GPS數(shù)據(jù)采集分析要點(diǎn)

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來源：

作者：史曉影關(guān)鍵字：

摘要：為了設(shè)計(jì)高精度、全天候、全天時(shí)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用了GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信，信息采用NMEA-0183格式，單片機(jī)接收GPS輸出的時(shí)間和定位信息后，將信息調(diào)整為我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，并將調(diào)整后的經(jīng)度、緯度、海拔高度和時(shí)間等信息通過液晶終端顯示。最終實(shí)現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換等工作，為事故定位、搜查救援等工作提供了技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：GPS數(shù)據(jù)采集；定位；數(shù)據(jù)處理；單片機(jī)

隨著科技的發(fā)展，移動(dòng)技術(shù)的不斷成熟，定位導(dǎo)航開辟了一個(gè)重要的新興市場(chǎng)。GPS(GlobalPositioningSystem)以其高精度、全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)，在定位、導(dǎo)航、測(cè)距等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，具有測(cè)量精度高、速度快、用戶數(shù)量不限、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。不僅用于軍事領(lǐng)域，還廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、野外探險(xiǎn)等領(lǐng)域。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集精確度較高；采集到的位置可以控制在2m范圍之內(nèi)，接收數(shù)據(jù)并處理的時(shí)間小于2s，存精確度和實(shí)時(shí)性上要優(yōu)于其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)中主要由主控制器、液晶顯示模塊和CPS射頻前端，數(shù)據(jù)傳輸單元組成，如圖1所示。

GPS信號(hào)通過天線接收值射頻前端模塊，在射頻芯片中實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，將模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)通過串口傳入單片機(jī)，單片機(jī)接收的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過時(shí)差，坐標(biāo)處理等操作，在通過LCD顯示出來。

2GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2．1GPS語句的輸出格式

GPS-OEM板采用NMEA-0183通信格式，可以輸出多種句型，均以“$”開頭。其語句格式如表1所示。

輸出的語句按串口通信協(xié)議：1位開始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)。輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCⅡ碼字符，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、航向及衛(wèi)星狀況等信息。語句達(dá)十余種，其中定位語句$GPRMC其結(jié)構(gòu)為：

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

其中：

“GP”-交談識(shí)別符；

“RMC”-語句識(shí)別符；

“*”-校驗(yàn)和識(shí)別符；

“hh”-為校驗(yàn)和，其代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個(gè)字符)。

$GPRMC語句數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容為：

1)定位點(diǎn)的協(xié)調(diào)世界時(shí)間(UTC)，hhmmss(時(shí)分秒)格式；

2)定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位；

3)定位點(diǎn)緯度，ddmm．mmmmm(度分)格式；

4)緯度半球，N(北半球)或S(南半球)；

5)定位點(diǎn)經(jīng)度，dddmm．mmmmm(度分)格式；

6)經(jīng)度半球，E(東經(jīng))或W(西經(jīng))；

7)地面速度，000．0節(jié)～999．9節(jié)；

8)地面航向，000．0度～359．9度；

9)UTC日期，ddmmyy(日月年)格式；

10)磁偏角，000．0度～180度；

11)磁偏角方向，E(東)或W(西)。

2．2GPS數(shù)據(jù)接收

利用單片機(jī)的串行接口接收GPS傳送過來的數(shù)據(jù)，其硬件原理如圖2所示，GPS的接口及單片機(jī)串口均采用TTL電平傳輸數(shù)據(jù)，所以GPS接口引腳4和3可直接與單片機(jī)的TXD和RXD引腳相連，無需電平轉(zhuǎn)換，硬件電路圖如圖2所示。

