摘要：隨著交通的便利，自駕車出門游玩已經成為常事，人們對導航的需求也日漸強烈。市面上的導航以線框圖的方式為主，而這種方式比較適用于城市內部的導航，當有需要去郊區或者山地野外等活動時這種方式就顯得力不從心。而基于Google Earth的GPS導航能有效地滿足對這些需求。在Google Earth免費版本上，利用Google Earth的KML，實現GPS導航和軌跡記錄。系統由三個部分組成：GPS接口，實現與GPS模塊之間的通訊；通過內嵌Web服務器實現與GoogleEarth之間的通訊；基于預定軌跡的導航功能，實現偏離預定軌跡時的報警。
1 緒論
隨著科技的發展車輛的普及，人們對GPS實時導航的需求變的越來越突出。隨之出現了，許多GPS實時導航系統，這其中有軟硬件集成一體的GPS導航設備，也有基于其他GPS設備的軟件系統。而所有的這些GPS導航幾乎都是以線框圖為主。線框圖的方式比較適用于城市內部的導航，當有需要去郊區或者山地野外去探險等活動時，這種方式就顯得力不從心了。
因為這些地方的地圖信息少，圖示比較粗糙，其次，它提供的時線框的方式去描述地理，顯然不能很深刻的反應該地的地貌特征，比如海拔，山野等。而且為了及時更新維護這些線框圖帶來的代價也時很大的。而這些需求的信息可以在衛星地圖上找到。
與此同時Google公司在近些年出來的Google Earth軟件，是一款十分優秀的衛星地圖服務軟件，它免費提供的衛星地圖精度很高。大部分地區的地區都比較清晰，特別是各個城市的照片，可以清晰的看到馬路上的車輛。在中國衛星圖像里，一線城市以2009、2010年拍攝的為主，二、三線城市以05、06年的庫存圖片為主，能較好地滿足導航的要求。
在Google Earth Plus以上的收費版本中還提供了GPS接口，能實時地顯示當前位置的地圖和移動軌跡。而在免費版本中不帶這個功能。因此，設計一個基于Google Earth的GPS導航系統也是很有實際意義的。通過該系統，完成對Google Earth軟件的控制，從而達到基于GPS的實物圖導航的目的。
此外近期，基于Google Earth的開發已經很多了，例如，利用Google官方提供的3D圖形繪制工具，繪制各種建筑或者樹木等物品，可以上傳擺置在Google Earth上面作為產品展出，也可以設計各種樹木擺放到山林的平面衛星照片上，從而勾勒出具有3D特性的衛星地圖，便于防止森林火災搶救等應用。
2 需求分析
2.1 功能需求
本系統由如下的四部分構成：
1)GPS導航系統與GPS設備的通訊模塊。
2)WEB服務器，接受來至于Google Earth的Network Link的請求，響應當前的坐標及軌跡信息。
3)預定軌跡的導航，根據預定軌跡對位置進行檢測，實現偏離預定軌跡時的報警功能。
4)提供軌跡管理和與其他GPS數據交換的工具。
2.2 數據流分析
如圖1，在整個系統中，數據的流動比較的重要，各個功能之間的數據信息的交互都是數據的流動。GPS硬件設備是個數據源，不停的接受來自衛星的信號，通過計算，組織成有格式的數據流傳遞到本系統，而本系統對這些GPS信息進行讀取，并與系統內部的其他的功能配合完成一系列功能。由于系統要控制Google Earth來完成衛星地圖的導航功能，所以必須要有一個可以控制Google Earth軟件的方式來完成這個任務。這個功能需要把之前從GPS硬件設備讀取的信息以某種方式來控制Google Earth。此外，系統的軌跡管理功能也需要與其他功能配合才能完成一系列的管理功能。
圖1 數據流圖
3 系統設計
3.1 系統模型
圖2 系統模型圖
完成GPS導航的整個系統的模型如圖2所示。這其中包含了很多外部硬件設備和軟件系統，而我們的GPS導航系統是安裝在用戶的PC機或筆記本電腦中的。
首先GPS設備不斷的接受來至于各個衛星的無線信號，通過它本身的固件計算得出當前的坐標等相關地理信息。然后與計算機進行藍牙通訊傳送這些地理信息，而在計算機中，操作系統底層把藍牙通訊模擬成基本的串口通訊，供應用程序調用。本GPS導航系統，自動識別當前計算機中的被模擬為串口的端口號，并不斷的讀取來至于GPS設備的地理信息。再通過Google Earth控制模塊，控制Google Earth的顯示，若當前的地圖信息還未加載，Google Earth會根據當前的網絡情況，連接Google Earth服務器獲取對應坐標視角的地圖信息。用戶一般都是在駕車行駛的時候需要這種導航，所以一般可能的話，可以通過筆記本無線網絡連接Google Earth服務器，正如圖2所示。
3.2 功能模塊劃分
整個系統由四大模塊組成。分別為GPS設備通訊模塊，WEB服務器模塊，預定軌跡導航模塊，用戶圖形界面。
1)GPS設備的通訊模塊根據操作系統底層對藍牙的模擬串口，讀取GPS設備發送過來的地理信息，并過濾無用信息，動態的更新到自定義的數據結構中去。
2)WEB服務器模塊接受來至于Google Earth的Network Link的請求，結合之前更新在結構體中的坐標信息，生成用來改變Google Earth顯示的KML文件，并響應Google Earth.
