GPS应用开发设计文档

后勤部长 · 发表于 2010-6-18 23:11

关键字：
GPS:Global Position System, 全球定位系统
NMEA:National Marine Electronics Association 全国海洋电子协会
SiFR:u-blox公司的GPS模块二进制数据协议
WGS 84:World Geodetic System 1984
LLA: Longitude/Latitude/Altitude经纬度和海拔
简述：
本文介绍采用GPS接受模块，GIS控件开发GPS/GIS应用软件的一些要点。不涉及复杂的地理信息理论，主要是针对协议和接口的应用开发

一：GPS 模块应用

GPS（全球定位系统）接受硬件上已经模块化，这里主要基于我使用过的u-blox TIM GPS（以下简称TimGPS)来介绍。
TimGPS模块如图（几乎是1:1比例）：
此模块提供和GPS卫星通信的功能，对外提供FFC20接口，可以给它增加电源，接口板，串口模块，使之可以通过串口和计算机连接。
如何开发串口程序在本文中不再介绍，无论在windows/linux下开发串口串口程序都是很简单的事情。

TimGPS对外提供标准NMEA协议和厂家自己的SiRF二进制协议。
1.1 NMEA(National Marine Electronics Association) 0183协议
NMEA 0183是一种航海、海运方面有关于数字信号传递的标准，此标准定义了电子信号所需要的传输协议，传输数据时间。这个协议是文本格式的。大致如下
Start Sequence
Payload
Checksum
End Sequence

消息头

消息体,具体数据和NMEA消息字相关，数据之间用逗号(,)间隔。
2243.4976,N,11414.7289,E,091828.819,A

校验码，格式为*[16进制数]如*2C
回车换行
4

协议头，格式为输出：$GPxxx,xxx为输出消息字如GLL.输入：$PSRFMID为输入消息字.
1.1.1NMEA协议输出和输入消息
NMEA协议有以下输出消息
消息字
内容

GGA
时间，位置，定位数据

GLL
经纬度,UTC格式时间，位置和状态数据

GSA
接收机模式和卫星工作数据,包括位置和水平/竖直稀释精度等。稀释精度（Dilution of Precision）是个地理定位术语.一个接收器可以在同一时间得到许多颗卫星定位信息，但在精密定位上，只要四颗卫星讯号即已足够了

GSV
接收机能接收到的卫星信息，包括卫星ID，海拔，方位角，信噪比等

MSS
信号比(SNR),信号强度，频率，比特率

RMC
日期，时间，位置，方向，速度数据。是最常用的一个消息

VTG
相对地面的方向和速度数据

ZDA
时间和日期数据。

和地理信息密切的相关的消息如下，各消息之间包含的信息字段有出入也有重复，在一轮消息循环里，各消息相同的字段中包含相同的地理数据。可以综合多个消息，来获取完整的数据。
　
日期
时间
纬度
经度
海拔
定位状态
卫星数
地面速度
方向角

GGA
　
√
√
√
√
√
√
　
　

GLL
　
√
√
√
　
√
　
　
　

RMC
√
√
√
√
　
√
　
√
√

VTG
　
　
　
　
　
　
　
√
√

ZDA
√
√
　
　
　
　
　
　
　

以下为u-lox厂商扩充的输出消息
PSRF150
OK-to-send指令，在节电模式中表示进入工作状态

PSRF161
硬件状态报告

工作在NMEA模式时，TimGPS可以有以下输入消息.输入消息一般是用于控制GPS的运行的。
消息字
内容

100
设置串口参数和协议

101
XYZ导航坐标初始化。输入参数按 WGS84坐标系确定

102
设置DGPS端口

103
设置或查询数据输出频率。可以设置每个NMEA消息的是否输出和输出频率

104
输入当前经纬度和海拔来初始化模块

105
开发调试数据开关

106
(u-blox)可以改变大地基准坐标系，默认是WGS-84坐标系

107
(u-blox)配置节电模式

108
(u-blox)进入下载模式，更新Flash

MSK
设置MSK信号接收机参数

每个协议的具体格式，可以到网上下载具体的NMEA协议。

1.1.2 NMEA消息的接收和解析
当接收机工作在NMEA协议时，以一定的速率向外输出数据。如
$GPGGA,140144.000,2232.2513,N,11401.6763,E,1,04,,20.3,M,,M,,0000*58
$GPGLL,2232.2513,N,11401.6763,E,140144.000,A*35
$GPRMC,140144.000,A,2232.2513,N,11401.6763,E,9.17,,140703,,*12
$GPVTG,,T,,M,9.17,N,17.0,K*47
$GPGGA,140148.000,2232.2654,N,11401.6738,E,1,04,,36.1,M,,M,,0000*5F
$GPGLL,2232.2654,N,11401.6738,E,140148.000,A*37
$GPRMC,140148.000,A,2232.2654,N,11401.6738,E,12.95,,140703,,*20
$GPVTG,,T,,M,12.95,N,24.0,K*77

