GPS定位數(shù)據(jù)壓縮算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：為了解決嵌入式GPS車載系統(tǒng)存儲(chǔ)空間小、GPS定位數(shù)據(jù)量大的矛盾，根據(jù)GPS定位數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了專用于GPS定全數(shù)據(jù)壓縮的改進(jìn)型半字節(jié)壓縮算法。該算法是一種在原半字節(jié)壓縮算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的算法，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，壓縮比可達(dá)50%。若將壓縮預(yù)處理也折算法在內(nèi)，總壓縮比可達(dá)80%以上，為車載系統(tǒng)節(jié)省了大量的存儲(chǔ)資源。除此之外，也縮短了GSM信道的占用時(shí)間，大大地緩解了向控制調(diào)度中心上傳數(shù)據(jù)的壓力。嵌入式GPS車載系統(tǒng)般體積較小，無(wú)存儲(chǔ)量大的硬盤等設(shè)備，系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序一般裝在FLASH或ROM中。由于FLASH或ROM等存儲(chǔ)介質(zhì)的價(jià)格相對(duì)臺(tái)式機(jī)上廣泛使用的硬盤、光盤等來說是非常昂貴的，因此，在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的軟件產(chǎn)品時(shí)必須將軟件所占的存儲(chǔ)空間限制在一定的范圍內(nèi)。
在GPS車載系統(tǒng)的研發(fā)過程中，
主要需解決的問題是：車載系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)自導(dǎo)航，必須存儲(chǔ)大量的GPS定位數(shù)據(jù)（每天需要存儲(chǔ)約6MB）；其二是這些數(shù)據(jù)還要通過GSM信道上傳到控制調(diào)度中心（若通過短信業(yè)務(wù)發(fā)送，每次160B，則需要每分上傳6次）。無(wú)疑，數(shù)據(jù)壓縮是在不增加硬件成本的前提下，從軟件的角度來充分發(fā)揮系統(tǒng)現(xiàn)有資源的有效辦法。
數(shù)據(jù)壓縮方法種類繁多，可以分為無(wú)損壓縮和有損壓縮兩大類。無(wú)損壓縮利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)冗余進(jìn)行壓縮。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)冗余度的理論限制，般為2：1到5：1。這類方法廣泛用于文本數(shù)據(jù)、程序和特殊應(yīng)用場(chǎng)合的圖像數(shù)據(jù)（如指紋圖像、醫(yī)學(xué)圖像等）的壓縮。有損壓縮方法利用了人類視覺對(duì)圖像中的某些頻率成分不敏感的特性，允許壓縮過程中的損失一定的信息。雖然不能完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，但是所損失的部分對(duì)理解原始圖像的影響較小，卻換來了大得多的壓縮比。有損壓縮廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音、圖像和視頻數(shù)據(jù)的壓縮。
目前現(xiàn)在的壓縮算法很多，但不能直接用于嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，這完全由嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)所決定。首先，用于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮方法應(yīng)是無(wú)損壓縮方法。其次，壓縮代碼和解碼所需的信息代碼必須足夠短，否則就會(huì)失去壓縮的意義。還有，嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮必須結(jié)合具體的數(shù)據(jù)格式的特點(diǎn)，才能進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的壓縮比。除此之外，目前的壓縮程序的啟動(dòng)執(zhí)行必須人為干擾，不能自動(dòng)執(zhí)行，因?yàn)樗鼈兪菫槲募到y(tǒng)設(shè)計(jì)的，而嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮必須能夠自動(dòng)執(zhí)行。
1 GPS數(shù)據(jù)格式
