劉慶元，鄒 磊

（中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083）

GPS－OEM板因其體積小、功耗低、性能優(yōu)良而且價(jià)格低廉的優(yōu)勢而被廣泛使用。然而，由于各種GPS－OEM板的生產(chǎn)廠商不同，其輸出的數(shù)據(jù)包格式也不盡相同，使得不同芯片或者接口的GPSOEM板無法組合使用。雖然美國國家海洋電子協(xié)會制定了通用的NMEA－0183協(xié)議，但是由于該格式的局限性，無法勝任測量工作［1］。不同GPSOEM芯片有不同的通訊接口，使得芯片的跨平臺混合使用變得很困難，而且數(shù)據(jù)處理程序?qū)Ｒ恍院軓?qiáng)，一旦芯片數(shù)據(jù)輸出格式或者接口發(fā)生變化，數(shù)據(jù)處理程序便無法再使用。

1 解決方案概述

為解決上述矛盾，本文設(shè)計(jì)編寫了服務(wù)程序，運(yùn)行于用戶的軟件和GPS芯片硬件之間，來統(tǒng)一數(shù)據(jù)包格式和數(shù)據(jù)的通訊方式，使得需要GPS觀測原始數(shù)據(jù)的測量型用戶能獲取到統(tǒng)一的、與芯片無關(guān)的、可靠的數(shù)據(jù)，同時(shí)，不需要GPS原始數(shù)據(jù)的用戶還能像以前一樣，不受任何影響的使用。

數(shù)據(jù)處理程序工作模式如圖1所示，服務(wù)器端處理程序可以運(yùn)行于任何系統(tǒng)中（可以是計(jì)算機(jī)，也可以是PDA甚至是單片機(jī)），設(shè)計(jì)有多種數(shù)據(jù)接收模塊，可以接收各種數(shù)據(jù)，并且按照擴(kuò)展的NMEA－0183協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到固定端口的UDP連接上。用戶端程序同樣可以運(yùn)行于各種平臺，只要能連接Internet（沒有Internet連接時(shí)，可以連接本機(jī)），便可以接收到GPS觀測數(shù)據(jù)［2］，無需關(guān)心數(shù)據(jù)來自哪一種GPS－OEM芯片，這樣就可以實(shí)現(xiàn)不同芯片的跨平臺使用。

圖1 GPS數(shù)據(jù)處理服務(wù)工作模式

2 原始NMEA－0183協(xié)議及其局限性

NMEA－0183協(xié)議是美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）為統(tǒng)一海洋導(dǎo)航規(guī)范而制定的標(biāo)準(zhǔn)，是GPS接收機(jī)應(yīng)當(dāng)遵守的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，也是目前GPS接收機(jī)上使用最廣泛的協(xié)議［3－4］。

NMEA－0183格式數(shù)據(jù)串的所有數(shù)據(jù)都采用ASCII文本字符表示，數(shù)據(jù)傳輸以“$”開頭，語句頭由5個字母組成，前兩個一般為“GP”，表示該語句是屬于何種系統(tǒng)，后3個字母表示“語句ID”，表示該語句是關(guān)于何方面的數(shù)據(jù)。語句頭后是數(shù)據(jù)體，包含不同的數(shù)據(jù)體字段，語句末尾為校驗(yàn)碼（可選），以回車換行符＜CR＞＜LF＞結(jié)束。每行語句最多包含82個字符。數(shù)據(jù)字段以逗號分隔識別，空字段保留逗號。常用語句及其含義如表1所列。

表1 NMEA－0183協(xié)議的語句及含義

然而，NMEA－0183協(xié)議常用的定位信息僅能輸出定位的最終結(jié)果信息，卻無法輸出GPS的觀測數(shù)據(jù)信息，而對測量來說這恰恰是最重要的數(shù)據(jù)。

