基于微GPS和GIS的行为追踪系统与轨迹分析
基于微GPS和GIS的行为追踪系统与轨迹分析[20191215152115]
摘 要
随着定位技术和现代信息技术的快速发展，大家可以更加便捷的获取各类的移动对象的位置信息。通过分析跟踪数据，可以得到很多有价值的信息和推断出新的知识。许多基于位置的推荐网站吸引了公众的关注和研究，对跟踪数据分析的研究逐渐成为热点。在本文中，主要是通过单片机驱动GPS来连续获取定位信息，并且将这些信息通过单片机存在SD卡中，最后通过电脑将SD卡中的数据去出，因为在这些数据中有很多错误数据或者是乱码，所以要在这些数据中找出有效的数据，并且从其中找到我们需要的经纬度坐标信息。在轨迹分析时，与GIS信息联合在一起分析，所以要能够直观的显示数据，在这里我们采用Google Earth 来进行显示数据。通过这些数据可以分析得到很多结果，而这些知识和信息可以为云终端提供更好更便捷的服务。并且,为用户提供更人性化、更有效、更深层次的基于位置服务。
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关键字:单片机；GPS；轨迹分析
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 GPS技术的产生与发展 1
1.2.1 GPS定位原理 3
1.3 地理信息系统 GIS 4
1.4 基于AVR单片机的GPS接收器 5
1.4.1 AVR单片机特点 6
1.4.2 GPS接收器 6
1.5 本章小结 8
第2章 系统 10
2.1 硬件部分 10
2.1.1 GPS模块 11
2.1.2 SD卡模块 11
2.1.3 硬件系统 13
2.2软件部分 15
2.2.1 数据过滤 15
2.2.2可视化显示 18
2.3本章小结 19
第3章 实验过程与结果 20
3.1实验过程 20
3.2实验结果 21
3.2.1采集数据结果 21
3.2.2 处理数据结果 22
3.2.3可视化结果 24
3.3 应用分析 26
3.3.1 基于个人历史轨迹 27
3.3.2 基于多人GPS轨迹数据 27
3.4 本章小结 28
第4章 总结与展望 29
4.1总结 29
4.2展望 30
致谢 32
参考文献 33
附录 35
外文文献 42
第1章 绪论
1.1课题背景
轨迹能够反映一个运动的物体的行为，从而根据此种行为在作出相应的处理过程，比如说，若是能够采集昆虫的轨迹进行分析，就能够判断出昆虫的行为，因为昆虫的行为可能反映出昆虫是否会转变成灾祸。
近年来,随着定位技术(如GPS,无线蜂窝网,RFID等)的发展和普及,用户可以方便地获取个人位置信息和使用基于位置的服务(Location Based Service,LBS),研究人员也能方便地通过位置感知设备获取轨迹路径。轨迹记录着用户在客观世界的活动,在一定程度上体现了人们的意图、喜好和行为模式。因此通过对轨迹数据分析,对个体活动规律的提取和共同行为模式的识别,既可作为LBS的基础,又可以作为LBS的内容[1]。
特别的,带有地理信息的轨迹数据不仅可以提供移动或者静止物体的位置和相对应的时间信息,也揭示了每个个体在空间和时间上活动规律,在各研究领域也日益显示出重要性。本文主要研究了基于GPS与GIS的轨迹分析,通过分析轨迹之间的相似度、旅游者的行走规律等有价值的信息,可以为个性化推荐、交通、旅游等应用领域提供有效的服务[2]。
1.2 GPS技术的产生与发展
全球定位系统(GPS)是测距导航系统／全球定位系统(Navigation systerm Timing and Ranging／Global Positioning System)的简称。该系统是由美国国防部于1973年组织研制，主要为军事导航与定位服务的系统。历经20年，耗资300亿美元，于1993年建设成功。GPS是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。它已成为美国导航技术现代化的重要标志，被称为本世纪继阿波罗登月、航天飞机之后又一重大航天技术[3]。
GPS导航定位系统不但可以用于军事上各种兵种和武器的导航定位，而且在民用上也发挥重大作用。如智能交通系统中车辆导航、车辆管理和救援；民用飞机和船只导航及姿态测量；大气参数测试；电力和通讯系统中的时间控制；地震和地球板块运动监测；地球动力学研究等。特别是在大地测量、城市和矿山控制测量、建筑物变形测量、水下地形测量等方面得到广泛的应用。
