【精品】GPS数据采集分析要点

G P S数据采集分析要
点
基于GPS数据采集系统的设计
时间：2012-08-02 09:58:50 来源：现代电子技术作者：史晓影
关键字：GPS数据采集系统/tags/ 摘要：为了设计高精度、全天候、全天时的数据采集系统，采用了GPS技术实现通信，信息采用NMEA-0183格式，单片机接收GPS 输出的时间和定位信息后，将信息调整为我国的标准，并将调整后的经度、纬度、海拔高度和时间等信息通过液晶终端显示。

最终实现了GPS数据采集及转换等工作，为事故定位、搜查救援等工作提供了技术依据。

关键词：GPS数据采集；定位；数据处理；单片机
随着科技的发展，移动技术的不断成熟，定位导航开辟了一个重要的新兴市场。

GPS(Global Positioning System)以其高精度、全天候、全天时的特点，在定位、导航、测距等领域被广泛应用，具有测量精度高、速度快、用户数量不限、抗干扰能力强等优点。

不仅用于军事领域，还广泛用于工农业生产、交通运输、野外探险等领域。

本系统实现的数据采集精确度较高；采集到的位置可以控制在2 m范围之内，接收数据并处理的时间小于2 s，存精确度和实时性上要优于其他数据采集系统。

1 GPS数据采集系统的设计
硬件系统中主要由主控制器、液晶显示模块和CPS射频前端，数据传输单元组成，如图1所示。

GPS信号通过天线接收值射频前端模块，在射频芯片中实现A ／D转换，将模拟中频信号转化为数字信号通过串口传入单片机，单片机接收的数据信息经过时差，坐标处理等操作，在通过LCD显示出来。

2 GPS数据采集系统的设计及实现
2．1 GPS语句的输出格式
GPS-OEM板采用NMEA-0183通信格式，可以输出多种句型，均以“$”开头。

其语句格式如表1所示。

输出的语句按串口通信协议：1位开始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。

输出数据采用的是ASCⅡ码字符，内容包含了纬度、经度、速度、日期、航向及卫星状况等信息。

语句达十余种，其中定位语句$GPRMC其结构为：
$GPRMC，<1>．<2>，<3>．<4>，<5>．<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>*hh<CR><LF>
其中：
“GP”-交谈识别符；
“RMC”-语句识别符；
“*”-校验和识别符；
“hh”-为校验和，其代表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值(不包括这两个字符)。

$GPRMC语句数据区的内容为：
1)定位点的协调世界时间(UTC)，hhmmss(时分秒)格式；
2)定位状态，A=有效定位，V=无效定位；
3)定位点纬度，ddmm．mmmmm(度分)格式；
4)纬度半球，N(北半球)或S(南半球)；
5)定位点经度，dddmm．mmmmm(度分)格式；
6)经度半球，E(东经)或W(西经)；
7)地面速度，000．0节～999．9节；
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(东)或W(西)。

2．2 GPS数据接收
利用单片机的串行接口接收GPS传送过来的数据，其硬件原理如图2所示，GPS的接口及单片机串口均采用TTL电平传输数据，所以GPS接口引脚4和3可直接与单片机的TXD和RXD引脚相连，无需电平转换，硬件电路图如图2所示。

GPS模块输出的是数据流，每秒钟更新一次数据。

必须要用单片机对其输出的数据流中的数据进行提取，以方便用户直接读取。

首先打开串口中断服务子程序，开始接收数据，判断其是否有“$”符号，然后根据逗号的个数进行判断数据的类型，然后分别存储时间、经度、纬度、日期等信号，若接收到“＼n”则接收结束。

用C语言编程，其程序如下：
在PC机上接收的GPRMC语句信息如下：
$GPRMC，103320，A，4350．95221，N，12524．06042，E，000．0，000．0，130507，009．1，W*50
这是一条GPS定位数据信息语句，涵义是UTC时间为10时33分20秒，位置在北纬43度50．9522分，东经125度24．0604分，移动速度为0，移动范围为0，日期为2007年5月13日，地磁变化为9．10，地磁变化方向为西，校验和为50H。

根据接收的信息用单片机进行相应的处理，就可以得到所需的信息了，信息处理过程见3节。

3 对接收信息的处理
数据的处理主要包括两个方面：
1)时间的处理
直接从卫星接收到的时间信息是UTC时间(格林尼治时间)，需要处理成北京时间。

要变成北京时间需要加上8个小时，如果超过24小时，则减去24小时后，才是北京时间。

时间转换处理程序如下：
2)定位的处理
GPS接受的经度、纬度等信息采用的是美国的84坐标系统，需要转换成我国的54坐标系统。

为便于描述设如下几个参量：大地坐标-(B，L，H)
平面坐标-(x，y，z)
椭球偏心率-C
椭球参数m，n-大地坐标转换到指教坐标需要使用的参数，则有：
4 结束语
本系统讨论了用单片机对GPS数据的读取及处理的方法，分析了GPS模块的信息格式并编制了通信软件，不仅成功地实现了GPS定
位信息的接收与提取，而且具有硬件电路简单、成本低廉、编程方便、性能稳定的特点，具有一定的使用价值。

