GPS數據讀取與處理

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GPS模塊簡介

SiRF芯片在2004年發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個頂峰，靈敏度比以前的產品大為提升。這一芯片通過采用20萬次/頻率的相關器提高了靈敏度，冷開機/暖開機/熱開機的時間分別達到42s/38s/8s，可以同時追蹤20個衛星信道。是目前市場上應用最為廣泛，同時性價比也非常高的一款芯片，因此在本設計中同樣采用以此芯片為核心的GPS模塊。

GPS模塊的數據格式

對GPS模塊的數據處理本質上還是串口通信程序設計，只是GPS模塊的輸出遵循固定的格式，通過字符串檢索查找即可從模塊發送的數據中找出需要的數據，常用的GPS模塊大多采用NMEA-0183 協議。NMEA-0183 是美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association)所指定的標准規格，這一標准制訂所有航海電子儀器間的通訊標准，其中包含傳輸資料的格式以及傳輸資料的通訊協議。

以下是一組正常的GPS 數據

$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

下面分別對每組數據的含義進行分析。

GPS 固定數據輸出語句($GPGGA)，這是一幀GPS 定位的主要數據，也是使用最廣的數據。為了便於理解，下面舉例說明$GPGGA語句各部分的含義。

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

其標准格式為：

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

各部分所對應的含義為：

(1) 定位UTC 時間：08 時20 分06 秒

(2) 緯度(格式ddmm.mmmm:即dd 度，mm.mmmm 分)；

(3) N/S(北緯或南緯)：北緯38 度52.9276 分；

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

(5) E/W(東經或西經)：東經115 度27.4283 分；

(6) 質量因子(0=沒有定位，1=實時GPS，2=差分GPS)：1=實時GPS；

(7) 可使用的衛星數(0～8)：可使用的衛星數=08；

(8) 水平精度因子(1.0～99.9)；水平精度因子=1.0；

(9) 天線高程(海平面，－9999.9～99999.9，單位：m)；天線高程=20.6m);

(10) 大地橢球面相對海平面的高度(－999.9～9999.9，單位：m):無;

(11) 差分GPS 數據年齡，實時GPS 時無:無;

(12) 差分基准站號(0000～1023)，實時GPS 時無:無;

＊總和校驗域；hh 總和校驗數:35(CR)(LF)回車，換行。

GPRMC（建議使用最小GPS 數據格式）

$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) 標准定位時間（UTC time）格式：時時分分秒秒.秒秒秒（hhmmss.sss）。

(2) 定位狀態，A = 數據可用，V = 數據不可用。

(3) 緯度，格式：度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）。

(4) 緯度區分，北半球（N）或南半球（S）。

(5) 經度，格式：度度分分.分分分分。

(6) 經度區分，東（E）半球或西（W）半球。

(7) 相對位移速度， 0.0 至1851.8 knots

(8) 相對位移方向，000.0 至359.9 度。實際值。

(9) 日期，格式：日日月月年年（ddmmyy）。

(10) 磁極變量，000.0 至180.0。

(11) 度數。

(12) Checksum.(檢查位)

$GPVTG 地面速度信息

例：$GPVTG,0.0,T,,M,0.00,N,0.0,K*50

字段0：$GPVTG，語句ID，表明該語句為Track Made Good and Ground Speed（VTG）地

面速度信息

字段1：運動角度，000 - 359，（前導位數不足則補0）

字段2：T=真北參照系

字段3：運動角度，000 - 359，（前導位數不足則補0）

字段4：M=磁北參照系

字段5：水平運動速度（0.00）（前導位數不足則補0）

字段6：N=節，Knots

字段7：水平運動速度（0.00）（前導位數不足則補0）

字段8：K=公里/時，km/h

字段9：校驗值

表 1 GPS模塊主要參數

GPS模塊主要參數
GPS 芯片組	SiRF Star III	工作頻率	L1, 1575.42 MHz
粗捕獲碼  （C/A）率	1.023 MHz chip rate	同時跟蹤通道數	20
靈敏度	-159 dBm	定位精度	5m（2維均方根, 允許廣域差分系統）
最小速度	0.1 m/s	時間精度	1μS（與GPS時間同步）
默認 坐標系	1984年世界大地坐標系（WGS-84）	重獲時間	0.1S（平均值）
熱啟動	1S（平均值）	溫啟動	38S（平均值）
冷啟動	42S（平均值）	最高工作海拔	18km（60000feet）
最大 移動速率	515m/S（1000knots）	最大加速度	4g
最大 急沖度	20m/S3	電源電壓	5V±0.5V
整機電流	約60mA，不超過100mA	整板外形	61mm×49mm×17mm
GPS 芯片外形	27.9mm×20mm×2.9mm	波特率	9600bps
數據輸出格式	SiRF二進制格式或NMEA 0183 GGA, GSA, GSV, RMC,VTG,GLL	數據輸出電平	同時具備TTL電平和RS232電平
數據 輸出接口	20pin插針（TTL電平）和DB9母座  （RS232電平）	天線類型	外置有源GPS天線（3.3V/5V電壓可選，  默認為3.3V）
后備電池	CR1220鋰電池，3V，不可充電	工作溫度	-40ºC至+85ºC

 

GPS模塊的應用程序設計

GPS模塊的應用程序設計主要分為兩部分，第一部分為串口的設置於數據讀取，第二部分為數據的分析和需要數據的提取。

與其他的關於設備編程的方法一樣，在Linux下，操作、控制串口也是通過操作起設備文件進行的。在Linux下，串口的設備文件是/dev/ttyS0或/dev/ttyS1等。因此要讀寫串口，我們首先要打開串口，然后根據GPS模塊的配置參數對串口的波特率、校驗、流控制等進行設置，這些參數設置均通過對termios結構中c_cflag的配置實現，串口配置部分函數如下：

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':                     //奇校驗
        newtio.c_cflag |= PARENB;
        newtio.c_cflag |= PARODD;
        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
        break;
    case 'E':                     //偶校驗
        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
        newtio.c_cflag |= PARENB;
        newtio.c_cflag &= ~PARODD;
        break;
    case 'N':                    //無校驗
        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數據的處理上首先將窗口數據存入一個字符串，接着通過對字符串數據的判斷來提取數據內容，判斷分為兩步，首先判斷是什么類型的數據，在本程序的設計中需要讀取$GPRMC和$GPGGA兩組數據，因此首先判斷字符串GPS_BUF[5]是C還是A，由於數據是通過符號“，”進行隔開，因此通過查找“，”來確定數據位置。在實現上將得到逗號位置函數單獨封裝調用，程序如下：

//得到指定序號的逗號位置
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;
}

接下來根據數據格式，通過逗號位置，提取數據信息，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)]);
    }



 }
//將獲取文本信息轉換為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;

}