基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计

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(1.太原师范学院 计算机系，太原 030000；2.太原师范学院 历史地理与环境变迁研究所，太原 030000)

基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计

邓斌1，孟万忠2

(1.太原师范学院计算机系，太原030000；2.太原师范学院历史地理与环境变迁研究所，太原030000)

高原地理信息网络定位系统的设计降低了高原地理对定位精度的不利影响，提高了定位的准确度，对推动GIS普及应用起积极作用，但目前大多数高原地理信息网络定位系统都是通过ZigBee无线电定位技术实现的，通过无线分组服务对高原地理信息网络数据进行传输，并以TOA定位方法为基础，对高原地理信息网络定位系统的芯片等硬件进行选型，在此基础上，对高原地理信息网络定位系统中连接电路进行设计，从而完成高原地理信息网络定位系统设计;但这种方法设计的网络定位系统定位精度较低，无法准确的反应高原地理信息，且存在定位过程复杂问题;为此，提出一种基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计方法，首先对基于GIS的高原地理信息网络定位系统总体进行设计，并对系统所用核心芯片进行选型，在此基础上，对基于GIS的高原地理信息网络定位系统晶振和复位电路、供电电路、通信电路、Debug接口电路、按键控制电路、射频收发电路进行设计，保证系统的正常运行，并利用RSSI算法对基于GIS的高原地理信息网络定位系统的定位结果进行校正，从而完成基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计;实验证明，所提方法设计的高原地理信息网络定位系统定位精度高，能够准确反应高原地理信息，且定位过程简单，容易操作，具有实践意义。

GIS；高原地理信息；网络定位系统

0 引言

随着计算机互联网的发展，CIS技术快速发展，是目前应用范围较广的定位方法之一[1-2]，随着定位技术受到人们重视程度的加深，被广泛应用于生活中的各个领域[3]。通过高原地理信息网络定位系统能够准确度反映出高原地理信息，对军事、航空等领域存在积极作用[4]。目前广泛使用的高原地理信息网络定位系统都是通过RSSI进行设计的，在对系统硬件进行选择的基础上，利用电路进行连接，在软件设计阶段，采用三边法和极大释然估计法进行定位，确定高原地理信息，利用定位系统的通信模块和微控制器对定位误差进行调整，从而实现高原地理信息网络定位系统设计[5]。该方法成为当前高原地理信息网络定位系统广泛使用的设计方法，引起了相关专家学者的广泛关注[6]，该课题也成为业内人士研究的重点课题，随着研究的深入，产生了大量的研究成果[7]。

文献[8]提出了一种高原地理信息网络定位系统设计方法，首先对高原地理信息网络定位系统总体进行设计，将系统分为定位节点模块、上位机模块、以及ZigBee无线网络模块3个模块，通过坐标位置已知的锚节点和移动定位节点组成无线网络，利用LPC2148进行控制，利用RSSI原理进行测距，利用三边测量法精确定位，从而实现基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计，但这种方法存在电路逻辑复杂问题，难以被广泛使用。文献[9]以改进加权质心算法为依据，提出了一种高原地理信息网络定位系统设计方法，首先对系统的硬件进行选型设计，在此基础上，对实现系统的软件电路进行设计，通过对普通质心算法的实现过程和存在问题的分析，提出通过改进质心算法定位高原地理信息，从而完成高原地理信息网络定位系统设计，但这种方法存在应为过程复杂，不利于操作的问题。文献[10]提出了一种利用差分定位技术实现高原地理信息网络定位系统设计方法，首先对差分定位技术存在的问题进行分析，提出通过GPS板卡和4G无线通信网络模块，对高原地理信息网络定位系统进行开发设计，通过高原地理信息网络定位系统中符合精度测试和动态误差测试，对高原地理信息定位的误差进行调节，从而实现基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计，但这种方法存在定位过程复杂，难以推广使用。

针对上述产生的问题，提出了一种基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计方法，在对系统总体设计的基础上，通过对系统电路的设计，保证系统正常运行，并通过RSSI算法，提高系统定位的精度。实验证明，本文所提方法能够有效对高原地理信息进行定位，定位的精度较高，为该领域的研究发展创造条件。

1 网络定位系统总体设计

1.1 网络定位系统总体设计

基于GIS的高原地理信息网络定位系统主要由定位监控中心和无线定位网络构成的可视化系统，定位监控中心里的核心部分是PC机，该PC机中包含实时监控软件，利用RS232串口线连接ZigBee无线定位网络，基于GIS的高原地理信息网络定位系统具体设计如图1所示。