GPS模块的数据格式
对GPS模块的数据处理本质上还是串口通信程序设计，只是GPS模块的输出遵循固定的格式，通过字符串检索查找即可从模块发送的数据中找出需要的数据，常用的GPS模块大多采用NMEA-0183 协议。

NMEA-0183 是美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)所指定的标准规格，这一标准制订所有航海电子仪器间的通讯标准，其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议。

以下是一组正常的GPS 数据
$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
下面分别对每组数据的含义进行分析。

GPS 固定数据输出语句($GPGGA)，这是一帧GPS 定位的主要数据，也是使用最广的数据。

为了便于理解，下面举例说明$GPGGA语句各部分的含义。

例：
$GPGGA,082006.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,20.6,M,,,,0000*35 其标准格式为：
$GPGGA，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，M，(10)，M，(11)，(12)＊hh(CR)(LF)
各部分所对应的含义为：
(1) 定位UTC 时间：08 时20 分06 秒
(2) 纬度(格式ddmm.mmmm:即dd 度，mm.mmmm 分)；
(3) N/S(北纬或南纬)：北纬38 度52.9276 分；
(4) 经度(格式dddmm.mmmm：即ddd 度，mm.mmmm 分)；
(5) E/W(东经或西经)：东经115 度27.4283 分；
(6) 质量因子(0=没有定位，1=实时GPS，2=差分GPS)：1=实时GPS；
(7) 可使用的卫星数(0～8)：可使用的卫星数=08；
(8) 水平精度因子(1.0～99.9)；水平精度因子=1.0；
(9) 天线高程(海平面，－9999.9～99999.9，单位：m)；天线高程=20.6m);
(10) 大地椭球面相对海平面的高度(－999.9～9999.9，单位：m):无;
(11) 差分GPS 数据年龄，实时GPS 时无:无;
(12) 差分基准站号(0000～1023)，实时GPS 时无:无;
＊总和校验域；hh 总和校验数:35(CR)(LF)回车，换行。

GPRMC（建议使用最小GPS 数据格式）
$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) 标准定位时间（UTC time）格式：时时分分秒秒.秒秒秒（hhmmss.sss）。

(2) 定位状态，A = 数据可用，V = 数据不可用。

(3) 纬度，格式：度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）。

(4) 纬度区分，北半球（N）或南半球（S）。

(5) 经度，格式：度度分分.分分分分。

(6) 经度区分，东（E）半球或西（W）半球。

(7) 相对位移速度， 0.0 至1851.8 knots
(8) 相对位移方向，000.0 至359.9 度。

实际值。

(9) 日期，格式：日日月月年年（ddmmyy）。

(10) 磁极变量，000.0 至180.0。

(11) 度数。

(12) Checksum.(检查位)
$GPVTG 地面速度信息
例：$GPVTG,0.0,T,,M,0.00,N,0.0,K*50
字段0：$GPVTG，语句ID，表明该语句为Track Made Good and Ground Speed （VTG）地
面速度信息
字段1：运动角度，000 - 359，（前导位数不足则补0）
字段2：T=真北参照系
字段3：运动角度，000 - 359，（前导位数不足则补0）
字段4：M=磁北参照系
字段5：水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0）
字段6：N=节，Knots
字段7：水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0）
字段8：K=公里/时，km/h
字段9：校验值
表 1 GPS模块主要参数
3V，不可充电度
GPS模块的应用程序设计
GPS模块的应用程序设计主要分为两部分，第一部分为串口的设置于数据读取，第
二部分为数据的分析和需要数据的提取。

与其他的关于设备编程的方法一样，在Linux下，操作、控制串口也是通过操作起
设备文件进行的。

在Linux下，串口的设备文件是/dev/ttyS0或/dev/ttyS1等。

因此要读写串口，我们首先要打开串口，然后根据GPS模块的配置参数对串口的波
特率、校验、流控制等进行设置，这些参数设置均通过对termios结构中c_cflag
的配置实现，串口配置部分函数如下：
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 )
{
case7:
newtio.c_cflag |= CS7;
break;
case8:
newtio.c_cflag |= CS8;
break;
}
switch( nEvent )
{
case'O': //奇校验
newtio.c_cflag |= PARENB;
newtio.c_cflag |= PARODD;
newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
break;
case'E': //偶校验 newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP); newtio.c_cflag |= PARENB;
newtio.c_cflag &= ~PARODD;
break;
case'N': //无校验
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;
case115200:
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;
return0;
}
在GPS数据的处理上首先将窗口数据存入一个字符串，接着通过对字符串数据的判断来提取数据内容，判断分为两步，首先判断是什么类型的数据，在本程序的设计中需要读取$GPRMC和$GPGGA两组数据，因此首先判断字符串GPS_BUF[5]是C还是A，由于数据是通过符号“，”进行隔开，因此通过查找“，”来确定数据位置。

在实现上将得到逗号位置函数单独封装调用，程序如下：
//得到指定序号的逗号位置
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;
}
return0;
}
接下来根据数据格式，通过逗号位置，提取数据信息，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)]);
}
}
//将获取文本信息转换为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;
}。