GPS数据读取与处理

Posted 2020-07-09 十日十乞

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GPS模块简介

SiRF芯片在2004年发布的最新的第三代芯片SiRFstar III（GSW 3.0/3.1），使得民用GPS芯片在性能方面登上了一个顶峰，灵敏度比以前的产品大为提升。这一芯片通过采用20万次/频率的相关器提高了灵敏度，冷开机/暖开机/热开机的时间分别达到42s/38s/8s，可以同时追踪20个卫星信道。是目前市场上应用最为广泛，同时性价比也非常高的一款芯片，因此在本设计中同样采用以此芯片为核心的GPS模块。

GPS模块的数据格式

对GPS模块的数据处理本质上还是串口通信程序设计，只是GPS模块的输出遵循固定的格式，通过字符串检索查找即可从模块发送的数据中找出需要的数据，常用的GPS模块大多采用NMEA-0183 协议。NMEA-0183 是美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)所指定的标准规格，这一标准制订所有航海电子仪器间的通讯标准，其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议。

以下是一组正常的GPS 数据

$GPGGA,082006.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,20.6,M,,,,0000*35

$GPRMC,082006.000,A,3852.9276,N,11527.4283,E,0.00,0.0,261009,,*38

$GPVTG,0.0,T,,M,0.00,N,0.0,K*50

下面分别对每组数据的含义进行分析。

GPS 固定数据输出语句($GPGGA)，这是一帧GPS 定位的主要数据，也是使用最广的数据。为了便于理解，下面举例说明$GPGGA语句各部分的含义。

例：$GPGGA,082006.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,20.6,M,,,,0000*35

其标准格式为：

$GPGGA，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，M，(10)，M，(11)，(12)＊hh(CR)(LF)

各部分所对应的含义为：

(1) 定位UTC 时间：08 时20 分06 秒

(2) 纬度(格式ddmm.mmmm:即dd 度，mm.mmmm 分)；

(3) N/S(北纬或南纬)：北纬38 度52.9276 分；

(4) 经度(格式dddmm.mmmm：即ddd 度，mm.mmmm 分)；

(5) E/W(东经或西经)：东经115 度27.4283 分；

(6) 质量因子(0=没有定位，1=实时GPS，2=差分GPS)：1=实时GPS；

(7) 可使用的卫星数(0～8)：可使用的卫星数=08；

(8) 水平精度因子(1.0～99.9)；水平精度因子=1.0；

(9) 天线高程(海平面，－9999.9～99999.9，单位：m)；天线高程=20.6m);

(10) 大地椭球面相对海平面的高度(－999.9～9999.9，单位：m):无;

(11) 差分GPS 数据年龄，实时GPS 时无:无;

(12) 差分基准站号(0000～1023)，实时GPS 时无:无;

＊总和校验域；hh 总和校验数:35(CR)(LF)回车，换行。

GPRMC（建议使用最小GPS 数据格式）

$GPRMC,082006.000,A,3852.9276,N,11527.4283,E,0.00,0.0,261009,,*38

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11><CR><LF>

(1) 标准定位时间（UTC time）格式：时时分分秒秒.秒秒秒（hhmmss.sss）。

(2) 定位状态，A = 数据可用，V = 数据不可用。

(3) 纬度，格式：度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）。

(4) 纬度区分，北半球（N）或南半球（S）。

(5) 经度，格式：度度分分.分分分分。

(6) 经度区分，东（E）半球或西（W）半球。

(7) 相对位移速度， 0.0 至1851.8 knots

(8) 相对位移方向，000.0 至359.9 度。实际值。

(9) 日期，格式：日日月月年年（ddmmyy）。

(10) 磁极变量，000.0 至180.0。

(11) 度数。

(12) Checksum.(检查位)