目前一些廠商生產(chǎn)的GPS－OEM芯片可以輸出GPS觀測數(shù)據(jù)，比如衛(wèi)星星歷、偽距等數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)包一般遵守廠商自定義的數(shù)據(jù)格式，因此，不同芯片的GPS－OEM板便不能通用。當(dāng)前的GPSOEM測量數(shù)據(jù)處理程序，由于數(shù)據(jù)包格式不同，僅能針對特定型號的GPS－OEM板，無法實(shí)現(xiàn)不同芯片的混合使用。

綜上，不同GPS－OEM廠商定義了不同的數(shù)據(jù)包，共同遵循的NMEA－0183協(xié)議又無法輸出GPS測量的全部數(shù)據(jù)，因此，有必要提出一個相互協(xié)調(diào)的方案。

3 NMEA－0183協(xié)議語句擴(kuò)展

要擴(kuò)展NMEA－0183協(xié)議滿足測量需要，則必須可以輸出偽距觀測值（目前大多數(shù)GPS－OEM板可以輸出偽距信息）和衛(wèi)星星歷［5］。本文在保留了原有NMEA－0183協(xié)議語句的基礎(chǔ)上，按照該協(xié)議對語句的要求，增加偽距輸出GPPSD語句和衛(wèi)星星歷輸出GPEPHF、GPEPHS和GPEPHT語句（星歷數(shù)據(jù)較多，固分3條語句）。一條GPPSD語句可以輸出多個偽距信息，但顧忌到數(shù)據(jù)包長度限制，最多允許3個觀測值。衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)量較大，需要分3個數(shù)據(jù)包發(fā)送，具體格式說明如下：

3.1 GPS偽距語句

格式：$GPPSD，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞＊hh＜CR＞＜LF＞

舉 例：$GPPSD，2，15，528348，24158712.5312，22，528348，20437393.1094＊A3

＜1＞、本條語句包含的偽距個數(shù)

＜2＞、GPS衛(wèi)星SV編號

＜3＞、偽距測量時(shí)間

＜4＞、衛(wèi)星到接收機(jī)的偽距

3.2 GPS衛(wèi)星星歷語句1

$GPEPHF，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞＊hh＜CR＞＜LF＞

舉 例：$GPEPHF，02，5.1840E＋05，5.153691E＋03，8.247306E－03，3.041002E－01，－6.05476E－01＊7B

＜1＞、GPS衛(wèi)星SV編號；

＜2＞、參考時(shí)間toe；

＜4＞、軌道偏心率e；

＜5＞、參考時(shí)刻的軌道傾角i0；

＜6＞、參考時(shí)刻平近點(diǎn)角M0。

3.3 GPS星歷語句2

$GPEPHS，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞＊hh＜CR＞＜LF＞

舉 例：$GPEPHS，02，9.525346E－01，－8.267319E－01，1.439048E－09，－2.56977E－09，2.53049E－06＊5C

＜1＞、GPS衛(wèi)星SV編號；

＜2＞、近地點(diǎn)角距ω；

＜3＞、參考時(shí)刻的升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω0；

＜4＞、衛(wèi)星平均角速度的改正數(shù)Δn；

＜5＞、升交點(diǎn)赤經(jīng)變化率Ω－dot；

＜6＞、升交點(diǎn)正弦調(diào)和改正數(shù)Cus。

3.4 GPS星歷語句3

$GPEPHF，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞＊hh＜CR＞＜LF＞

舉例：$GPEPHF，02，－9.16621E－07，－6.22543E－08，－1.89728E－08，－5.65938E＋01，2.21313E＋02＊2F

＜1＞、GPS衛(wèi)星SV編號；

＜2＞、升交點(diǎn)余弦調(diào)和改正數(shù)Cuc；

＜3＞、軌道傾角正弦調(diào)和改正數(shù)Cis；

＜4＞、軌道傾角余弦調(diào)和改正數(shù)Cic；

＜5＞、軌道半徑正弦調(diào)和改正數(shù)Crs；

＜6＞、軌道半徑余弦調(diào)和改正數(shù)Crc。

4 數(shù)據(jù)包格式轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)發(fā)

