不同GPS－OEM芯片跨平臺混合使用方案

劉慶元，鄒 磊

（中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083）

GPS－OEM板因其體積小、功耗低、性能優良而且價格低廉的優勢而被廣泛使用。然而，由于各種GPS－OEM板的生產廠商不同，其輸出的數據包格式也不盡相同，使得不同芯片或者接口的GPSOEM板無法組合使用。雖然美國國家海洋電子協會制定了通用的NMEA－0183協議，但是由于該格式的局限性，無法勝任測量工作［1］。不同GPSOEM芯片有不同的通訊接口，使得芯片的跨平臺混合使用變得很困難，而且數據處理程序專一性很強，一旦芯片數據輸出格式或者接口發生變化，數據處理程序便無法再使用。

1 解決方案概述

為解決上述矛盾，本文設計編寫了服務程序，運行于用戶的軟件和GPS芯片硬件之間，來統一數據包格式和數據的通訊方式，使得需要GPS觀測原始數據的測量型用戶能獲取到統一的、與芯片無關的、可靠的數據，同時，不需要GPS原始數據的用戶還能像以前一樣，不受任何影響的使用。

數據處理程序工作模式如圖1所示，服務器端處理程序可以運行于任何系統中（可以是計算機，也可以是PDA甚至是單片機），設計有多種數據接收模塊，可以接收各種數據，并且按照擴展的NMEA－0183協議轉發到固定端口的UDP連接上。用戶端程序同樣可以運行于各種平臺，只要能連接Internet（沒有Internet連接時，可以連接本機），便可以接收到GPS觀測數據［2］，無需關心數據來自哪一種GPS－OEM芯片，這樣就可以實現不同芯片的跨平臺使用。

圖1 GPS數據處理服務工作模式

2 原始NMEA－0183協議及其局限性

NMEA－0183協議是美國國家海洋電子協會（National Marine Electronics Association）為統一海洋導航規范而制定的標準，是GPS接收機應當遵守的標準協議，也是目前GPS接收機上使用最廣泛的協議［3－4］。

NMEA－0183格式數據串的所有數據都采用ASCII文本字符表示，數據傳輸以“$”開頭，語句頭由5個字母組成，前兩個一般為“GP”，表示該語句是屬于何種系統，后3個字母表示“語句ID”，表示該語句是關于何方面的數據。語句頭后是數據體，包含不同的數據體字段，語句末尾為校驗碼（可選），以回車換行符＜CR＞＜LF＞結束。每行語句最多包含82個字符。數據字段以逗號分隔識別，空字段保留逗號。常用語句及其含義如表1所列。

表1 NMEA－0183協議的語句及含義

然而，NMEA－0183協議常用的定位信息僅能輸出定位的最終結果信息，卻無法輸出GPS的觀測數據信息，而對測量來說這恰恰是最重要的數據。

目前一些廠商生產的GPS－OEM芯片可以輸出GPS觀測數據，比如衛星星歷、偽距等數據，但是數據包一般遵守廠商自定義的數據格式，因此，不同芯片的GPS－OEM板便不能通用。當前的GPSOEM測量數據處理程序，由于數據包格式不同，僅能針對特定型號的GPS－OEM板，無法實現不同芯片的混合使用。

綜上，不同GPS－OEM廠商定義了不同的數據包，共同遵循的NMEA－0183協議又無法輸出GPS測量的全部數據，因此，有必要提出一個相互協調的方案。

3 NMEA－0183協議語句擴展

要擴展NMEA－0183協議滿足測量需要，則必須可以輸出偽距觀測值（目前大多數GPS－OEM板可以輸出偽距信息）和衛星星歷［5］。本文在保留了原有NMEA－0183協議語句的基礎上，按照該協議對語句的要求，增加偽距輸出GPPSD語句和衛星星歷輸出GPEPHF、GPEPHS和GPEPHT語句（星歷數據較多，固分3條語句）。一條GPPSD語句可以輸出多個偽距信息，但顧忌到數據包長度限制，最多允許3個觀測值。衛星星歷數據量較大，需要分3個數據包發送，具體格式說明如下：

