设计文档： GPS应用开发

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更多发布于：2005-08-25 14:18

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
 
<H2>一：GPS 模块应用</H2>
 
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）：
<IMG src="http://photos11.flickr.com/14743635_cbc86d6772_o.jpg" align=left>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
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=1>

<TR >
<TD vAlign=top width=95>
Start Sequence</TD>
<TD vAlign=top width=256>
Payload</TD>
<TD vAlign=top width=78>
Checksum</TD>
<TD vAlign=top width=90>
End Sequence</TD></TR>
<TR >
<TD vAlign=top width=95>
消息头
 </TD>
<TD vAlign=top width=256>
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
 </TD>
<TD vAlign=top width=78>
校验码，格式为*[16进制数]如*2C</TD>
<TD vAlign=top width=90>
回车换行
<CR> <LF>4
 </TD></TR></TABLE>
协议头，格式为输出：$GPxxx,xxx为输出消息字如GLL.输入：$PSRF<MID>MID为输入消息字.
<H4>1.1.1NMEA协议输出和输入消息</H4>
NMEA协议有以下输出消息
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=1>

<TR>
<TD vAlign=top width=97>
消息字</TD>
<TD vAlign=top width=422>
内容</TD></TR>
<TR>
<TD vAlign=top width=97>
GGA </TD>
<TD vAlign=top width=422>
时间，位置，定位数据</TD></TR>
<TR>
<TD vAlign=top width=97>
GLL</TD>
<TD vAlign=top width=422>
经纬度,UTC格式时间，位置和状态数据</TD></TR>
<TR>
<TD vAlign=top width=97>
GSA</TD>
<TD vAlign=top width=422>
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</TD></TR>
<TR>
<TD vAlign=top width=97>
GSV</TD>
<TD vAlign=top width=422>
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</TD></TR>
<TR>
<TD vAlign=top width=97>
MSS</TD>
<TD vAlign=top width=422>
信号比(SNR),信号强度，频率，比特率</TD></TR>
<TR>
<TD vAlign=top width=97>
RMC</TD>
<TD vAlign=top width=422>
日期，时间，位置，方向，速度数据。是最常用的一个消息</TD></TR>
<TR>
<TD vAlign=top width=97>
VTG</TD>
<TD vAlign=top width=422>
相对地面的方向和速度数据</TD></TR>
<TR>
<TD vAlign=top width=97>
ZDA</TD>
<TD vAlign=top width=422>
时间和日期数据。</TD></TR></TABLE>
 
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。
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width=526 border=0>

<TR >
<TD noWrap width=42>
　</TD>
<TD noWrap width=44>
日期</TD>
<TD noWrap width=44>
时间</TD>
<TD noWrap width=44>
纬度</TD>
<TD noWrap width=44>
经度</TD>
<TD noWrap width=44>
海拔</TD>
<TD noWrap width=75>
定位状态</TD>
<TD noWrap width=63>
卫星数</TD>
<TD noWrap width=70>
地面速度</TD>
<TD noWrap width=56>
方向角</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=42>
GGA </TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=75>
√</TD>
<TD noWrap width=63>
√</TD>
<TD noWrap width=70>
　</TD>
<TD noWrap width=56>
　</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=42>
GLL</TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=75>
√</TD>
<TD noWrap width=63>
　</TD>
<TD noWrap width=70>
　</TD>
<TD noWrap width=56>
　</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=42>
RMC</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=75>
√</TD>
<TD noWrap width=63>
　</TD>
<TD noWrap width=70>
√</TD>
<TD noWrap width=56>
√</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=42>
VTG</TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=75>
　</TD>
<TD noWrap width=63>
　</TD>
<TD noWrap width=70>
√</TD>
<TD noWrap width=56>
√</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=42>
ZDA</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
√</TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=44>
　</TD>
<TD noWrap width=75>
　</TD>
<TD noWrap width=63>
　</TD>
<TD noWrap width=70>
　</TD>
<TD noWrap width=56>
　</TD></TR></TABLE>
 
以下为u-lox厂商扩充的输出消息
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=1>

<TR>
<TD vAlign=top width=100>
PSRF150</TD>
<TD vAlign=top width=355>
OK-to-send指令，在节电模式中表示进入工作状态
 </TD></TR>
<TR>
<TD vAlign=top width=100>
PSRF161</TD>
<TD vAlign=top width=355>
硬件状态报告</TD></TR></TABLE>
 