不同GPS－OEM板發(fā)送的數(shù)據(jù)包所遵守的協(xié)議不同，必須要將其轉(zhuǎn)換為擴(kuò)展的NMEA－0183協(xié)議，統(tǒng)一不同GPS－OEM板是數(shù)據(jù)輸出接口。用戶程序僅需要按照擴(kuò)展的NMEA－0183格式來解析數(shù)據(jù)包，就可以獲取需要的數(shù)據(jù)，而無需知道GPS－OEM板原始的數(shù)據(jù)格式。

服務(wù)端程序通過通用的TCP/IP協(xié)議中用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（UDP）來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)包的傳輸層協(xié)議，為網(wǎng)絡(luò)層以上和應(yīng)用層以下提供了一個簡單的接口。因TCP/IP協(xié)議的通用性，用戶程序可以不受系統(tǒng)限制地從Internet上獲取數(shù)據(jù)。在沒有Internet連接的情況下，還可以連接本機(jī)，為本機(jī)的不同程序提供數(shù)據(jù)［2］。

考慮到跨平臺特性，服務(wù)端程序采用了優(yōu)秀的跨平臺應(yīng)用程序庫Qt（關(guān)于Qt請參考相關(guān)文檔）。Qt封裝了對設(shè)備接口的輸入輸出類QIODevice類，利用該類打開串口等計(jì)算機(jī)外圍接口。QIODevice類從外圍接口中按字節(jié)讀取數(shù)據(jù)，存放于QByteArray字節(jié)數(shù)組中，并轉(zhuǎn)換為QString字符串對象，通過字符串處理函數(shù)，最終把讀入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為擴(kuò)展的NMEA－0183協(xié)議格式［6］。最后，通過Qt封裝的QUdpSocket類，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)包通過Socket連接發(fā)送到UDP端口。

5 實(shí) 驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)在各種系統(tǒng)平臺上都能正常工作，本文選用跨平臺的QT庫編寫數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器程序。服務(wù)器端在Windows Xp下運(yùn)行如圖2所示。

圖2 服務(wù)器端程序在Windows下運(yùn)行

服務(wù)器端運(yùn)行后，綁定本機(jī)IP地址127.0.0.1上的9228端口，同時(shí)從串口COM5中讀取Trimble公司的Lassen IQ芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)。Lassen IQ發(fā)送TSIP協(xié)議的數(shù)據(jù)包（關(guān)于TSIP協(xié)議的具體定義，請參考Trimble公司的說明），該數(shù)據(jù)包為二進(jìn)制格式，服務(wù)器端程序提取TSIP數(shù)據(jù)包中的相關(guān)信息，生成擴(kuò)展的NMEA－0183協(xié)議格式，發(fā)送到127.0.0.1（本機(jī)）的9228端口。

在命令行下編寫程序模擬用戶獲取數(shù)據(jù)，連接本機(jī)的9228端口，讀取服務(wù)器端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示，正確地讀取了數(shù)據(jù)包。

圖3 用戶連接UDP端口獲取的數(shù)據(jù)

同時(shí)，程序還在Linux（內(nèi)核版本3.0）上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，服務(wù)器端同樣將Lassen IQ數(shù)據(jù)包成功轉(zhuǎn)換為擴(kuò)展的NMEA－0183數(shù)據(jù)包。

6 結(jié)束語

本文提出了利用擴(kuò)展NMEA－0183協(xié)議語句的辦法，即滿足了與其他軟件的兼容性，又滿足了測量型GPS數(shù)據(jù)的發(fā)送；通過數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到UDP端口的辦法，使得用戶完全不必關(guān)心是何種設(shè)備、通過何種方式發(fā)送的何種數(shù)據(jù)包，只要能連接Internet就可以獲取所需要的數(shù)據(jù)包。

本文通過實(shí)驗(yàn)，將Trimble公司的TSIP協(xié)議數(shù)據(jù)包成功地轉(zhuǎn)換為擴(kuò)展的NMEA－0183協(xié)議數(shù)據(jù)包，并通過UDP端口發(fā)送給用戶，證明了方案的可行性。

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