$GPVTG 地面速度信息

例：$GPVTG,0.0,T,,M,0.00,N,0.0,K*50

字段0：$GPVTG，语句ID，表明该语句为Track Made Good and Ground Speed（VTG）地

面速度信息

字段1：运动角度，000 - 359，（前导位数不足则补0）

字段2：T=真北参照系

字段3：运动角度，000 - 359，（前导位数不足则补0）

字段4：M=磁北参照系

字段5：水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0）

字段6：N=节，Knots

字段7：水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0）

字段8：K=公里/时，km/h

字段9：校验值

表 1 GPS模块主要参数

GPS模块主要参数
GPS 芯片组	SiRF Star III	工作频率	L1, 1575.42 MHz
粗捕获码  （C/A）率	1.023 MHz chip rate	同时跟踪通道数	20
灵敏度	-159 dBm	定位精度	5m（2维均方根, 允许广域差分系统）
最小速度	0.1 m/s	时间精度	1μS（与GPS时间同步）
默认 坐标系	1984年世界大地坐标系（WGS-84）	重获时间	0.1S（平均值）
热启动	1S（平均值）	温启动	38S（平均值）
冷启动	42S（平均值）	最高工作海拔	18km（60000feet）
最大 移动速率	515m/S（1000knots）	最大加速度	4g
最大 急冲度	20m/S3	电源电压	5V±0.5V
整机电流	约60mA，不超过100mA	整板外形	61mm×49mm×17mm
GPS 芯片外形	27.9mm×20mm×2.9mm	波特率	9600bps
数据输出格式	SiRF二进制格式或NMEA 0183 GGA, GSA, GSV, RMC,VTG,GLL	数据输出电平	同时具备TTL电平和RS232电平
数据 输出接口	20pin插针（TTL电平）和DB9母座  （RS232电平）	天线类型	外置有源GPS天线（3.3V/5V电压可选，  默认为3.3V）
后备电池	CR1220锂电池，3V，不可充电	工作温度	-40ºC至+85ºC

 

GPS模块的应用程序设计

GPS模块的应用程序设计主要分为两部分，第一部分为串口的设置于数据读取，第二部分为数据的分析和需要数据的提取。

与其他的关于设备编程的方法一样，在Linux下，操作、控制串口也是通过操作起设备文件进行的。在Linux下，串口的设备文件是/dev/ttyS0或/dev/ttyS1等。因此要读写串口，我们首先要打开串口，然后根据GPS模块的配置参数对串口的波特率、校验、流控制等进行设置，这些参数设置均通过对termios结构中c_cflag的配置实现，串口配置部分函数如下：

int gps::set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop)
{
    struct termios newtio,oldtio;
    if  ( tcgetattr( fd,&oldtio)  !=  0)
    {
        perror("SetupSerial 1");
        return -1;
    }
    bzero( &newtio, sizeof( newtio ) );
    newtio.c_cflag  |=  CLOCAL | CREAD;
    newtio.c_cflag &= ~CSIZE;

    switch( nBits )
    {
    case 7:
        newtio.c_cflag |= CS7;
        break;
    case 8:
        newtio.c_cflag |= CS8;
        break;
    }

    switch( nEvent )
    {
    case \'O\':                     //奇校验
        newtio.c_cflag |= PARENB;
        newtio.c_cflag |= PARODD;
        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
        break;
    case \'E\':                     //偶校验
        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
        newtio.c_cflag |= PARENB;
        newtio.c_cflag &= ~PARODD;
        break;
    case \'N\':                    //无校验
        newtio.c_cflag &= ~PARENB;
        break;
    }