最好将所有的消息输出速率设置为相同的（使用输入指令103），或者根据具体情况打开或关闭一些不不需要的消息。
消息里各字段的格式都不复杂，以下几个稍微注意：
l       经纬度的表示法为ddmm.mmmm和方向指示，以纬度举例：当纬度为9730.765,方向指示为N,则表示为北半球的97度30.765分.有的地理信息组件使用经纬度的时候不用度分秒表示法，而是用浮点数表示法，那么97度30.765分就约等于97.5（97+30.765/60）度。
l       方向角以正北向为0度，正东向为90度，也就是顺时针方向从0度增加到359度
l       校验码为一个消息包（包括消息头和体）里每个ASCII字符的值依次进行异或得到，算法(c++代码)如下
   unsigned char CheckSum(string s)
   {
      unsigned char c = 0;
      for(int o=1;o
      {
            unsigned char h = s[o];
            c ^= h;
      }
      return c;
   }
   sprintf(StrCheckSum,"*%02X",CheckSum(data) );

一般的地理数据，只取RMC消息包就够了，如果还需要其他的数据，比如当前卫星数，卫星状态等等，又或者接受机本身关闭了RMC消息包，只输出其他的消息包，那么就需要解析其他消息包。
应用程序逐行分析消息包。我的做法是先将消息包按逗号分割原则解析成一个字符数组，然后根据包头指令字，按协议含义取数组里的字符串。
ParseMessage(sMessage,Array)); //将一行消息解析到字符串数组Array里
if (Array[0].CompareTo("$GPRMC") ==0  ) //是RMC消息
{
if(Array.size()!=12) //要求有12个字段
      return -1;
//以下依次填充RMC数据结构
recRMC Rmc
Rmc.UTCTime                = Array[1];
Rmc.Status                = Str2Char(Array[2]);
Rmc.Latitude                = Array[3];
Rmc.Latitude.DirIndicator = Str2Char(Array[4]);
Rmc.Longitude             = Array[5];
Rmc.Longitude.DirIndicator = Str2Char(Array[6]);
Rmc.SpeedOverGround       = Str2Num(Array[7]);
Rmc.CourseOverGround       = Str2Num(Array[8]);
Rmc.Date                   = Array[9];
Rmc.Magnetic[0]             = Str2Char(Array[10]);
Rmc.Checksum                = (int)Str2Hex(Array[11]);
   //检查CheckSum,
return  CheckSum(Rmc.CheckSum,sMessage)；
}
以类似的方法构造解析其他消息的函数。组消息包则是依次将字段转成字符串连接起来，最后附加校验码即可。

1.2 SiFR协议.
SiFR协议是GPS模块厂商制定的二进制协议，提供了对GPS模块操作的更多接口，厂家号称此协议(用于操作本家的模块)更稳定，更高效，更容易操作。
1.2.1协议格式
消息头
消息体长度
消息体
校验码
消息结束符

双字节
0xA0
0xA2
双字节
长度小于1023字节的数据
双字节
双字节
0xB0
0xB3

具体消息格式可以参考厂家提供的协议文档（GPS.G2-X-01003-E.pdf）。
1.2.2 日志操作
SiFR包括了读取地理数据，刷写Flash,配置GPS模块参数，读取/擦写日志等一系列的操作。以日志操作最为有用。TimGPS可以脱离计算机运行，将所到之处的地理信息保存在内部存储器里，然后再接上计算机，获取地理信息日志，得到携带该GPS的载体在一段时间里运行轨迹。
读取Log的大致过程是 :
读取Log Sector信息，得到最小Sector号和最大Sector号，依次发指令读取每个Sector的Log信息，并解析转换成NMEA协议消息。
擦除Log时，虽然u-blox提供了全部擦除指令，实际应用的时候发现该指令成功率不高。还是依次发指令逐个擦除比较好。
TimGPS的log格式定义在厂家提供的TIM_Data_Logger_Manual(GPS.G2-SW-02015).pdf里。
日志中包含的消息如下
消息号
消息名
字节数
内容