3)預定軌跡導航模塊先加載KML文件，獲得預定的軌跡信息。啟動導航功能之后，實時地根據預定軌跡對當前位置檢測，并在當前位置偏離預定軌跡時，提供報警功能。
4)用戶圖形界面為了便于用戶的快捷使用，本系統提供類似與金山快譯的工具條按鈕組，所有的功能全都由工具條上的幾個形象的按鈕完成。十分便利。
3.3 核心模塊分析
3.3.1 GPS模塊
圖3 GPS模塊分析
這里GPS模塊的輸入是來至于GPS硬件設備發送過來的地理信息，而它的輸出是對這些地理信息解析提取出來的坐標和軌跡信息，傳遞給GoogleEarth控制模塊。內部完成串口數據的接受與坐標軌跡的提取。
3.3.2 Google Earth控制模塊
圖4 Google Earth控制模塊分析
這個Google Earth控制模塊，有兩個輸入，一個是外部輸入，就是來自于Google Earth的請求，一個是用于構造響應這個請求時用到的坐標與軌跡信息，這些信息來至于GPS模塊，對外輸出就是響應Google Earth的KML文件。
3.3.3 串口通訊模塊分析
圖5 串口通訊模塊
在這個過程中，首先GPS設備不斷的接受來至于各個衛星的無線信號，通過它本身的固件計算得出當前的坐標等相關地理信息。然后與計算機進行藍牙通訊傳送這些地理信息，而在計算機中，操作系統底層把藍牙通訊模擬成基本的串口通訊，供應用程序調用。我們的GPS導航系統，自動識別當前計算機中的被模擬為串口的端口號，并開啟線程，不斷的讀取來至于GPS設備的地理信息。這里并不是所有的地理信息在本系統都是有用的，通過程序過濾，提取出當前坐標點經緯度、速度、方向等幾個基本的數據信息。把這些信息存儲到結構體中，并通過與之前的坐標點的累加，可以構造出一連串的坐標，從而構成行駛軌跡。
3.3.4 WEB服務器模塊分析
WEB服務器模塊中首先開啟HTTP服務線程， 等待來至于GoogleEarth的Network Link的請求，結合之前更新在結構體中的坐標信息，生成用來改變Google Earth顯示的KML文件，并響應Google Earth.這里有三個KML文件，其中Network Link中的URL直接指向http://127.0.0.1:5080/index.kml.這里的5080是WEB服務器注冊的端口號。
3.3.5 預定軌跡導航模塊分析
圖6 預定軌跡導航及越界警報模塊
預定軌跡導航及越界警報模塊中，首先在導航之前要加載預定軌跡。
為了便于繪制和存儲，我們就采用Google Earth中對軌跡的存儲的KML軌跡文件作為預定軌跡的載體。在加載完預定軌跡之后就可以開啟GPS導航，串口通訊模塊不斷的讀取當前坐標信息，而系統專門啟動一個線程定時的去檢測當前坐標與預定軌跡之間的距離，當超出設置的預定軌跡的范圍的時候，即偏離預定軌跡時，啟動警報系統，發出聲音警報，提醒用戶當前坐標已經偏離預定的軌跡范圍了。若是沒有偏離預定軌跡，則線程睡眠一段時間，再次檢測當前位置與預定軌跡之間的距離，開始下一輪的檢測與警報。
