2016年2月17日 星期三

GPS封裝格式與$GPRMC解析

NMEA封裝格式
是由美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association，NMEA)所制定的GPS協定標準規格，其制定了GPS 上的所有資料格式與資料傳輸的通訊協定，其中還訂下了所有航海電子儀器用的通訊標準，而這些介面協定採用ASCII碼輸出方式，協議定義了若干代表不同含義的語句，語句格式如下所示。
符號（ASCII）
定義
HEX
DEX
說明
$
起始位
24
36
語句起始位
  aaccc
地址域
  

前兩位為位識別符，後三位為語句名
“，”
域分隔符號
2C
44
域分隔符號
ddd……ddd
資料塊


發送的資料內容
“*”
校驗和符
2A
42
星號分隔符號，表明後面的兩位數是校驗和
Hh
校驗和


校驗和
/
終止符
0D,0A
13,10
回車，換行
NMEA－0183介面協定定義的主要語句有：GGA、GLL、GSA、GSV、MSS、RMC、VTG、ZDA等。表13-2介紹這些語句所包含的具體內容。

表13-2 常見NMEA-0183語句內容[38]

語句
語句內容
GGA
UTC時間、緯度值、經度值、定位狀態（無效、單點定位、差分）、觀測的GPS衛星個數、HDOP值、GPS橢球高、天線架設高度、差分數據齡期、差分基準站編號、校驗和
GLL
UTC時間、緯度值、經度值、定位狀態（無效、單點定位、差分）、校驗和
GSA
定位模式（M－手動，強制二維或三維定位；A－自動，自動二維或三維定位）、定位中使用的衛星ID號、PDOP值、HDOP值、VDOP值
GSV
視野中的GPS衛星顆數、PRN編號、衛星仰角、距正北的角度（方位角）、信噪比
MSS
信標台的信號強度、信噪比、信標頻率、串列傳輸速率、通道號
RMC
UTC時間、定位狀態（A－可用，V－可能有錯誤）、緯度值、經度值、對地速度、日期等
VTG
對地速度等
ZDA
UTC時間、年、月、日、當地時區、時區的分鐘值等


1.GPS（Global Positioning System）：全球衛星定位系統
美國的24顆衛星不停地給地面發GPS信號，只要有一台GPS接收設備，就能定位出你所在的位置高度和速度了，它與電子地圖的結合就是通常所說的GPS功能

三、gps資料格式

1.從串列埠中讀出的是文本資料，每次讀出一行，一般情況下，一秒種能收到多行資料

2.有效資料以$GP開頭，分為$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC…


nmea資料如下： 
$GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,,0000*77
$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*54
$GPVTG,359.95,T,,M,15.15,N,28.0,K,A*04
$GPGGA,121253.000,3937.3090,N,11611.6057,E,1,06,1.2,44.6,M,-5.7,M,,0000*72
$GPGSA,A,3,14,15,05,22,18,26,,,,,,,2.1,1.2,1.7*3D
$GPGSV,3,3,10,29,07,074,,30,07,163,28*7D

注：NMEA0183格式以“$”開始，主要語句有GPGGA,GPRMC,GPGSA,GPGSV,GPVTG，GPZDA等



2.1、 GPS DOP and Active Satellites（GSA）當前衛星資訊

$GPGSA,<1>,<2>,<3>,<4>,,,,,<12>,<13>,<14>, <15>,<16>,<17>,<18>

<1>模式 ：M = 手動， A = 自動。 
<2>定位型式 1 = 未定位， 2 = 二維定位， 3 = 三維定位。 
<3>到<14>PRN 數字：01 至 32 表天空使用中的衛星編號，最多可接收12顆衛星資訊

      (上面藍色處，總共有12個)。 
<15> PDOP位置精度因數（0.5~99.9） 
<16> HDOP水準精度因數（0.5~99.9） 
<17> VDOP垂直精度因數（0.5~99.9） 
<18> Checksum.(檢查位).


2.2、 GPS Satellites in View（GSV）可見衛星資訊 
$GPGSV, <1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,?<4>,<5>,<6>,<7>,<8>

<1> GSV語句的總數 
<2> 本句GSV的編號 
<3> 可見衛星的總數，00 至 12。 
<4> 衛星編號， 01 至 32。 
<5>衛星仰角， 00 至 90 度。 
<6>衛星方位角， 000 至 359 度。實際值。 
<7>訊號雜訊比（C/No）， 00 至 99 dB；無表未接收到訊號。 
<8>Checksum.(檢查位).

