè)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(dǎo)航平臺是快速進(jìn)行嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用拓展的重要途徑。 本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目：十一五國家支撐計劃《城市空間信息基礎(chǔ)設(shè)施共享關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》,重點研究和設(shè)計具備核心導(dǎo)航能力的可移植嵌入式導(dǎo)航平臺,解決基于定位導(dǎo)航的嵌入式信息服務(wù)領(lǐng)域的空間數(shù)據(jù)組織管理、硬件平臺差異化、行業(yè)應(yīng)用和大眾服務(wù)拓展性等問題。研究了國內(nèi)外嵌入式導(dǎo)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(dǎo)航模塊設(shè)計與實現(xiàn)等關(guān)鍵內(nèi)容。分析了對不同硬件平臺和軟件平臺系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計；設(shè)計了自己的導(dǎo)航電子地圖物理存儲格式,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了多元數(shù)據(jù)的集成和管理；結(jié)合導(dǎo)航核心應(yīng)用,將定位、路徑分析、智能導(dǎo)航等多中應(yīng)用引擎進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計和實現(xiàn)；利用了增強(qiáng)可擴(kuò)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(dǎo)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(yīng)用開發(fā)和擴(kuò)展。具體的研究工作如下： (1)分析回顧了嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展,指出了多技術(shù)在嵌入式領(lǐng)域的集成和智能化是嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢,而導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)、無線數(shù)據(jù)傳輸、行業(yè)應(yīng)用集成和跨平臺的開發(fā)支持是目前嵌入式導(dǎo)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(dǎo)航電子地圖技術(shù)、多引擎技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)等進(jìn)行分析討論,指出了可移植嵌入式導(dǎo)航平臺的可行性。并結(jié)合空間信息服務(wù)的特征,國內(nèi)外的行業(yè)應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用模型,討論了嵌入式導(dǎo)航平臺的核心模塊組成,從GIS角度導(dǎo)航數(shù)據(jù)的組織和管理進(jìn)行分析,總結(jié)了嵌入式導(dǎo)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(dǎo)航、地圖顯示等內(nèi)容,給出了嵌入式導(dǎo)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(dǎo)航平臺的主要特征,并對相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)做了討論,采用對硬件層和操作系統(tǒng)層進(jìn)行抽象的方法實現(xiàn)了導(dǎo)航平臺的功能模塊與硬件和系統(tǒng)軟件的無關(guān)性設(shè)計。同時,對導(dǎo)航電子地圖進(jìn)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(shè)計的導(dǎo)航電子地圖,對系統(tǒng)的多引擎結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,將GUI、路網(wǎng)分析、定位導(dǎo)航、無線通信等關(guān)鍵模塊在平臺中的組織和使用進(jìn)行了分析,構(gòu)建了可移植嵌入式導(dǎo)航平臺的完整架構(gòu)。 (3)利用抽象層設(shè)計技術(shù),將嵌入式導(dǎo)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(dǎo)航平臺與嵌入式操作系統(tǒng)相隔離。討論了抽象層設(shè)計中所要涉及的消息的抽象設(shè)計、文件接口設(shè)計等內(nèi)容,著重對GUI視窗系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)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(jī)制,設(shè)計了類Windows的獨立視窗系統(tǒng)。通過對上述部分的分析和設(shè)計,為平臺設(shè)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(chǔ)。 (4)從導(dǎo)航和應(yīng)用角度討論了導(dǎo)航電子地圖應(yīng)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(jìn)行討論,從空間數(shù)據(jù)的管理角度對導(dǎo)航系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)組織與協(xié)同調(diào)度機(jī)制進(jìn)行研究,提出了能夠滿足導(dǎo)航應(yīng)用和信息服務(wù)擴(kuò)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(jìn)行集中存儲,根據(jù)道路的拓?fù)浣Y(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(chǔ)上,對主流導(dǎo)航數(shù)據(jù)的物理存儲格式進(jìn)行討論,從物理存儲的角度,對物理文件的存儲模型進(jìn)行設(shè)計,并結(jié)合嵌入式設(shè)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(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)可以滿足導(dǎo)航大眾應(yīng)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(dǎo)航進(jìn)行支持。 (5)對導(dǎo)航平臺中的多引擎結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,給出了合理的設(shè)計模型�；贔ramebuffer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(jìn)行各種定制的信息顯示。文件訪問調(diào)度引擎為導(dǎo)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(wù)。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(jī)器上都能夠優(yōu)秀的性能表現(xiàn)。定位導(dǎo)航引擎在GPS信號的組織管理上、導(dǎo)航中的不同場景中的業(yè)務(wù)設(shè)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(dǎo)航的需求,在實際的路測中,也達(dá)到了很好的目標(biāo)。經(jīng)過認(rèn)真設(shè)計的多引擎導(dǎo)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(wù)需求,也能夠提供各種定制的應(yīng)用,更能夠在不同的行業(yè)進(jìn)行業(yè)務(wù)拓展,因此,它是導(dǎo)航平臺的業(yè)務(wù)核心,是平臺的強(qiáng)健支撐。 (6)研究實現(xiàn)了可移植嵌入式導(dǎo)航平臺,并在此基礎(chǔ)上,通過對幾個應(yīng)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(dǎo)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(yīng)用開發(fā)和無線網(wǎng)絡(luò)通信的整合驗證了平臺具備的優(yōu)秀擴(kuò)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(yīng)能力。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TP368.12

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號：2790544