图1 基于GIS的高原地理信息网络定位系统总体设计

上图中，本文拟利用参考节点坐标和RSSI参数对高原地理进行定位，将得到的高原地理信息进行分析处理，提高定位的准确度，并将处理后的高原地理信息传输到定位监控中心，从而完成基于GIS的高原地理信息网络定位系统定位过程。

1.2 网络定位系统设计芯片选型

为实现本文设计的基于GIS的高原地理信息网络定位系统，对系统核心控制芯片进行选型。

在进行定位过程中，本文选用芯片巨人TI公司的无线单片机CC2430芯片，其包含了RF收发机CC2420和8051MCU的强大功能，具有集成度高的特点，在使用过程中，外围电路设计较为简单，使用的辅助器件也较少。在CC2430芯片中，主要集成了DMA、定时/计数器、看门狗定时器等外设资源，能够适应2.4 GHzIEEE802.15.4的射频收发器，并且CC2430芯片还具有能耗低、灵敏度高、抗干扰性强的优点，能够对高原地理信息进行准确定位，是目前广泛使用的定位系统核心芯片。

采用CC2430芯片的高原地理信息网络定位系统进行定位，其过程主要有三步：首先对参考节点坐标进行初始化处理，然后将输入的参数进行初始化，最后对高原地理信息进行计算。

CC2430芯片通过见RSSI值导入到参考节点发送到高原地理信息网络定位系统信息数据包中，并将数据写入高原地理信息网络定位系统的定位引擎中，利用FIFO方式对CC2430芯片中的数据进行读取，利用数据包中导数第二个字节包含的表示当前信号接收强度的RSSI值，实现对高原地理信息的初步计算。

2 基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计

2.1 基于GIS的高原地理信息网络定位系统电路设计

为了实现基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计，保证基于GIS的高原地理信息网络定位系统正常运行，需要对系统的运行电路进行设计。

2.1.1 高原地理信息网络定位系统晶振和复位电路设计

由于本文高原地理信息网络定位系统选用的CC2430芯片具有32 MHz和32.767 kHz两种频率的晶体振荡器，并且CC2430内部还存在一个16 MHz高频RC振荡器和一个低能耗振荡器，因此本文设计的基于GIS的高原地理信息网络定位系统在进行射频收发时，采用高精度晶体振荡器，提高定位的准确度，在平常时，采用低频晶体振荡器，降低能耗。

为保证CC2430芯片的正常运行，对芯片设计了强制输入引脚RESET_N、上电复位电路以及看门狗复位3个复位源。本文利用积分型上电复位电路，通过将RESET_N与芯片的复位引脚相连，具体CC2430芯片的复位电路设计如图2所示。

图2 CC2430复位电路

通过上图，通过将rat_n与Debug下载调试接口相连接，完成基于GIS的高原地理信息网络定位系统复位电路设计。

2.1.2 高原地理信息网络定位系统供电电路设计

CC4230提供2.0～3.6 V的电压允许范围，因此本文设计的高原地理信息系统主要有3.3 V和1.8 V两种工作电压，电压有PC经过Debug调试接口得到3.3 V电压，将电压调节为1.8 V则需要利用DC/DC芯片来实现电压转换，其转换电路如图3所示。

图3 3.3 V电压到1.8 V电压转换电路

通过上图，从而实现供电电压转换，完成基于GIS的高原地理信息网络定位系统供电电路设计。

2.1.3 高原地理信息网络定位系统通信电路设计

串口通信是芯片与PC之间较为常用的通信方式，在网络定位系统中，将采集到的高原信息上传到PC端，从而实现高原地理信息的查找利用。本文中，CC2430内部集成了USART0和USART1两个串行模块控制器，通过将复位端口配制成异步UART模式。

2.1.4 高原地理信息网络定位系统Debug接口电路设计

高原地理信息网络定位系统Debug接口主要作用是移植和调试在上位机上编译好的程序，方便GIS系统的扩展。PD通过调试时钟输入引脚和双向数据引脚将编译好的程序移植到芯片中，通过设计不同颜色的发光二极管实现对系统当前运行状态的显示。

2.1.5 高原地理信息网络定位系统按键控制电路设计

本文中，设计了五按键控制高原地理信息网络定位系统运行状态，为减少CC2430芯片的I/O资源，对按键控制电路进行设计，由于经过放大器后每个按键所在通路的电压不一，本文利用CC2430芯片内部ADC采集的数据对按键进行判断，本文设计的按键控制电路如图4所示。

