魏榮灝 ，張坤軍

（1.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 310008；2.浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

自從美國的GPS 系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）自20世紀80年代投入使用以來，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）因其具有可為全球范圍內(nèi)數(shù)量不限的用戶提供全天候、連續(xù)實時的位置、速度和時間等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應用于軍事、交通、水利、授時等多個領域，多個國家和組織也建設了自己的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)或者區(qū)域增強系統(tǒng)，如我國的北斗系統(tǒng)、俄羅斯的Glonass、歐盟的Galileo、日本的QZSS 和印度的NavIC（IRNSS）等。

隨著GNSS的廣泛使用，國內(nèi)外發(fā)布了大量衛(wèi)星應用標準用于GNSS信息的交互，與海洋測繪相關(guān)的GNSS數(shù)據(jù)格式標準主要有 NMEA 0183、RTCM SC104和RINEX[1]。其中，NMEA 0183格式主要用于GNSS 接收機與其他設備的交互，RTCM SC104主要用于差分信號的傳輸，RINEX 格式主要用于不同廠商GNSS 接收機的靜/動態(tài)數(shù)據(jù)處理工作，而海洋測繪中主要使用 NMEA 0183格式數(shù)據(jù)將GNSS 接收機的導航定位和時間等信息傳輸給計算機和測深儀等多種外部設備。本文將在簡單介紹NMEA機構(gòu)及協(xié)議格式發(fā)展的基礎上，解析海洋測繪常用的若干種格式。

2 NMEA機構(gòu)及NMEA 0183協(xié)議

2.1 NMEA機構(gòu)

NMEA 0183協(xié)議由NMEA（National Marine Electronics Association 國家海洋電子協(xié)會（美國））及IMEA（International Marine Electronics Association國際海洋電子協(xié)會）共同擁有。這2個協(xié)會主要致力于制訂船用電子設備之間的數(shù)據(jù)傳輸標準。NMEA 機構(gòu)于1957年由一批電子設備銷售廠商在紐約成立，最初目的是為了加強電子設備廠商之間的聯(lián)系，隨著行業(yè)的發(fā)展逐漸吸引設備制造廠商的加入，并與美國聯(lián)邦通信委員會（FFC，F(xiàn)ederal Communications Commission）、美國海岸警衛(wèi)隊（United States Coast Guard）及國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會（RTCM，The Radio Technical Commission for Maritime Services）等組織和機構(gòu)建立緊密的聯(lián)系[2]。NMEA 當前制訂的協(xié)議主要有NMEA 2000、NMEA 0183和NMEA 0400等。

2.2 NMEA 0183協(xié)議簡介

NMEA 0183協(xié)議主要是為替換原有主要為Loran C 及相關(guān)自動導航系統(tǒng)使用的NMEA 0180及NMEA 0182協(xié)議而開發(fā)的，其能為海洋電子設備、導航設備和通信設備間的數(shù)據(jù)傳輸提供接口，滿足將一個設備的串口數(shù)據(jù)播發(fā)給一個或多個設備接收。

NMEA 0183協(xié)議主要定義了在4 800波特率的串行數(shù)據(jù)總線上的電信號需求、傳輸協(xié)議及計時和數(shù)據(jù)格式。從1992年發(fā)布2.0版本以來，已經(jīng)根據(jù)行業(yè)的發(fā)展進行多次更新，所有更新的版本都保持對2.0版本的兼容，版本變化見表1。當前最新的版本是發(fā)布于2018年11月的4.11版，其與4.10版的主要更新是數(shù)據(jù)格式完善了對現(xiàn)有衛(wèi)星定位系統(tǒng)的支持，明確包含對美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐盟的Galileo、我國的北斗、日本的QZSS和印度的 NavIC（IRNSS）的支持。

表1 NMEA版本變化表

在海洋測繪中，NMEA 0183協(xié)議主要應用于各種設備間的信息傳輸與時間同步，一般使用GNSS或組合導航設備獲取定位和時間信息后，使用該協(xié)議將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如單頻測深儀、多波束測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶設備等用于定位和授時，這些設備將獲取定位、時間的聲納數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集計算機，由計算機集成后進行記錄并保存，保存的原始數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)后處理便可得到各種成果。