GPS模塊輸出的是數(shù)據(jù)流，每秒鐘更新一次數(shù)據(jù)。必須要用單片機(jī)對(duì)其輸出的數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，以方便用戶直接讀取。首先打開串口中斷服務(wù)子程序，開始接收數(shù)據(jù)，判斷其是否有“$”符號(hào)，然后根據(jù)逗號(hào)的個(gè)數(shù)進(jìn)行判斷數(shù)據(jù)的類型，然后分別存儲(chǔ)時(shí)間、經(jīng)度、緯度、日期等信號(hào)，若接收到“＼n”則接收結(jié)束。

用C語言編程，其程序如下：

在PC機(jī)上接收的GPRMC語句信息如下：

$GPRMC，，A，4350．95221，N，12524．06042，E，000．0，000．0，，009．1，W*50

這是一條GPS定位數(shù)據(jù)信息語句，涵義是UTC時(shí)間為10時(shí)33分20秒，位置在北緯43度50．9522分，東經(jīng)125度24．0604分，移動(dòng)速度為0，移動(dòng)范圍為0，日期為2007年5月13日，地磁變化為9．10，地磁變化方向?yàn)槲鳎ｒ?yàn)和為50H。根據(jù)接收的信息用單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，就可以得到所需的信息了，信息處理過程見3節(jié)。

3對(duì)接收信息的處理

數(shù)據(jù)的處理主要包括兩個(gè)方面：

1)時(shí)間的處理

直接從衛(wèi)星接收到的時(shí)間信息是UTC時(shí)間(格林尼治時(shí)間)，需要處理成北京時(shí)間。

要變成北京時(shí)間需要加上8個(gè)小時(shí)，如果超過24小時(shí)，則減去24小時(shí)后，才是北京時(shí)間。

時(shí)間轉(zhuǎn)換處理程序如下：

2)定位的處理

GPS接受的經(jīng)度、緯度等信息采用的是美國(guó)的84坐標(biāo)系統(tǒng)，需要轉(zhuǎn)換成我國(guó)的54坐標(biāo)系統(tǒng)。為便于描述設(shè)如下幾個(gè)參量：

大地坐標(biāo)-(B，L，H)

平面坐標(biāo)-(x，y，z)

橢球偏心率-C

橢球參數(shù)m，n-大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到指教坐標(biāo)需要使用的參數(shù)，則有：

