GPS數據采集功能的實現

李云飛

摘 要：介紹了全球定位系統的基本現狀以及其工作原理，對GPS接口通信協議（NMEA 0183協議）也進行了細致地說明，最后對GPS數據中緯度、經度、時間等相關數據的采集實現做了詳細地闡述。

關鍵詞：GPS 通信協議 數據采集

全球定位系統GPS是美國從上世紀的70年代開始，于1994年全面建成，具有在海、路、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。然而GPS發展歷程也是充滿艱辛，1973～1979年，共發射了4顆試驗衛星，研制了地面接收機及建立了地面跟蹤網；1979～1984年，又陸續發射了7顆試驗衛星，研制了各種用途接收機；1989年2月第一顆GPS工作衛星發射成功，GPS系統進入了工程建設階段。1993年底，歷時20多年，耗資200億美元實用的GPS網，即（21+3）GPS星座全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。

GPS工作原理

GPS由3個獨立部分組成：①空間部分：21顆工作衛星，3顆備用衛星。②地面支撐系統：1個主控站，3個注入站，5個監測站。③用戶設備部分：主要由接收硬件和處理軟件組成（其中GPS接收硬件一般由主機、天線和電源組成）。

用戶通過用戶設備接收GPS衛星發射信號，經信號處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終達到利用GPS進行導航和定位的目的。

GPS定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交匯的方法，確定待測點的位置。

GPS通信接口協議——NMEA 0183協議

NMEA（Nationnal Marine Electronics Association）0183是一種航海、海運方面關于數字信號傳遞的標準，此標準定義了電子信號所需要的傳輸協議、傳輸數據時間。一般有以下幾種數據幀：時間輸出（UTC）、位置信息（GGA）、GPS DOP和衛星活動（GSA）、當前GPS衛星狀態（GSV）、最簡特性（RMC）、VTG速度相對正北的方向（VTG）、帶有LORAN ID的地理信息（LCGLL）、帶有LORAN ID的軌道和速度信息（LCVTG）、狀態信息（PGRMT）和3D定位信息（PGRMV）。

GPS的通信協議采用的NMEA 0183協議，它要求的串行通信參數為：波特率=4800；數據位=8位；停止位=1位；無奇偶校驗位。

GPS接收機只要處于工作狀態，就會源源不斷地把接收到的GPS導航定位信息通過串口傳送到計算機中。這些接收信息在沒有經過分類之前是無法加以利用的，因此必須通過程序將各個字段的信息從緩存字節流中提取出來，將其轉化成有實際意義、可供高層決策使用的定位信息數據。與其他通信協議類似，對GPS進行信息提取，必須首先明確其幀結構，然后才能根據其結構完成對定位信息的提取。

本設計使用的GPS模塊，其發送到計算機的數據主要由幀頭、幀尾和幀內數據組成。根據數據幀的不同，幀頭也不相同，主要有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV以及$GPRMC等，這些幀頭標識了后續幀內數據的組成結構，各幀均以回車符和換行符作為幀尾標識一幀的結束。

雖然接收機也在源源不斷地向主機發送各種數據幀，但在處理時，一般先通過對幀頭的判斷，只對$GPGGA幀進行數據提取處理。由于幀內各數據段由逗號分割，因此在處理緩存數據時，一般是通過搜尋ASCII碼$來判斷是否是幀頭。在對幀頭的類別進行識別后，再通過對所經歷逗號個數的計數來判斷當前在處理的是哪一種導航定位參數，并作出相應的處理，將所需信息提取到內存，包括時間、時期以及經緯度等信息。

3、GPS定位信息的解析

通過函數gps_processdata（）對提取后的GPGGA數據幀進行解析，獲得當前的UTC時間、經度和緯度信息。由于UTC時間與北京時間相差8小時，所以通過對UTC時間加上8小時以轉換為北京時間。

結束語

GPS的應用越來越廣泛，在我們工作中也經常涉及到此項技術，比如目前的AIS系統、視頻監控系統、數字廣播系統、公安350M系統，針對GPS的深入了解，對其現狀、工作原理、通信協議以及數據的接收、提取和解析有了進一步的認識，能夠很好地幫助上述中各項系統的了解，為更好的維護保障做好一定的理論基礎。

參考文獻：

[1]李明峰、《GPS定位技術及其應用》、2006年2月第1版、國防工業出版社.

[2]管耀武、《嵌入式無線通信系統開發》、2006年5月第1版、電子工業出版社.

（作者單位：長江南京通信管理局）