GPS于1986年开始引入我国测绘界，由于它比常规测量方法具有定位速度快、成本低、不受天气影响、点间无需通视、不建标等优越性，且具有仪器轻巧、操作方便等优点，目前已在测绘行业中广泛使用[4]。卫星定位技术的引入已引起了测绘技术的一场革命，从而使测绘领域步入一个崭新的时代。
GPS由空间卫星、地面监控系统、GPS接收终端三个部分组成,空间卫星发送导航定位数据,GPS接收终端接收空间卫星发射的导航电文,地面监控系统对空间卫星进行监测,保证空间卫星的正常运行。
（1）空间卫星
GPS拥有24颗空间定位卫星,其中21颗处于工作状态,另外3颗在轨道上运行,作为备用卫星使用,记作((21+3)GPS卫星星座。它的卫星主体为圆柱形,直径1.5m,主体两侧由2块太阳能板构成,用于吸收太阳能供电131。GPS全球定位系统24颗定位卫星运行在6个轨道平面,每个轨道平面分布4颗GPS卫星,轨道平面的倾斜角度为55度,卫星高度的平均值为20200km,每绕地球运行一周的时间为11小时58分[5]。GPS卫星分布如图1.1所示:卫星不断的向地面发送导航定位信息,这些信息中包含了卫星的位置信息,地面GPS接收终端通过接收导航定位信息,就能确定发送信息卫星的位置,在进行地面坐标的时候,卫星坐标就能当成已知数来处理。在地球任何时间、任何地点,可以看到最少4颗,最多11 颗卫星[6]。
（2）地面监控系统
地面监控系统包括1个主控站、3个注入站和5个全球监测站。在整个GPS系统中,地面监控系统主要有两个功能:其一,计算卫星的轨道参数以及钟差,通过调整,是其时间标准统一;其二,当卫星偏离预定轨道时,对卫星进行调整,使其进入正确的轨道运行。
图1.1 GPS卫星分布
（3）GPS接收终端
GPS接收终端主要包括:GPS接收部分、信息处理部分、应用部分等I36、它的任务是:对接收到的GPS信号进行变换,放大和处理,对GPS卫星所发送的导航数据进行解析、计算,从而得到我们需要的数据来实现定位功能。
1.2.1 GPS定位原理
GPS定位的基本原理是以高速运动的卫星瞬间位置为已知的起算数据，使用空间距离后方交会法确定待测点位置。根据几何学，三个球就可以确定一个点，但是由于用户接收机时钟与卫星星载时钟不可能一直同步，需添加卫星与接收机的钟差作为位置参数，所以，如果想知道接收机所处位置，需要接收到四颗卫星的信号[7]。
图1.2 定位原理
[ ( x1 - x )2 + (y1 - y )2 + ( z1 - z )2 ]1/2 + c( Vt1 - Vt0 ) = d1
[ ( x2 - x )2 + (y2 - y )2 + ( z2 - z )2 ]1/2 + c( Vt2 - Vt0 ) = d2
[ ( x3 - x )2 + (y3 - y )2 + ( z3 - z )2 ]1/2+ c( Vt3 - Vt0 ) = d3
[ ( x4 - x )2 + (y4 - y )2 + ( z4 - z )2 ]1/2+ c( Vt4 - Vt0 ) = d4
假设t时刻时，在地面待测点上安置GPS接收机，测定GPS信号到达接收机的时间?t，并结合接受机接受到的卫星星历等数据来确定上述四个方程式。其中，未知参数是待测点的空间直角（X，Y，Z）和接收机钟差Vt0 。di =c?ti （i=1，2，3，4），分别是4个卫星至GPS接收机的距离，?ti分别是4个卫星信号到达GPS接收机的所需时间，c是GPS信号传播的速度（即光速），（xi，yi，zi）分别是4个卫星在某时刻的空间直角坐标，可从导航电文中求得，Vti 分别是4个卫星的卫星钟差，由卫星星历提供。根据以上四个方程式可以求解出待测点坐标（x,y,z）以及接收机钟差Vt0 [8]。
卫星持续地发送自身的星历参数及时间信息，利用用户接收到这些信息求解
出接收机的三维位置、三维方向、运动速度和时间信息。
1.3 地理信息系统 GIS
地理信息系统（Geographical Information System，简称 GIS）是用于回答地理学问题的艺术、科学、工程和技术的总称，是一种将空间位置信息与属性数据结合在一起的系统。