4結(jié)束語

本系統(tǒng)討論了用單片機(jī)對(duì)GPS數(shù)據(jù)的讀取及處理的方法，分析了GPS模塊的信息格式并編制了通信軟件，不僅成功地實(shí)現(xiàn)了GPS定位信息的接收與提取，而且具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低廉、編程方便、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，具有一定的使用價(jià)值。GPS模塊的數(shù)據(jù)格式對(duì)GPS模塊的數(shù)據(jù)處理本質(zhì)上還是串口通信程序設(shè)計(jì)，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(fā)送的數(shù)據(jù)中找出需要的數(shù)據(jù)，常用的GPS模塊大多采用NMEA-0183協(xié)議。NMEA-0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(NationalMarineElectronicsAssociation)所指定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，這一標(biāo)準(zhǔn)制訂所有航海電子儀器間的通訊標(biāo)準(zhǔn)，其中包含傳輸資料的格式以及傳輸資料的通訊協(xié)議。以下是一組正常的GPS數(shù)據(jù)$GPGGA,.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,20.6,M,,,,0000*35$GPRMC,.000,A,3852.9276,N,11527.4283,E,0.00,0.0,,,*38$GPVTG,0.0,T,,M,0.00,N,0.0,K*50下面分別對(duì)每組數(shù)據(jù)的含義進(jìn)行分析。GPS固定數(shù)據(jù)輸出語句($GPGGA)，這是一幀GPS定位的主要數(shù)據(jù)，也是使用最廣的數(shù)據(jù)。為了便于理解，下面舉例說明$GPGGA語句各部分的含義。例：$GPGGA,.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,20.6,M,,,,0000*35其標(biāo)準(zhǔn)格式為：$GPGGA，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，M，(10)，M，(11)，(12)＊hh(CR)(LF)各部分所對(duì)應(yīng)的含義為：(1)定位UTC時(shí)間：08時(shí)20分06秒(2)緯度(格式ddmm.mmmm:即dd度，mm.mmmm分)；(3)N/S(北緯或南緯)：北緯38度52.9276分；(4)經(jīng)度(格式dddmm.mmmm：即ddd度，mm.mmmm分)；(5)E/W(東經(jīng)或西經(jīng))：東經(jīng)115度27.4283分；(6)質(zhì)量因子(0=沒有定位，1=實(shí)時(shí)GPS，2=差分GPS)：1=實(shí)時(shí)GPS；(7)可使用的衛(wèi)星數(shù)(0～8)：可使用的衛(wèi)星數(shù)=08；(8)水平精度因子(1.0～99.9)；水平精度因子=1.0；(9)天線高程(海平面，－9999.9～99999.9，單位：m)；天線高程=20.6m);(10)大地橢球面相對(duì)海平面的高度(－999.9～9999.9，單位：m):無;(11)差分GPS數(shù)據(jù)年齡，實(shí)時(shí)GPS時(shí)無:無;(12)差分基準(zhǔn)站號(hào)(0000～1023)，實(shí)時(shí)GPS時(shí)無:無;＊總和校驗(yàn)域；hh總和校驗(yàn)數(shù):35(CR)(LF)回車，換行。GPRMC（建議使用最小GPS數(shù)據(jù)格式）$GPRMC,.000,A,3852.9276,N,11527.4283,E,0.00,0.0,,,*38$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11><CR><LF>(1)標(biāo)準(zhǔn)定位時(shí)間（UTCtime）格式：時(shí)時(shí)分分秒秒.秒秒秒（hhmmss.sss）。(2)定位狀態(tài)，A=數(shù)據(jù)可用，V=數(shù)據(jù)不可用。(3)緯度，格式：度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）。(4)緯度區(qū)分，北半球（N）或南半球（S）。(5)經(jīng)度，格式：度度分分.分分分分。(6)經(jīng)度區(qū)分，東（E）半球或西（W）半球。(7)相對(duì)位移速度，0.0至1851.8knots(8)相對(duì)位移方向，000.0至359.9度。實(shí)際值。(9)日期，格式：日日月月年年（ddmmyy）。(10)磁極變量，000.0至180.0。(11)度數(shù)。(12)Checksum.(檢查位)$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TrackMadeGoodandGroundSpeed（VTG）地面速度信息字段1：運(yùn)動(dòng)角度，000-359，（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段2：T=真北參照系字段3：運(yùn)動(dòng)角度，000-359，（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段4：M=磁北參照系字段5：水平運(yùn)動(dòng)速度（0.00）（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段6：N=節(jié)，Knots字段7：水平運(yùn)動(dòng)速度（0.00）（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段8：K=公里/時(shí)，km/h字段9：校驗(yàn)值表1GPS模塊主要參數(shù)GPS模塊主要參數(shù)GPS芯片組SiRFStarIII工作頻率L1,1575.42MHz粗捕獲碼