GPS OEM板由變頻器、信號(hào)通道、
微處理器和存儲(chǔ)單元等組成。GPS OEM板的型號(hào)甚多，性能各異，但大多采用美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式。本系統(tǒng)選擇的是美國(guó)SiRF公司的SiRFstarII OEM板。SiRFstarII OEM板語(yǔ)句的輸入、輸出是通過RS232串行接口完成的，其通信端口的數(shù)據(jù)格式應(yīng)該設(shè)置為8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)起始位和1個(gè)停止位，校驗(yàn)方式選為無(wú)奇偶校驗(yàn)，波特率設(shè)置為4800波特。NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)的輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼，其內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛(wèi)星狀況等信息，語(yǔ)句有六種，包括GGA，GLL、GSA、GSV、RMC和VTG。對(duì)于不同的用途，選用的語(yǔ)句記錄也不同，例如嵌入式GPS車載系統(tǒng)的使用者只關(guān)心其日期和時(shí)間、糾度、面速度信息，因而可以只選用RMC記錄語(yǔ)句。一條$GPRMC語(yǔ)句包括13個(gè)記錄：語(yǔ)句標(biāo)識(shí)頭、世界時(shí)間、定位狀態(tài)、緯度、緯度方位、經(jīng)度、經(jīng)度方位、地面速度、地面路線、日期、磁偏角、校驗(yàn)和和結(jié)束標(biāo)記，它一共占用70個(gè)字節(jié)（其中還包括用于分隔記錄所使用的11個(gè)逗號(hào)），例如：
$GPRMC,121530.998,A,4000.0162,N,11619.5476,E,0.00,240.81,160102,,*3B
由此可見，從SiRFstarII OEM板接收下來的數(shù)據(jù)流是文本字符串，根據(jù)GPS數(shù)據(jù)格式的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中擬采用半字節(jié)法完成壓縮及解壓縮的任務(wù)。該方法屬于無(wú)損壓縮技術(shù)，其原理是去除字節(jié)中的冗余位，從而達(dá)到壓縮目的。然而，這種方法只適用于純數(shù)字文本文件的壓縮，顯然GPS定位數(shù)據(jù)并不是純數(shù)字的，還必須在壓縮前進(jìn)行一下壓縮預(yù)處理，最后再利用半字節(jié)壓縮算法完成數(shù)據(jù)的壓縮。
2 壓縮預(yù)處理
仔細(xì)觀察以上各段數(shù)據(jù)記錄，可以發(fā)現(xiàn)語(yǔ)句之間的數(shù)據(jù)段還存在很多冗余。除此之外，這些記錄中所含的信息既有英文字符又有數(shù)字，為了后續(xù)的壓縮，對(duì)語(yǔ)句中的各個(gè)記錄應(yīng)做如下的預(yù)處理：
①語(yǔ)句標(biāo)識(shí)頭（ID）：因?yàn)槊總�(gè)語(yǔ)句的標(biāo)識(shí)頭都一樣，所以該記錄段屬地冗余信息，完全可以去除，在解壓縮時(shí)再在每個(gè)語(yǔ)句前加上該標(biāo)識(shí)頭即可。
②世界時(shí)間（UTC）：該信息段以時(shí)、分、秒、毫秒的格式指示出當(dāng)時(shí)世界時(shí)間。轉(zhuǎn)換為北京時(shí)間還需要再加上8小時(shí)。由于車載系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)的采集是以秒為單位的，所以毫秒量級(jí)的數(shù)據(jù)對(duì)本系統(tǒng)根本無(wú)用，是冗余信息，由于世界時(shí)間是按秒增1，定位數(shù)據(jù)也是每委員長(zhǎng)更新一次，所以世界時(shí)間可以在程序的一開始采集記錄一下，在解壓縮時(shí)根據(jù)語(yǔ)句的指針值再加上起始時(shí)間便可以復(fù)原，因此該記錄段在第一次存儲(chǔ)后，以后的語(yǔ)句中的該信息全都是冗余信息。
③定位狀態(tài)（A/V）：占用1個(gè)字節(jié)，不進(jìn)行預(yù)處理。由于車載系統(tǒng)處于的地方有可能收不到衛(wèi)星信號(hào)（如隧道中），致使定位信息無(wú)效，因此盡管該字段發(fā)生變化的概率較小，又與其它信息段不相關(guān)，在此仍不能做預(yù)處理。
④緯度：占用9個(gè)字節(jié)，不進(jìn)行預(yù)處理。
⑤緯度：占用10個(gè)字節(jié)，不進(jìn)行預(yù)處理
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