从 20 世纪 60 年代至今，GIS 已迅速发展成为一个独特的研究与应用领域，并成为一个全球性的重要行业，GIS 技术也已成为 IT 的重要组成部分，是一门集计算机科学、信息科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学于一体的新兴边沿学科[4]。GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。GIS与其他信息系统最大的区别是对空间信息的存储管理分析，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值[9]。
GIS可以分为以下五部分：
人员，是GIS中最重要的组成部分。开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务，开发处理程序。 熟练的操作人员通常可以克服GIS软件功能的不足，但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对GIS的一无所知所带来的负作用。
数据，精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果。
硬件，硬件的性能影响到软件对数据的处理速度，使用是否方便及可能的输出方式。
软件，不仅包含GIS软件，还包括各种数据库，绘图、统计、影像处理及其它程序。
过程，GIS 要求明确定义，一致的方法来生成正确的可验证的结果。
GIS属于信息系统的一类，不同在于它能运作和处理地理参照数据。地理参照数据描述地球表面(包括大气层和较浅的地表下空间)空间要素的位置和属性，在GIS中的两种地理数据成分：空间数据，与空间要素几何特性有关；属性数据，提供空间要素的信息[10]。
1.4 基于AVR单片机的GPS接收器
本文中应用的AVR单片机是ATmega16，单片机又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一个芯片上，概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。单片机技术是计算机技术的一个分支，是简易机器人的核心元件。1997年，由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术， 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。
摘 要
随着定位技术和现代信息技术的快速发展，大家可以更加便捷的获取各类的移动对象的位置信息。通过分析跟踪数据，可以得到很多有价值的信息和推断出新的知识。许多基于位置的推荐网站吸引了公众的关注和研究，对跟踪数据分析的研究逐渐成为热点。在本文中，主要是通过单片机驱动GPS来连续获取定位信息，并且将这些信息通过单片机存在SD卡中，最后通过电脑将SD卡中的数据去出，因为在这些数据中有很多错误数据或者是乱码，所以要在这些数据中找出有效的数据，并且从其中找到我们需要的经纬度坐标信息。在轨迹分析时，与GIS信息联合在一起分析，所以要能够直观的显示数据，在这里我们采用Google Earth 来进行显示数据。通过这些数据可以分析得到很多结果，而这些知识和信息可以为云终端提供更好更便捷的服务。并且,为用户提供更人性化、更有效、更深层次的基于位置服务。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:单片机；GPS；轨迹分析
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 GPS技术的产生与发展 1
1.2.1 GPS定位原理 3
1.3 地理信息系统 GIS 4
1.4 基于AVR单片机的GPS接收器 5
1.4.1 AVR单片机特点 6
1.4.2 GPS接收器 6
1.5 本章小结 8
第2章 系统 10
2.1 硬件部分 10
2.1.1 GPS模块 11
2.1.2 SD卡模块 11
2.1.3 硬件系统 13
2.2软件部分 15
2.2.1 数据过滤 15
2.2.2可视化显示 18
2.3本章小结 19
第3章 实验过程与结果 20
3.1实验过程 20
3.2实验结果 21
3.2.1采集数据结果 21
3.2.2 处理数据结果 22
3.2.3可视化结果 24
3.3 应用分析 26
3.3.1 基于个人历史轨迹 27
3.3.2 基于多人GPS轨迹数据 27
3.4 本章小结 28
