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GPS定位數據壓縮算法的設計與實現
摘要：為了解決嵌入式GPS車載系統存儲空間小、GPS定位數據量大的矛盾，根據GPS定位數據的特點，提出了專用于GPS定全數據壓縮的改進型半字節壓縮算法。該算法是一種在原半字節壓縮算法的基礎上改進的算法，經過實際測試，壓縮比可達50%。若將壓縮預處理也折算法在內，總壓縮比可達80%以上，為車載系統節省了大量的存儲資源。除此之外，也縮短了GSM信道的占用時間，大大地緩解了向控制調度中心上傳數據的壓力。嵌入式GPS車載系統般體積較小，無存儲量大的硬盤等設備，系統程序、應用程序一般裝在FLASH或ROM中。由于FLASH或ROM等存儲介質的價格相對臺式機上廣泛使用的硬盤、光盤等來說是非常昂貴的，因此，在開發嵌入式系統的軟件產品時必須將軟件所占的存儲空間限制在一定的范圍內。
在GPS車載系統的研發過程中，
主要需解決的問題是：車載系統為了實現自導航，必須存儲大量的GPS定位數據（每天需要存儲約6MB）；其二是這些數據還要通過GSM信道上傳到控制調度中心（若通過短信業務發送，每次160B，則需要每分上傳6次）。無疑，數據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揮系統現有資源的有效辦法。
數據壓縮方法種類繁多，可以分為無損壓縮和有損壓縮兩大類。無損壓縮利用數據的統計冗余進行壓縮。數據統計冗余度的理論限制，般為2：1到5：1。這類方法廣泛用于文本數據、程序和特殊應用場合的圖像數據（如指紋圖像、醫學圖像等）的壓縮。有損壓縮方法利用了人類視覺對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。雖然不能完全恢復原始數據，但是所損失的部分對理解原始圖像的影響較小，卻換來了大得多的壓縮比。有損壓縮廣泛應用于語音、圖像和視頻數據的壓縮。
目前現在的壓縮算法很多，但不能直接用于嵌入式系統當中，這完全由嵌入式系統的特點所決定。首先，用于嵌入式系統的數據壓縮方法應是無損壓縮方法。其次，壓縮代碼和解碼所需的信息代碼必須足夠短，否則就會失去壓縮的意義。還有，嵌入式系統的數據壓縮必須結合具體的數據格式的特點，才能進一步提高數據的壓縮比。除此之外，目前的壓縮程序的啟動執行必須人為干擾，不能自動執行，因為它們是為文件系統設計的，而嵌入式系統的數據壓縮必須能夠自動執行。
1 GPS數據格式
GPS OEM板由變頻器、信號通道、
微處理器和存儲單元等組成。GPS OEM板的型號甚多，性能各異，但大多采用美國國家海洋電子協會制定的NMEA-0183通信標準格式。本系統選擇的是美國SiRF公司的SiRFstarII OEM板。SiRFstarII OEM板語句的輸入、輸出是通過RS232串行接口完成的，其通信端口的數據格式應該設置為8個數據位、1個起始位和1個停止位，校驗方式選為無奇偶校驗，波特率設置為4800波特。NMEA-0183通信標準的輸出數據采用的是ASCII碼，其內容包含了緯度、經度、高度、速度、日期、時間、航向以及衛星狀況等信息，語句有六種，包括GGA，GLL、GSA、GSV、RMC和VTG。對于不同的用途，選用的語句記錄也不同，例如嵌入式GPS車載系統的使用者只關心其日期和時間、糾度、面速度信息，因而可以只選用RMC記錄語句。一條$GPRMC語句包括13個記錄：語句標識頭、世界時間、定位狀態、緯度、緯度方位、經度、經度方位、地面速度、地面路線、日期、磁偏角、校驗和和結束標記，它一共占用70個字節（其中還包括用于分隔記錄所使用的11個逗號），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板接收下來的數據流是文本字符串，根據GPS數據格式的特點，本設計中擬采用半字節法完成壓縮及解壓縮的任務。該方法屬于無損壓縮技術，其原理是去除字節中的冗余位，從而達到壓縮目的。然而，這種方法只適用于純數字文本文件的壓縮，顯然GPS定位數據并不是純數字的，還必須在壓縮前進行一下壓縮預處理，最后再利用半字節壓縮算法完成數據的壓縮。
2 壓縮預處理
仔細觀察以上各段數據記錄，可以發現語句之間的數據段還存在很多冗余。除此之外，這些記錄中所含的信息既有英文字符又有數字，為了后續的壓縮，對語句中的各個記錄應做如下的預處理：
①語句標識頭（ID）：因為每個語句的標識頭都一樣，所以該記錄段屬地冗余信息，完全可以去除，在解壓縮時再在每個語句前加上該標識頭即可。
②世界時間（UTC）：該信息段以時、分、秒、毫秒的格式指示出當時世界時間。轉換為北京時間還需要再加上8小時。由于車載系統的定位數據的采集是以秒為單位的，所以毫秒量級的數據對本系統根本無用，是冗余信息，由于世界時間是按秒增1，定位數據也是每委員長更新一次，所以世界時間可以在程序的一開始采集記錄一下，在解壓縮時根據語句的指針值再加上起始時間便可以復原，因此該記錄段在第一次存儲后，以后的語句中的該信息全都是冗余信息。
③定位狀態（A/V）：占用1個字節，不進行預處理。由于車載系統處于的地方有可能收不到衛星信號（如隧道中），致使定位信息無效，因此盡管該字段發生變化的概率較小，又與其它信息段不相關，在此仍不能做預處理。
④緯度：占用9個字節，不進行預處理。
⑤緯度：占用10個字節，不進行預處理
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