switch( nSpeed )
    {
    case 2400:
        cfsetispeed(&newtio, B2400);
        cfsetospeed(&newtio, B2400);
        break;
    case 4800:
        cfsetispeed(&newtio, B4800);
        cfsetospeed(&newtio, B4800);
        break;
    case 9600:
        cfsetispeed(&newtio, B9600);
        cfsetospeed(&newtio, B9600);
        break;
    case 115200:
        cfsetispeed(&newtio, B115200);
        cfsetospeed(&newtio, B115200);
        break;
    default:
        cfsetispeed(&newtio, B9600);
        cfsetospeed(&newtio, B9600);
        break;
    }
    if( nStop == 1 )
    {
        newtio.c_cflag &=  ~CSTOPB;
    }
    else if ( nStop == 2 )
    {
        newtio.c_cflag |=  CSTOPB;
    }
    newtio.c_cc[VTIME]  = 0;
    newtio.c_cc[VMIN] = 0;
    tcflush(fd,TCIFLUSH);
    if((tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio))!=0)
    {
        qDebug()<<"com set error"<<endl;
        return -1;
    }
    qDebug()<<"set done!"<<endl;
    return 0;
}

在GPS数据的处理上首先将窗口数据存入一个字符串，接着通过对字符串数据的判断来提取数据内容，判断分为两步，首先判断是什么类型的数据，在本程序的设计中需要读取$GPRMC和$GPGGA两组数据，因此首先判断字符串GPS_BUF[5]是C还是A，由于数据是通过符号“，”进行隔开，因此通过查找“，”来确定数据位置。在实现上将得到逗号位置函数单独封装调用，程序如下：

//得到指定序号的逗号位置
int gps::GetComma(int num,char *str)
{
    int i,j=0;
    int len=strlen(str);
    for(i=0;i<len;i++)
    {
        if(str[i]==\',\')
        {
             j++;
        }

        if(j==num)
            return i+1;
    }
    return 0;
}

接下来根据数据格式，通过逗号位置，提取数据信息，程序如下：

void gps::gps_parse()
{
    int tmp;
    char c;


    c = GPS_BUF[5];
    if(c==\'C\')
    {
        //"GPRMC"
        GPS->D.hour   =(GPS_BUF[ 7]-\'0\')*10+(GPS_BUF[ 8]-\'0\');
        GPS->D.minute =(GPS_BUF[ 9]-\'0\')*10+(GPS_BUF[10]-\'0\');
        GPS->D.second =(GPS_BUF[11]-\'0\')*10+(GPS_BUF[12]-\'0\');
        tmp = GetComma(9,GPS_BUF);
        GPS->D.day    =(GPS_BUF[tmp+0]-\'0\')*10+(GPS_BUF[tmp+1]-\'0\');
        GPS->D.month  =(GPS_BUF[tmp+2]-\'0\')*10+(GPS_BUF[tmp+3]-\'0\');
        GPS->D.year   =(GPS_BUF[tmp+4]-\'0\')*10+(GPS_BUF[tmp+5]-\'0\')+2000;

        GPS->status      = GPS_BUF[GetComma(2,GPS_BUF)];
        GPS->latitude = get_locate(get_double_number(&GPS_BUF[GetComma(3,GPS_BUF)]));
        GPS->NS       = GPS_BUF[GetComma(4,GPS_BUF)];
        GPS->longitude= get_locate(get_double_number(&GPS_BUF[GetComma(5,GPS_BUF)]));
        GPS->EW       = GPS_BUF[GetComma(6,GPS_BUF)];
        GPS->speed    = get_double_number(&GPS_BUF[GetComma(7,GPS_BUF)]);
        UTC2BTC(&GPS->D);

    }

    if(c==\'A\')
    {
        //"$GPGGA"
        GPS->high     = get_double_number(&GPS_BUF[GetComma(9,GPS_BUF)]);
    }



 }
//将获取文本信息转换为double型

double gps::get_double_number(char *s)
{
    char buf[128];
    int i;
    double rev;
    i=GetComma(1,s);
    strncpy(buf,s,i);
    buf[i]=0;
    rev=atof(buf);

    return rev;
}

double gps::get_locate(double temp)
{
    int m;
    double  n;
    m=(int)temp/100;
    n=(temp-m*100)/60;
    n=n+m;
    return n;

}