第4章 总结与展望 29
4.1总结 29
4.2展望 30
致谢 32
参考文献 33
附录 35
外文文献 42
第1章 绪论
1.1课题背景
轨迹能够反映一个运动的物体的行为，从而根据此种行为在作出相应的处理过程，比如说，若是能够采集昆虫的轨迹进行分析，就能够判断出昆虫的行为，因为昆虫的行为可能反映出昆虫是否会转变成灾祸。
近年来,随着定位技术(如GPS,无线蜂窝网,RFID等)的发展和普及,用户可以方便地获取个人位置信息和使用基于位置的服务(Location Based Service,LBS),研究人员也能方便地通过位置感知设备获取轨迹路径。轨迹记录着用户在客观世界的活动,在一定程度上体现了人们的意图、喜好和行为模式。因此通过对轨迹数据分析,对个体活动规律的提取和共同行为模式的识别,既可作为LBS的基础,又可以作为LBS的内容[1]。
特别的,带有地理信息的轨迹数据不仅可以提供移动或者静止物体的位置和相对应的时间信息,也揭示了每个个体在空间和时间上活动规律,在各研究领域也日益显示出重要性。本文主要研究了基于GPS与GIS的轨迹分析,通过分析轨迹之间的相似度、旅游者的行走规律等有价值的信息,可以为个性化推荐、交通、旅游等应用领域提供有效的服务[2]。
1.2 GPS技术的产生与发展
全球定位系统(GPS)是测距导航系统／全球定位系统(Navigation systerm Timing and Ranging／Global Positioning System)的简称。该系统是由美国国防部于1973年组织研制，主要为军事导航与定位服务的系统。历经20年，耗资300亿美元，于1993年建设成功。GPS是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。它已成为美国导航技术现代化的重要标志，被称为本世纪继阿波罗登月、航天飞机之后又一重大航天技术[3]。
GPS导航定位系统不但可以用于军事上各种兵种和武器的导航定位，而且在民用上也发挥重大作用。如智能交通系统中车辆导航、车辆管理和救援；民用飞机和船只导航及姿态测量；大气参数测试；电力和通讯系统中的时间控制；地震和地球板块运动监测；地球动力学研究等。特别是在大地测量、城市和矿山控制测量、建筑物变形测量、水下地形测量等方面得到广泛的应用。
GPS于1986年开始引入我国测绘界，由于它比常规测量方法具有定位速度快、成本低、不受天气影响、点间无需通视、不建标等优越性，且具有仪器轻巧、操作方便等优点，目前已在测绘行业中广泛使用[4]。卫星定位技术的引入已引起了测绘技术的一场革命，从而使测绘领域步入一个崭新的时代。
GPS由空间卫星、地面监控系统、GPS接收终端三个部分组成,空间卫星发送导航定位数据,GPS接收终端接收空间卫星发射的导航电文,地面监控系统对空间卫星进行监测,保证空间卫星的正常运行。
（1）空间卫星
GPS拥有24颗空间定位卫星,其中21颗处于工作状态,另外3颗在轨道上运行,作为备用卫星使用,记作((21+3)GPS卫星星座。它的卫星主体为圆柱形,直径1.5m,主体两侧由2块太阳能板构成,用于吸收太阳能供电131。GPS全球定位系统24颗定位卫星运行在6个轨道平面,每个轨道平面分布4颗GPS卫星,轨道平面的倾斜角度为55度,卫星高度的平均值为20200km,每绕地球运行一周的时间为11小时58分[5]。GPS卫星分布如图1.1所示:卫星不断的向地面发送导航定位信息,这些信息中包含了卫星的位置信息,地面GPS接收终端通过接收导航定位信息,就能确定发送信息卫星的位置,在进行地面坐标的时候,卫星坐标就能当成已知数来处理。在地球任何时间、任何地点,可以看到最少4颗,最多11 颗卫星[6]。
（2）地面监控系统
地面监控系统包括1个主控站、3个注入站和5个全球监测站。在整个GPS系统中,地面监控系统主要有两个功能:其一,计算卫星的轨道参数以及钟差,通过调整,是其时间标准统一;其二,当卫星偏离预定轨道时,对卫星进行调整,使其进入正确的轨道运行。
图1.1 GPS卫星分布
（3）GPS接收终端
GPS接收终端主要包括:GPS接收部分、信息处理部分、应用部分等I36、它的任务是:对接收到的GPS信号进行变换,放大和处理,对GPS卫星所发送的导航数据进行解析、计算,从而得到我们需要的数据来实现定位功能。
1.2.1 GPS定位原理
GPS定位的基本原理
图1.2 定位原理
