设计文档： GPS应用开发

  设计文档：   GPS 应用开发

by vcbear

 

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

 

 

1.2.3WGS84->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。

 

《基础GIS系统应用开发》 Comming soon....