第<4>,<5>,<6>,<7>項個別衛星會重複出現，每行最多有四顆衛星。其餘衛星資訊會于次一行出現，若未使用，這些欄位會空白。



2.3、Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位資訊

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh

<1> UTC時間，hhmmss（時分秒）格式 
<2> 緯度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸） 
<3> 緯度半球N（北半球）或S（南半球） 
<4> 經度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸） 
<5> 經度半球E（東經）或W（西經） 
<6> GPS狀態：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算 
<7> 正在使用解算位置的衛星數量（00~12）（前面的0也將被傳輸） 
<8> HDOP水準精度因數（0.5~99.9） 
<9> 海拔高度（-9999.9~99999.9） 
<10> 地球橢球面相對大地水準面的高度 
<11> 差分時間（從最近一次接收到差分信號開始的秒數，如果不是差分定位將為空） 
<12> 差分站ID號0000~1023（前面的0也將被傳輸，如果不是差分定位將為空）


2.4、Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推薦定位資訊

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

<1> UTC時間，hhmmss（時分秒）格式 
<2> 定位狀態，A=有效定位，V=無效定位 
<3> 緯度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸） 
<4> 緯度半球N（北半球）或S（南半球） 
<5> 經度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸） 
<6> 經度半球E（東經）或W（西經） 
<7> 地面速率（000.0~999.9節，前面的0也將被傳輸） 
<8> 地面航向（000.0~359.9度，以真北為參考基準，前面的0也將被傳輸） 
<9> UTC日期，ddmmyy（日月年）格式 
<10> 磁偏角（000.0~180.0度，前面的0也將被傳輸） 
<11> 磁偏角方向，E（東）或W（西） 
<12> 模式指示（僅NMEA0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=資料無效）



2.5、 Track Made Good and Ground Speed（VTG）地面速度資訊 
$GPVTG,<1>,T,<2>,M,<3>,N,<4>,K,<5>*hh
<1> 以真北為參考基準的地面航向（000~359度，前面的0也將被傳輸） 
<2> 以磁北為參考基準的地面航向（000~359度，前面的0也將被傳輸） 
<3> 地面速率（000.0~999.9節，前面的0也將被傳輸） 
<4> 地面速率（0000.0~1851.8公里/小時，前面的0也將被傳輸） 
<5> 模式指示（僅NMEA0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=資料無效）



2.6、GPZDA日期和時間

$GPZDA,<1>,<2>, <3> , <4> , <5> , <6> *CC

<1> UTC時間，hhmmss（時分秒）格式 
<2> 日
<3> 月
<4> 年
<5> 本地時區小時便宜量 
<6>本地時區分鐘便宜量



3.0 程式設計


利用strstr函數和sscanf函數解析GPS資料。

GPS輸出的資料格式如下：
$GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,,0000*77
$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*54
$GPVTG,359.95,T,,M,15.15,N,28.0,K,A*04
$GPGGA,121253.000,3937.3090,N,11611.6057,E,1,06,1.2,44.6,M,-5.7,M,,0000*72
$GPGSA,A,3,14,15,05,22,18,26,,,,,,,2.1,1.2,1.7*3D
$GPGSV,3,1,10,18,84,067,23,09,67,067,27,22,49,312,28,15,47,231,30*70
$GPGSV,3,2,10,21,32,199,23,14,25,272,24,05,21,140,32,26,14,070,20*7E
$GPGSV,3,3,10,29,07,074,,30,07,163,28*7D

可以看到，GPS模組發送過來的原始資料有很多，但是通常我們只需要其中的一部分資訊就夠用了，比如對於導航的功能，我們只需要以$GPRMC開頭，以換行符結束的一行資訊就夠了。即：
$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*54

因此我們需要做的就是從讀取的資料中截取以$GPRMC開頭的一行資訊，然後從中解析出經緯度、日期時間等有效資訊即可。

假設從串口讀取的資料存放在一個字串指標char *raw_buf指向的記憶體單元裏，首先我們通過ANSI C提供的strstr()函數找到以$GPRMC開頭以換行符’\n’結束的字串：
/* find "$GPRMC" from raw_buf */
if ((wellhandled_string = strstr(raw_buf, “$GPRMC”)) != NULL)
{
        for (i=0; i         {
                if (wellhandled_string[i] == '\n')
                {
                        wellhandled_string[i] = '\0'; //replace ‘\n’ with null
                }
        }
}
strstr() 函數的原型是這樣聲明的：
char *strstr(const char *haystack, const char *needle);

strstr()函數可以在字串haystack中搜索字串needle第一次出現的 位置，並且返回指向字串needle首位址的指標，如果沒有搜索到則返回NULL。因此上面的代碼為我們在讀取的原始資料raw_buf裏搜 索$GPRMC第一次出現的位置，並將返回的指針賦給wellhandled_string，這樣如果搜索成功，則wellhandled_string 就會指向以$GPRMC開始的字串，接下來通過一個for迴圈找到換行符’\n’，將其替換為’\0’，即字串結束符。這樣就得到了一個指向有效資料 的字串指標wellhandled_string。