[ ( x1 - x )2 + (y1 - y )2 + ( z1 - z )2 ]1/2 + c( Vt1 - Vt0 ) = d1
[ ( x2 - x )2 + (y2 - y )2 + ( z2 - z )2 ]1/2 + c( Vt2 - Vt0 ) = d2
[ ( x3 - x )2 + (y3 - y )2 + ( z3 - z )2 ]1/2+ c( Vt3 - Vt0 ) = d3
[ ( x4 - x )2 + (y4 - y )2 + ( z4 - z )2 ]1/2+ c( Vt4 - Vt0 ) = d4
假设t时刻时，在地面待测点上安置GPS接收机，测定GPS信号到达接收机的时间?t，并结合接受机接受到的卫星星历等数据来确定上述四个方程式。其中，未知参数是待测点的空间直角（X，Y，Z）和接收机钟差Vt0 。di =c?ti （i=1，2，3，4），分别是4个卫星至GPS接收机的距离，?ti分别是4个卫星信号到达GPS接收机的所需时间，c是GPS信号传播的速度（即光速），（xi，yi，zi）分别是4个卫星在某时刻的空间直角坐标，可从导航电文中求得，Vti 分别是4个卫星的卫星钟差，由卫星星历提供。根据以上四个方程式可以求解出待测点坐标（x,y,z）以及接收机钟差Vt0 [8]。
卫星持续地发送自身的星历参数及时间信息，利用用户接收到这些信息求解
出接收机的三维位置、三维方向、运动速度和时间信息。
1.3 地理信息系统 GIS
地理信息系统（Geographical Information System，简称 GIS）是用于回答地理学问题的艺术、科学、工程和技术的总称，是一种将空间位置信息与属性数据结合在一起的系统。
从 20 世纪 60 年代至今，GIS 已迅速发展成为一个独特的研究与应用领域，并成为一个全球性的重要行业，GIS 技术也已成为 IT 的重要组成部分，是一门集计算机科学、信息科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学于一体的新兴边沿学科[4]。GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。GIS与其他信息系统最大的区别是对空间信息的存储管理分析，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值[9]。
GIS可以分为以下五部分：
人员，是GIS中最重要的组成部分。开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务，开发处理程序。 熟练的操作人员通常可以克服GIS软件功能的不足，但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对GIS的一无所知所带来的负作用。
数据，精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果。
硬件，硬件的性能影响到软件对数据的处理速度，使用是否方便及可能的输出方式。
软件，不仅包含GIS软件，还包括各种数据库，绘图、统计、影像处理及其它程序。
过程，GIS 要求明确定义，一致的方法来生成正确的可验证的结果。
GIS属于信息系统的一类，不同在于它能运作和处理地理参照数据。地理参照数据描述地球表面(包括大气层和较浅的地表下空间)空间要素的位置和属性，在GIS中的两种地理数据成分：空间数据，与空间要素几何特性有关；属性数据，提供空间要素的信息[10]。
1.4 基于AVR单片机的GPS接收器
本文中应用的AVR单片机是ATmega16，单片机又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一个芯片上，概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。单片机技术是计算机技术的一个分支，是简易机器人的核心元件。1997年，由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术， 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。
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