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。
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="54%" border=0>

<TR >
<TD noWrap width="17%">
消息字</TD>
<TD noWrap width="82%">
内容</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width="17%">
100</TD>
<TD noWrap width="82%">
设置串口参数和协议</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width="17%">
101</TD>
<TD noWrap width="82%">
XYZ导航坐标初始化。输入参数按 WGS84坐标系确定</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width="17%">
102</TD>
<TD noWrap width="82%">
设置DGPS端口</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width="17%">
103</TD>
<TD noWrap width="82%">
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</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width="17%">
104</TD>
<TD noWrap width="82%">
输入当前经纬度和海拔来初始化模块</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width="17%">
105</TD>
<TD noWrap width="82%">
开发调试数据开关</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width="17%">
106</TD>
<TD noWrap width="82%">
(u-blox)可以改变大地基准坐标系，默认是WGS-84坐标系</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width="17%">
107</TD>
<TD noWrap width="82%">
(u-blox)配置节电模式</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width="17%">
108</TD>
<TD noWrap width="82%">
(u-blox)进入下载模式，更新Flash</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width="17%">
MSK</TD>
<TD noWrap width="82%">
设置MSK信号接收机参数</TD></TR></TABLE>
 
每个协议的具体格式，可以到网上下载具体的NMEA协议。
 
<H4>1.1.2 NMEA消息的接收和解析</H4>
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<s.size();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。
 
<H2>1.2 SiFR协议.</H2>
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。
<H4>1.2.1协议格式</H4>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=0>

<TR >
<TD noWrap>
消息头</TD>
<TD noWrap>
消息体长度</TD>
<TD noWrap>
消息体</TD>
<TD noWrap>
校验码</TD>
<TD noWrap>
消息结束符</TD></TR>
<TR >
<TD >
双字节
0xA0
0xA2</TD>
<TD >
双字节</TD>
<TD >
长度小于1023字节的数据</TD>
<TD >
双字节</TD>
<TD >
双字节
0xB0
0xB3</TD></TR></TABLE>
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）。
<H4>1.2.2 日志操作</H4>
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
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width=526 border=0>

<TR >
<TD noWrap width=57>
消息号</TD>
<TD noWrap width=89>
消息名</TD>
<TD noWrap width=51>
字节数</TD>
<TD noWrap width=329>
内容</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=57>
111</TD>
<TD noWrap width=89>
NONE </TD>
<TD noWrap width=51>
1</TD>
<TD noWrap width=329>
无数据</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=57>
100</TD>
<TD noWrap width=89>
FIX_FULL</TD>
<TD noWrap width=51>
9</TD>
<TD noWrap width=329>
全部地理定位信息</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=57>
100</TD>
<TD noWrap width=89>
FIX_INCL</TD>
<TD noWrap width=51>
5</TD>
<TD noWrap width=329>
地理定位信息，增量数据</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=57>
000</TD>
<TD noWrap width=89>
FIX_INCM</TD>
<TD noWrap width=51>
4</TD>
<TD noWrap width=329>
地理定位信息，增量数据, 在字节上比FIX_INCL少一个</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=57>
110</TD>
<TD noWrap width=89>
FIX_INCS</TD>
<TD noWrap width=51>
3</TD>
<TD noWrap width=329>
地理定位信息，增量数据,使用更少的字节数</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=57>
101</TD>
<TD noWrap width=89>
GPIO_FULL</TD>
<TD noWrap width=51>
3 </TD>
<TD noWrap width=329>
GPIO（ General-purpose_input/output）数据</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=57>
011</TD>
<TD noWrap width=89>
GPIO_INC</TD>
<TD noWrap width=51>
2</TD>
<TD noWrap width=329>
GPIO数据，增量数据</TD></TR>
<TR >
<TD noWrap width=57>
001</TD>
<TD noWrap width=89>
ESCAPE</TD>
<TD noWrap width=51>
不定</TD>
<TD noWrap width=329>
用于扩展</TD></TR></TABLE>
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
 
 
<H4>1.2.3WGS84->LLA转换问题</H4>
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：
 
<IMG src="http://photos10.flickr.com/14743637_225dc2f557_o.jpg">
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。

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