然後要做的工作就是從wellhandled_string中提取出經緯度、日期時間等資訊。這個工作就可以交給強大的sscanf函數來實現。sscanf函數的原型如下：
int sscanf(const char *str, const char *format, ...);

我們都比較熟悉scanf這個函數，scanf可以從標準輸入流讀取與指定格式相符的數 據。sscanf則是從const char *str中讀取。它的強大之處在於可以方便地從字串中取出整數、浮點數和字串等各種類型的資料，而且它還具有類似於正則運算式的匹配功 能，sscanf默認是以空格分隔字串的，如果不是以空格來分割的話，就可以使用%[ ]來指定分割的條件。如%[a-z]表示讀取a到z的所有字元，%[^a-z]表示過濾a-z之間的所有字元，即只要遇到a到z之間的任意字元，轉換立刻 停止。比如：
sscanf(“abcdefABCDEF”, “%[^A-Z]”, str);
printf(“%s\n”, str);
result is: abcdef
%[^A-Z]這樣的匹配格式為我們取遇到大寫字母為止的字串。利用這種匹配方式，我們就可以靈活的操作字串，得到我們想要的結果。

現在我們需要從下面的字串中提取有效資訊：
$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*54

GPRMC每個欄位的含義如下：
$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh
<1> UTC 時間，hhmmss（時分秒）格式 
<2> 定位狀態，A=有效定位，V=無效定位 
<3> 緯度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸） 
<4> 緯度半球N（北半球）或S（南半球） 
<5> 經度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸） 
<6> 經度半球E（東經）或W（西經） 
<7> 地面速率（000.0~999.9節，前面的0也將被傳輸） 
<8> 地面航向（000.0~359.9度，以真北為參考基準，前面的0也將被傳輸） 
<9> UTC日期，ddmmyy（日月年）格式 
<10> 磁偏角（000.0~180.0度，前面的0也將被傳輸） 
<11> 磁偏角方向，E（東）或W（西） 
<12> 模式指示（僅NMEA0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=資料無效）

我們提取1~9九條資訊。用一個結構體存放這些資訊：
typedef struct gps_info
{
        char utc_time[BUF_SIZE];
        char status;
        float latitude_value;
        char latitude;
        float longtitude_value;
        char longtitude;
        float speed;
        float azimuth_angle;
        char utc_data[BUF_SIZE];
}GPS_INFO;

因為每一個欄位之間都是以逗號間隔開的，所以我們可以利用%[^,]來分割字串，這樣用sscanf函數就可以實現對有效資訊的提取：
sscanf(wellhandled_string,"$GPRMC,%[^,],%c,%f,%c,%f,%c,%f,%f,%[^,]",
            rmc_info->utc_time,\
            &(rmc_info->status),&(rmc_info->latitude_value),&(rmc_info->latitude),\
            &(rmc_info->longtitude_value),&(rmc_info->longtitude),&(rmc_info->speed),\
            &(rmc_info->azimuth_angle),\
            rmc_info->utc_data );這個函數執行後，列印出的保存在struct gps_info結構體裏的資訊如下所示：
utc_time: 024813.640
status: A
latitude: N latitude value: 3158.460693
longtitude: E longtitude value: 11848.374023
speed: 10.050000
azimuth_angle: 324.269989
utc_data: 150706

可見，利用好sscanf函數，可以讓我們可以很高效的處理字串。

sscanf 教學請看

 http://ccckmit.wikidot.com/cp:sscanf



參考資料
http://blog.csdn.net/xmxqiyan/article/details/9134025
http://www.embedu.org/Column/Column196.htm

http://blog.csdn.net/baishengjie/article/details/5294321



這裡有詳細的gps命令解釋跟各家gps廠命令範例

http://www.gpsinformation.org/dale/nmea.htm

gps 模擬器..可以模擬gps裝置 由虛擬串列埠 或 真實串列埠 輸出 pgs 語句作測試



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