图4 高原地理信息网络定位系统按键控制电路

2.1.6 高原地理信息网络定位系统射频收发电路设计

目前被广泛使用的射频天线有PCB、Chip、Whip三种天线，但由于PCB天线的设计难度较大，利用过程复杂，Chip天线本身较小，需要通过表贴封装，成本较高，Whip较前两种天线性能更好，在本文设计的基于GIS的高原地理信息网络定位系统中，天线的性能直接影响接收信号的强大，从而影响定位的准确度。由于本文使用的CC2430芯片是采用无线通信设备进行传输，因此本文选用Whip天线进行基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计。

本文进行基于GIS的高原地理信息网络定位系统通过使用平衡非平衡转换器，保证CC2430频率收发差分引脚到单端同轴电缆之间的转换稳定可靠。

本文中，对基于GIS的高原地理信息网络定位系统电路设计，主要包括系统晶振和复位电路设计、供电电路设计、通信电路设计、Debug接口电路设计、按键控制电路设计、射频收发电路设计，通过对基于GIS的高原地理信息网络定位系统电路进行设计，保证系统正常运行。

2.2 基于GIS的高原地理信息网络定位系统软件设计

为了保证基于GIS的高原地理信息网络定位系统定位的精度，对系统的软件进行设计，主要是对定位算法进行选择，一个定位精度高的定位算法对基于GIS的高原地理信息网络定位系统的作用是显而易见的。本文中，利用RSSI算法精确定位，提高基于GIS的高原地理信息网络定位系统的定位精度。

RSSI算法在接收定位请求后，利用RF通信范围内接受到定位请求的参考节点位置信息对高原地理信息进行计算。因此RSSI算法实现起来较为简单，并且不存在节点成本高以及功耗大问题，目前被广泛应用在定位过程中。RSSI算法中，RSSI值的精确度直接影响RSSI算法定位的准确度，因此，在实际应用过程中，需要考虑实际环境，确定信号的能量损耗，从而减少高原地区地理位置误差。

在不考虑任何环境因素的前提下，高原地理信息网络定位系统接收的信号强度与距离之间的关系可以表示为：

(1)

上式中，Pt表示高原地理信息网络定位系统的信号的发射功率，Gt和Gr分别表示高原地理信息网络定位系统中发射天线和接收天线的增益，λ表示信号波长，d表示信号传播的距离。利用上式对高原地理信息网络定位系统接收的信号强度进行处理，得到所需参数。

在进行高原地理信息定位过程中，由于信号传输信道中噪声的影响，使接收到的信号强度与计算得到的信号强度之间存在误差，在进行高原地理信息定位过程中，需要综合考虑各方面因素。本文选用无信道模型，减少定位误差，得到信号强度计算公式如下所述。

(2)

上式中，P(d0)表示高原地理信息节点d0处的参考信号强度值，k表示信号在传播过程中的损耗，Xσ表示由于环境因素导致服从均值为0的随机变量。

利用上式，以高原地理信息网络定位系统接收到的信号强度值为依据，根据最大似然估计法，完成参考节点和所需定位的高原地理之间距离计算：

(3)

通过上式，利用已知参考节点的位置和与高原地理之间距离对高原地理信息节点进行定位，从而完成基于GIS的高原地理信息网络定位系统软件设计。

3 实验及结果分析

为证明本文提出的基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计方法的可行性，进行一次实验。

3.1 实验步骤

在网络环境下搭建高原地理信息定位实验平台。通过观察本文所提方法设计的高原地理信息网络定位系统的整体有效性，从而完成实验。具体步骤如下：

1)通过改进方法与文献[8]方法、文献[9]方法、文献[10]方法，在平均海拔不定的情况下，对青藏高原地理信息定位误差进行对比分析；

2)在截取高原地区剖面长度不定的情况下，采用改进方法与文献[8]方法、文献[9]方法、文献[10]方法分别获得的高原高度定位结果，并与实际高度进行对比分析。

3.2 实验结果分析

本文中，以青藏高原地理信息数据和1：1万的青藏高原地形图作为实验数据，以高原高度为定位对象，进行本文所提方法设计的高原地理信息网络定位系统定位准确性验证。青藏高原是我国海拔最高的高原，平均海拔4 000～5000 m，总面积250万平方，本文以定位误差及高原高度为对比指标，进行实验对比分析，从而完成本文方法设计的系统性能对比。