111
NONE
1
无数据

100
FIX_FULL
9
全部地理定位信息

100
FIX_INCL
5
地理定位信息，增量数据

000
FIX_INCM
4
地理定位信息，增量数据, 在字节上比FIX_INCL少一个

110
FIX_INCS
3
地理定位信息，增量数据,使用更少的字节数

101
GPIO_FULL
3
GPIO（ General-purpose_input/output）数据

011
GPIO_INC
2
GPIO数据，增量数据

001
ESCAPE
不定
用于扩展

以上所有消息都是二进制编码，按位存储，解析消息需要使用二进制位操作。
消息解析成功后，u-blox建议按以下逻辑处理这些消息

WHILE (Data) --读入新数据
--获取消息类型，并根据消息类型得到对应消息的字节数
IF (Type = EMPTY) THEN --  空数据，跳过
ELSE IF (Type = FIX_FULL) THEN - 保存时间信息，保存位置，速度和其他模式信息
ELSE IF ((Type = FIX_INCL) OR (Type = FIX_INCM) OR (Type = FIX_INCS)) THEN
-- 将时间和位置增量数据叠加到最近一个定位记录上，保存速度数据
ELSE IF (Type = GPIO_FULL) THEN -- 保存时间和GPIO数据
ELSE IF (Type = GPIO_INC) THEN  -- 叠加时间到最近一个GPIO数据的时间字段上，保存GPIO数据
ELSE IF (Type = ESCAPE) THEN --处理自定义数据
-- END IF
END WHILE

.2.3WGS84->LLA转换问题
在分析其日志的过程中，遇到一个问题，就是TimGPS二进制日志保存的坐标数据是以WGS84大地坐标系为准的，大地坐标系的XYZ轴如下：

要得到经纬度和海拔(LLA：Longitude/Latitude/Altitude)坐标，需要一些椭球体、基准面及地图投影的知识。
后来从网上找到一个Fortune77写的WGS84->GLL换算函数，将其转成C/C++的函数:
void wgsxyz2lla(double x,double y,double z,double *lat,double *lon,double *alt)
{
      double pi = 3.14159265357;
      longA_EARTH = 6378137;
      double  flattening = 1/298.257223563;
      double NAV_E2 = (2-flattening)*flattening; // also e^2
      double rad2deg = 180/pi;
      double wlon,wlat,walt,rhosqrd,rho,templat,tempalt,rhoerror,zerror;
      double slat,clat,q,r_n,drdl,invdet,aa,bb,cc,dd;
      if ((x == 0.0) & (y == 0.0))
               wlon = 0.0;
      else
               wlon = atan2(y, x)*rad2deg;
      if ((x == 0.0) & (y == 0.0) & (z == 0.0))
      {
               printf("WGS xyz at center of earth");
               wlon = 360;
               wlat = 360;
               walt = 6378137;
      }
      else
      {
               rhosqrd = x*x + y*y;
               rho = sqrt(rhosqrd);
               templat = atan2(z, rho);
               tempalt = sqrt(rhosqrd + z*z) - A_EARTH;
               rhoerror = 1000.0;
               zerror = 1000.0;

               while ((Dabs(rhoerror) > 1e-6) | (Dabs(zerror) > 1e-6))
               {
                        slat = sin(templat);
                        clat = cos(templat);
                        q = 1 - NAV_E2*slat*slat;
                        r_n = A_EARTH/sqrt(q);
                        drdl = r_n*NAV_E2*slat*clat/q; // d(r_n)/d(latitutde)
                        rhoerror = (r_n + tempalt)*clat - rho;
                        zerror = (r_n*(1 - NAV_E2) + tempalt)*slat - z;
                        aa = drdl*clat - (r_n + tempalt)*slat;
                        bb = clat;
                        cc = (1 - NAV_E2)*(drdl*slat + r_n*clat);
                        dd = slat;
                        invdet = 1.0/(aa*dd - bb*cc);
                        templat = templat - invdet*(+dd*rhoerror -bb*zerror);
                        tempalt = tempalt - invdet*(-cc*rhoerror +aa*zerror);
               }
               wlat = templat*rad2deg;
               walt = tempalt;
      }
      if(lon )*lon = wlon;
      if(lat )*lat = wlat;
      if(alt )*alt = walt;
}

结语：开发GPS应用软件的要点在于理解相关的协议和接口，仔细处理协议字段。