（C/A）率1.023MHzchiprate同時(shí)跟蹤通道數(shù)20靈敏度-159dBm定位精度5m（2維均方根,允許廣域差分系統(tǒng)）最小速度0.1m/s時(shí)間精度1μS（與GPS時(shí)間同步）默認(rèn)坐標(biāo)系1984年世界大地坐標(biāo)系（WGS-84）重獲時(shí)間0.1S（平均值）熱啟動(dòng)1S（平均值）溫啟動(dòng)38S（平均值）冷啟動(dòng)42S（平均值）最高工作海拔18km（60000feet）最大移動(dòng)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(jī)電流約60mA，不超過100mA整板外形61mm×49mm×17mmGPS芯片外形27.9mm×20mm×2.9mm波特率9600bps數(shù)據(jù)輸出格式SiRF二進(jìn)制格式或NMEA0183GGA,GSA,GSV,RMC,VTG,GLL數(shù)據(jù)輸出電平同時(shí)具備TTL電平和RS232電平數(shù)據(jù)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(rèn)為3.3V）后備電池CR1220鋰電池，3V，不可充電工作溫度-40oC至+85oCGPS模塊的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)GPS模塊的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要分為兩部分，第一部分為串口的設(shè)置于數(shù)據(jù)讀取，第二部分為數(shù)據(jù)的分析和需要數(shù)據(jù)的提取。與其他的關(guān)于設(shè)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(shè)備文件進(jìn)行的。在Linux下，串口的設(shè)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(jù)GPS模塊的配置參數(shù)對(duì)串口的波特率、校驗(yàn)、流控制等進(jìn)行設(shè)置，這些參數(shù)設(shè)置均通過對(duì)termios結(jié)構(gòu)中c_cflag的配置實(shí)現(xiàn)，串口配置部分函數(shù)如下：intgps::set_opt(intfd,intnSpeed,intnBits,charnEvent,intnStop){structtermiosnewtio,oldtio;if(tcgetattr(fd,&oldtio)!=0){perror("SetupSerial1");return-1;}bzero(&newtio,sizeof(newtio));newtio.c_cflag|=CLOCAL|CREAD;newtio.c_cflag&=~CSIZE;switch(nBits){case7:newtio.c_cflag|=CS7;break;case8:newtio.c_cflag|=CS8;break;}switch(nEvent){case'O'://奇校驗(yàn)newtio.c_cflag|=PARENB;newtio.c_cflag|=PARODD;newtio.c_iflag|=(INPCK|ISTRIP);break;case'E'://偶校驗(yàn)newtio.c_iflag|=(INPCK|ISTRIP);newtio.c_cflag|=PARENB;newtio.c_cflag&=~PARODD;break;case'N'://無校驗(yàn)newtio.c_cflag&=~PARENB;break;}switch(nSpeed){case2400:cfsetispeed(&newtio,B2400);cfsetospeed(&newtio,B2400);break;case4800:cfsetispeed(&newtio,B4800);cfsetospeed(&newtio,B4800);break;case9600:cfsetispeed(&newtio,B9600);cfsetospeed(&newtio,B9600);break;case:cfsetispeed(&newtio,B);cfsetospeed(&newtio,B);break;default:cfsetispeed(&newtio,B9600);cfsetospeed(&newtio,B9600);break;}if(nStop==1){newtio.c_cflag&=~CSTOPB;}elseif(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()<<"comseterror"<<endl;return-1;}qDebug()<<"setdone!"<<endl;return0;}在GPS數(shù)據(jù)的處理上首先將窗口數(shù)據(jù)存入一個(gè)字符串，接著通過對(duì)字符串?dāng)?shù)據(jù)的判斷來提取數(shù)據(jù)內(nèi)容，判斷分為兩步，首先判斷是什么類型的數(shù)據(jù)，在本程序的設(shè)計(jì)中需要讀取$GPRMC和$GPGGA兩組數(shù)據(jù)，因此首先判斷字符串GPS_BUF[5]是C還是A，由于數(shù)據(jù)是通過符號(hào)“，”進(jìn)行隔開，因此通過查找“，”來確定數(shù)據(jù)位置。在實(shí)現(xiàn)上將得到逗號(hào)位置函數(shù)單獨(dú)封裝調(diào)用，程序如下：//得到指定序號(hào)的逗號(hào)位置intgps::GetComma(intnum,char*str){inti,j=0;intlen=strlen(str);for(i=0;i<len;i++){if(str[i]==','){j++;}if(j==num)returni+1;}return0;}接下來根據(jù)數(shù)據(jù)格式，通過逗號(hào)位置，提取數(shù)據(jù)信息，程序如下：voidgps::gps_parse(){inttmp;charc;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_doubl