3.1 GPS偽距語句

格式：$GPPSD，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞＊hh＜CR＞＜LF＞

舉 例：$GPPSD，2，15，528348，24158712.5312，22，528348，20437393.1094＊A3

＜1＞、本條語句包含的偽距個數

＜2＞、GPS衛星SV編號

＜3＞、偽距測量時間

＜4＞、衛星到接收機的偽距

3.2 GPS衛星星歷語句1

$GPEPHF，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞＊hh＜CR＞＜LF＞

舉 例：$GPEPHF，02，5.1840E＋05，5.153691E＋03，8.247306E－03，3.041002E－01，－6.05476E－01＊7B

＜1＞、GPS衛星SV編號；

＜2＞、參考時間toe；

＜4＞、軌道偏心率e；

＜5＞、參考時刻的軌道傾角i0；

＜6＞、參考時刻平近點角M0。

3.3 GPS星歷語句2

$GPEPHS，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞＊hh＜CR＞＜LF＞

舉 例：$GPEPHS，02，9.525346E－01，－8.267319E－01，1.439048E－09，－2.56977E－09，2.53049E－06＊5C

＜1＞、GPS衛星SV編號；

＜2＞、近地點角距ω；

＜3＞、參考時刻的升交點赤經Ω0；

＜4＞、衛星平均角速度的改正數Δn；

＜5＞、升交點赤經變化率Ω－dot；

＜6＞、升交點正弦調和改正數Cus。

3.4 GPS星歷語句3

$GPEPHF，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞＊hh＜CR＞＜LF＞

舉例：$GPEPHF，02，－9.16621E－07，－6.22543E－08，－1.89728E－08，－5.65938E＋01，2.21313E＋02＊2F

＜1＞、GPS衛星SV編號；

＜2＞、升交點余弦調和改正數Cuc；

＜3＞、軌道傾角正弦調和改正數Cis；

＜4＞、軌道傾角余弦調和改正數Cic；

＜5＞、軌道半徑正弦調和改正數Crs；

＜6＞、軌道半徑余弦調和改正數Crc。

4 數據包格式轉換及轉發

不同GPS－OEM板發送的數據包所遵守的協議不同，必須要將其轉換為擴展的NMEA－0183協議，統一不同GPS－OEM板是數據輸出接口。用戶程序僅需要按照擴展的NMEA－0183格式來解析數據包，就可以獲取需要的數據，而無需知道GPS－OEM板原始的數據格式。

服務端程序通過通用的TCP/IP協議中用戶數據包協議（UDP）來轉發數據包。UDP是一個簡單的面向數據包的傳輸層協議，為網絡層以上和應用層以下提供了一個簡單的接口。因TCP/IP協議的通用性，用戶程序可以不受系統限制地從Internet上獲取數據。在沒有Internet連接的情況下，還可以連接本機，為本機的不同程序提供數據［2］。

考慮到跨平臺特性，服務端程序采用了優秀的跨平臺應用程序庫Qt（關于Qt請參考相關文檔）。Qt封裝了對設備接口的輸入輸出類QIODevice類，利用該類打開串口等計算機外圍接口。QIODevice類從外圍接口中按字節讀取數據，存放于QByteArray字節數組中，并轉換為QString字符串對象，通過字符串處理函數，最終把讀入的數據轉換為擴展的NMEA－0183協議格式［6］。最后，通過Qt封裝的QUdpSocket類，將轉換好的數據包通過Socket連接發送到UDP端口。

5 實 驗

為實現在各種系統平臺上都能正常工作，本文選用跨平臺的QT庫編寫數據包轉換轉發服務器程序。服務器端在Windows Xp下運行如圖2所示。

圖2 服務器端程序在Windows下運行

服務器端運行后，綁定本機IP地址127.0.0.1上的9228端口，同時從串口COM5中讀取Trimble公司的Lassen IQ芯片發送的數據。Lassen IQ發送TSIP協議的數據包（關于TSIP協議的具體定義，請參考Trimble公司的說明），該數據包為二進制格式，服務器端程序提取TSIP數據包中的相關信息，生成擴展的NMEA－0183協議格式，發送到127.0.0.1（本機）的9228端口。

在命令行下編寫程序模擬用戶獲取數據，連接本機的9228端口，讀取服務器端發送來的數據，結果如圖3所示，正確地讀取了數據包。

圖3 用戶連接UDP端口獲取的數據

同時，程序還在Linux（內核版本3.0）上進行了實驗，服務器端同樣將Lassen IQ數據包成功轉換為擴展的NMEA－0183數據包。

6 結束語

本文提出了利用擴展NMEA－0183協議語句的辦法，即滿足了與其他軟件的兼容性，又滿足了測量型GPS數據的發送；通過數據包轉發到UDP端口的辦法，使得用戶完全不必關心是何種設備、通過何種方式發送的何種數據包，只要能連接Internet就可以獲取所需要的數據包。

本文通過實驗，將Trimble公司的TSIP協議數據包成功地轉換為擴展的NMEA－0183協議數據包，并通過UDP端口發送給用戶，證明了方案的可行性。

［1］李征航，黃勁松.GPS測量原理及應用［M］.武漢：武漢大學出版社，2005.

［2］謝希仁，計算機網絡［M］.5版.北京：電子工業出版社，2008.

［3］王若璞，張超.Windows CE下手持電腦對GPS OEM板設置與 通訊［J］.測繪科學技術學報，2007，24（S0）：22－24.

［4］袁德寶，崔希民，臧永強，等，基于VC＋＋的GPS－OEM板串行通信關鍵算法的設計與實現［J］.測繪科學，2008，33（6）：170－172.

［5］劉慶元，余文坤，楊哲，等.GPS－OEM板原始數據向RINEX格式轉換程序設計［J］.礦山測量，2009（5）：31－33.

［6］成潔，盧紫毅.Linux窗口程序設計—Qt4精彩實例分析［M］.北京：清華大學出版社，2008.