首先对定位的误差进行对比，本文中，为了能够清晰的显示定位误差，对青藏高原地理信息进行定位误差对比分析，结果如图5所示。

图5 青藏高原地理信息定位误差对比

通过上图可以看出，采用文献[8]方法进行高原地理信息定位时，平均误差达到65%,而文献[10]的方法误差在平均海拔为4 800米时，误差明显下降至40%以下，但是当海拔上升至5 000米时，误差值也随之增大至60%左右，同样当采用文献[9]方法时，虽然随着海拔的不断升高，误差没有明显增大，但是整体误差平均值也不低于40%。相反，采用本文方法设计的高原地理信息网络定位系统，对高原地理信息定位的误差较小，约为21.7%，主要是因为本文在进行基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计过程中，为保证定位的精度，在软件中使用了RSSI定位算法，对系统的定位误差进行校正，提降低定位的误差，提高定位精度。

然后通过对高原地区的定位，确定高原地区地形，通过对实际高原地区的定位，从而实现高原地区高度判断。

图6 4种方法对高度的定位结果比较

通过图2可知，采用文献[8]定位方法、文献[9]定位方法和文献[10]定位方法时，其高原高度定位值与实际高度值相差较大，不能准确说明高原地理地形情况，相反在高原地区剖面长度为100千米250千米500千米时高原实际高度与改进方法定位的高度相一致，主要是因为本文方法在进行高原地理信息网络定位系统设计过程中，根据系统所需要求，采用性能较好的硬件，为定位系统能够进行准确定位高原地理信息提供了基础依据。

综上所述，本文拟所提方法设计的网络定位系统对高原地理信息定位的精度高，准确性较好，推动了地理定位事业的发展。

4 结束语

随着定位技术的发展，定位技术被应用在生活中的各个领域，应用定位技术对高原地理信息进行调查分析，有效的保证了高原地理信息的准确性，针对目前大多数高原地理信息网络定位系统定位模糊，且过程繁琐。提出一种基于GIS的高原地理信息网络定位系统设计方法，实验证明，所提方法的定位精准操作简单，为该课题的发展指明新的方向，但这种方法在进行系统设计过程中，选用较高端的硬件，导致系统成本较高，需要后续专家学者研究解决。

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[3]徐冠楠,汪 捷,许江宁.基于惯性信息辅助的北斗动动定位方法的研究[J].计算机测量与控制,2016,24(2):141-143.

[4]徐安丽,仲思东,陈 坚.一种基于实景三维模型的定位方法[J].科学技术与工程,2016,16(2):219-223.

[5]刘 冰,李文书.基于余弦相似度的指纹匹配算法的室内定位方法[J].科技通报,2017,33(3):198-202.

[6]闫腾飞,李元辉,徐 帅,等.采空区三维激光扫描系统地理坐标定位方法[J].金属矿山,2015,44(5):135-139.

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DesignofGeographicInformationNetworkLocationSystemBasedonGIS

Deng Bin1,Meng Wanzhong2

(1.Department of Computer Science, TaiYuan Normal University,Taiyuan 030000,China;2.Institute of Historical Geography and Environmental Change,TaiYuan Normal University, Taiyuan 030000,China)

The design of the plateau geographic information network location system reduces the adverse effect of the altitude geography on the positioning accuracy, improves the accuracy of positioning, plays an active role in promoting the popularization of GIS. At present, most plateau geographic information network positioning system is through ZigBee radio Based on the TOA location method, the hardware of the plateau geographic information network positioning system is selected. Based on this, the paper analyzes the data of the plateau geographical information, and analyzes the data of the plateau geographic information network through the wireless packet service. Network positioning system to connect the circuit design, thus completing the plateau geographic information network positioning system design. However, this method has a high positioning accuracy and can not accurately reflect the plateau geographic information, and there are complex problems in the positioning process. In this paper, a design method of GIS-based geographic information network location system based on GIS is proposed. Firstly, the design of the highland geographic information network location system based on GIS is carried out, and the core chip of the system is selected. Based on this, The design of the system is designed to ensure the normal operation of the system, and the RSSI algorithm is used to analyze the data of the highland geographic information based on GIS, which is based on the GIS-based highland geographic information network positioning system. Network positioning system to correct the positioning results, thus completing the GIS-based highland geographic information network positioning system design. Experiments show that the high altitude geographic information network location system designed by the method proposed in this paper has high precision, can accurately reflect the plateau geographic information, and the positioning process is simple and easy to operate, and promote the development of this field.

GIS; plateau geographic information; network location system

2017-06-21；

2017-09-05。

国家自然基金面上项目(41671142)；山西省高等学校教学改革创新项目(J2016088)。

邓 斌(1980-)，男，山西太原人，硕士，讲师，主要从事计算机网络安全方向的研究。

1671-4598(2017)11-0216-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.055

TP212

A