李云飛

摘 要：介紹了全球定位系統(tǒng)的基本現(xiàn)狀以及其工作原理，對(duì)GPS接口通信協(xié)議（NMEA 0183協(xié)議）也進(jìn)行了細(xì)致地說明，最后對(duì)GPS數(shù)據(jù)中緯度、經(jīng)度、時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集實(shí)現(xiàn)做了詳細(xì)地闡述。

關(guān)鍵詞：GPS 通信協(xié)議 數(shù)據(jù)采集

全球定位系統(tǒng)GPS是美國(guó)從上世紀(jì)的70年代開始，于1994年全面建成，具有在海、路、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。然而GPS發(fā)展歷程也是充滿艱辛，1973～1979年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了地面接收機(jī)及建立了地面跟蹤網(wǎng)；1979～1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途接收機(jī)；1989年2月第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，GPS系統(tǒng)進(jìn)入了工程建設(shè)階段。1993年底，歷時(shí)20多年，耗資200億美元實(shí)用的GPS網(wǎng)，即（21+3）GPS星座全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。

GPS工作原理

GPS由3個(gè)獨(dú)立部分組成：①空間部分：21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。②地面支撐系統(tǒng)：1個(gè)主控站，3個(gè)注入站，5個(gè)監(jiān)測(cè)站。③用戶設(shè)備部分：主要由接收硬件和處理軟件組成（其中GPS接收硬件一般由主機(jī)、天線和電源組成）。

用戶通過用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終達(dá)到利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。

GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交匯的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。

GPS通信接口協(xié)議——NMEA 0183協(xié)議

NMEA（Nationnal Marine Electronics Association）0183是一種航海、海運(yùn)方面關(guān)于數(shù)字信號(hào)傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)定義了電子信號(hào)所需要的傳輸協(xié)議、傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間。一般有以下幾種數(shù)據(jù)幀：時(shí)間輸出（UTC）、位置信息（GGA）、GPS DOP和衛(wèi)星活動(dòng)（GSA）、當(dāng)前GPS衛(wèi)星狀態(tài)（GSV）、最簡(jiǎn)特性（RMC）、VTG速度相對(duì)正北的方向（VTG）、帶有LORAN ID的地理信息（LCGLL）、帶有LORAN ID的軌道和速度信息（LCVTG）、狀態(tài)信息（PGRMT）和3D定位信息（PGRMV）。

GPS的通信協(xié)議采用的NMEA 0183協(xié)議，它要求的串行通信參數(shù)為：波特率=4800；數(shù)據(jù)位=8位；停止位=1位；無奇偶校驗(yàn)位。

GPS接收機(jī)只要處于工作狀態(tài)，就會(huì)源源不斷地把接收到的GPS導(dǎo)航定位信息通過串口傳送到計(jì)算機(jī)中。這些接收信息在沒有經(jīng)過分類之前是無法加以利用的，因此必須通過程序?qū)⒏鱾€(gè)字段的信息從緩存字節(jié)流中提取出來，將其轉(zhuǎn)化成有實(shí)際意義、可供高層決策使用的定位信息數(shù)據(jù)。與其他通信協(xié)議類似，對(duì)GPS進(jìn)行信息提取，必須首先明確其幀結(jié)構(gòu)，然后才能根據(jù)其結(jié)構(gòu)完成對(duì)定位信息的提取。

本設(shè)計(jì)使用的GPS模塊，其發(fā)送到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成。根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同，幀頭也不相同，主要有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV以及$GPRMC等，這些幀頭標(biāo)識(shí)了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)，各幀均以回車符和換行符作為幀尾標(biāo)識(shí)一幀的結(jié)束。

雖然接收機(jī)也在源源不斷地向主機(jī)發(fā)送各種數(shù)據(jù)幀，但在處理時(shí)，一般先通過對(duì)幀頭的判斷，只對(duì)$GPGGA幀進(jìn)行數(shù)據(jù)提取處理。由于幀內(nèi)各數(shù)據(jù)段由逗號(hào)分割，因此在處理緩存數(shù)據(jù)時(shí)，一般是通過搜尋ASCII碼$來判斷是否是幀頭。在對(duì)幀頭的類別進(jìn)行識(shí)別后，再通過對(duì)所經(jīng)歷逗號(hào)個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)來判斷當(dāng)前在處理的是哪一種導(dǎo)航定位參數(shù)，并作出相應(yīng)的處理，將所需信息提取到內(nèi)存，包括時(shí)間、時(shí)期以及經(jīng)緯度等信息。

3、GPS定位信息的解析

通過函數(shù)gps_processdata（）對(duì)提取后的GPGGA數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，獲得當(dāng)前的UTC時(shí)間、經(jīng)度和緯度信息。由于UTC時(shí)間與北京時(shí)間相差8小時(shí)，所以通過對(duì)UTC時(shí)間加上8小時(shí)以轉(zhuǎn)換為北京時(shí)間。

結(jié)束語(yǔ)

GPS的應(yīng)用越來越廣泛，在我們工作中也經(jīng)常涉及到此項(xiàng)技術(shù)，比如目前的AIS系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字廣播系統(tǒng)、公安350M系統(tǒng)，針對(duì)GPS的深入了解，對(duì)其現(xiàn)狀、工作原理、通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)的接收、提取和解析有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，能夠很好地幫助上述中各項(xiàng)系統(tǒng)的了解，為更好的維護(hù)保障做好一定的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李明峰、《GPS定位技術(shù)及其應(yīng)用》、2006年2月第1版、國(guó)防工業(yè)出版社.

[2]管耀武、《嵌入式無線通信系統(tǒng)開發(fā)》、2006年5月第1版、電子工業(yè)出版社.

（作者單位：長(zhǎng)江南京通信管理局）