3 常用的NMEA 0183數(shù)據(jù)協(xié)議

3.1 NMEA 0183通用數(shù)據(jù)格式定義

NMEA 0183協(xié)議類型有3種[3]，分別是信息源、查詢和屬性，本文僅討論信息源。協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)語句基于ASCII碼，常用的格式為“$ttsss，c—c*hh＜CR＞＜LF＞”。該語句最大長度為82個字節(jié)，除去行首的“$”和行末的“＜CR＞＜LF＞”，單次最多傳輸79個字符。語句各個字段的意義如下：“$”代表語句的開始；“tt”代表信息源的類型，衛(wèi)星導航系統(tǒng)中常用的信息源類型見表2；“sss”代表信息識別碼，如“GGA”、“VTG”和“ZDA”等；“c -- c”代表數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以包含0到多個字段，采用逗號作為分隔符；“*”代表檢驗和識別符；“hh”為校驗和，其計算方法為“$”和“*”之間所有字符的按位異或值（不包括此2字符）；“＜CR＞＜LF＞”代表語句結(jié)束。

表2 衛(wèi)星定位系統(tǒng)信息源類型表

3.2 GGA格式

GGA格式主要提供定位的時間及位置，其字符串為：

$ -- GGA，hhmmss.ss，llll.ll，a，yyyyy.yy，a，x，xx，x.x，x.x，M，x.x，M，x.x，xxxx*hh＜CR＞＜LF＞

其中，hhmmss.ss表示定位的UTC時間，格式為時分秒.秒；1111.11代表緯度，為ddmm.mmmm的度分格式；a可為N或S，分別代表北緯及南緯；yyyyy.yy代表經(jīng)度，為dddmm.mmmm的度分格式；a可為E或W，分別代表東經(jīng)及西經(jīng)；x代表定位模式，0代表不可用，1代表標準定位模式，2代表差分模式，3代表精密定位模式，4代表RTK固定解，5代表RTK浮動解，6代表估算模式（外推），7代表手動輸入，8代表模擬模式；xx代表定位使用的衛(wèi)星數(shù)；x.x代表平面精度衰減因子；x.x及后面的M代表平均海平面（大地水準面）高度（m）；隨后的x.x及M代表大地水準面差距（m）；之后的x.x代表差分數(shù)據(jù)齡期；xxxx代表差分參考臺站編號，取值為0 000 ～ 1 023。需要注意的是GGA格式中不提供日期信息，一般結(jié)合ZDA數(shù)據(jù)格式使用，以獲取數(shù)據(jù)完整的日期和時間。

3.3 VTG格式

VTG格式提供的信息主要為對地方向及速度，其字符串為：

$ -- VTG，x.x，T，x.x，M，x.x，N，x.x，K，a*hh＜CR＞＜LF＞

其中，x.x，T表示相對于正北的方向；x.x，M表示相對于磁北的方向；x.x，N表示相對于地面的速度，單位為節(jié)；x.x，K表示相對于地面的速度（km/h）；a表示工作模式，其中A表示自主導航，D表示差分模式（地面站差分或星站差分），E表示估算模式（外推），M代表手動輸入，N表示數(shù)據(jù)無效，P代表精密定位模式，S代表模擬模式。

3.4 ZDA格式

ZDA格式提供了基于UTC的日期和時間，并可設置當?shù)氐臅r間偏移量以獲得當?shù)貢r間，其字符串為：

$ -- ZDA，hhmmss.ss，xx，xx，xxxx，xx，xx*hh＜CR＞＜LF＞

其中，hhmmss.ss代表時間，格式為時分秒.秒；第一個xx表示日期，取值從01 ～ 31；第二個XX表示月份，取值從01 ～ 12；xxxx表示年份。以上時間系統(tǒng)都采用UTC時。之后的xx表示當?shù)貢r區(qū)的小時改正值，取值為0 ～ ±13 h，最后一個xx表示當?shù)貢r區(qū)的分鐘改正值，取值為0 ～ ±59 min。

4 結(jié) 語

本文主要介紹NMEA機構(gòu)及其制訂的NMEA 0183協(xié)議，在介紹該協(xié)議版本變化的基礎上解析協(xié)議的通用格式和常用的幾種協(xié)議，可為海洋測繪工作中衛(wèi)星定位設備與測深儀、計算機等多種外部設備的信息交互提供參考，有助于提高衛(wèi)星定位系統(tǒng)在海洋測繪工作中的應用水平。