GPS数据采集分析要点

1、基于GPsa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 Pos

2、itioning 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2m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。正四T i曷嬷卜巨与以 图1系统枢图例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，

3、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3 . 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“$” 开头。其语句格式如表1所示。Al语句格式Tab- 1 NMEA-0183 stutemrnt formal符号asc n定义HEX说期$起始位24H谪而起始及Aaccc墟址域的两位为识别符.后三付为分楣符域分隔存2Cf!域分割符【Jddllrld数据块发送数根内容粉is和符号行面的曲位教小帕斡和h校教斯(CR7(i.n终也符ODH.

4、OAH国里.独行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ASCn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：“GF-交谈识别符；“RMC-语句识另I符；“量校验和识别

5、符；“hK为校验和，其代表了 “野口”*之间所有字符白按位异或值（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）, hhmmsslM分秒）格式；2）定位状态，A=有效定位，V=无效定位；3）定位点21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

6、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“蟒号，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：voi

7、d chkzhd( )interrupt 4"串 口接收中断(char eh . num ；p37=! P37；if(TI=l )T=0；ir(fu-i >ch=SBUF；if(ch="S3(gps_flag=；l ；num=O；)即、n呼二=l)gpA_revfnurn+=ch；if (ch=O H num>79)(gps_revnum|=V),；gps_dat()建psjl咋IRI=O；hip电务同在PC机上接收的GPRMC语句信息如下:$GPRMC, 103320, A, 4350. 95221 , N , 12524. 06042, E, 000. 0,

8、 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

9、24 小时后，才是北京时间。时间转换处理程序如下：if(gps_receive|4jfM )ffor(i=0n<6；i+)Inmefi =gps_re veiveg>s_shijiiin ( 1 ) + i； Itrlsc lime +=8 ；) 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：8 * * mS Y面门5广x=(p+/).ros(),riKS(L)；y=(

10、p+ft )eos(/O,sin( A)； l-t，；+石；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®块的数据处理本质上还是串口通信程序设计，只是GPS真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 GPSg块大多采用 NMEA-0183协议。NMEA-0183是美国国家海洋电子协会(National Marine Electro

11、nics 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,0.00,0Q261009,*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

12、 数据。为了便于理解，下面举例说明 $GPGGA句各部分的含义。例：$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:dd 度，mm.mmmm )；(3) N/S(北纬或南纬):北纬38度52.9276分；(4)

13、 经度(格式 dddmm.mmmmp ddd 度，mm.mmmm );E/W(东经或西经)：东经115度27.4283分；(6)质量因子(0二没有定位，1二实时GPS 2二差分GPS): 1=实时GPS(7)可使用的卫星数(08):可使用的卫星数=08;(8)水平精度因子(1.099.9);水平精度因子=1.0;(9)天线高程(海平面，9999.999999.9,单位：m);天线高程=20.6m);(10)大地椭球面相对海平面的高度 (999.99999.9 ,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(00001023),实时GPS时无：无；*总和校

14、验域；hh总和校验数：35(CR)(LF)回车，换行。GPRM C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

15、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) o(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)$GPVTG®面速度信息例：$GPVTG,0.0,T,M,0.00,N,0.0,K*50字段 0: $GPVTG

16、语句 ID,表明该语句为 Track MadeGoodand 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二真北参照系字段3:运动角度，000 - 359,(前导位数不足则补0)字段4: M=!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斗,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/里/时,km/h字段9:校验值表1 GPS模块主要参数GPSg块主要参数GPS芯片组SiRF Star III工作频率L1, 1575.42 MHz粗捕获他（C/A）率1.0

17、23 MHz chip rate同时跟 踪通道 数20灵敏度-159 dBm定位精 度5m （2维均方根, 允许广域差分系 统）最小速度0.1 m/s时间精 度1 m S （与GPS寸间同步）默认坐标系1984年世界大地坐标系（WGS-84重获时 间0.1S （平均值）热启动1S （平均值）温启动38S （平均值）冷启动42S （平均值）最局工 作海拔18km (60000feet )最大移动速率515m/S(1000knots )最大加 速度4g最大急冲度_320m/S电源电 压5 V士 0.5V整机电流约60mA不超过 100mA整板外 形61mme 49mm<17mmGPS芯片外形

18、27.9mmx 20mm<2.9mm波特率9600bps数据输出格式SiRF二进制格式或NMEA 0183 GGA,GSA, GSV, RMC,VTG,GLL数据输 出电平同时具备TTL电平和RS232电平数据输出接口20pin插针（TTL电平）和DB9母座（RS232 电平）天线类 型外置有源GPM线 （3.3V/5V电压可 选，默认为3.3V）后备电池CR1220a电池，3V, 不可充电工作温 度-40oC 至+85oCGPS模块的应用程序设计GPS真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

19、，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®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,&

20、amp;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' :/ 奇校验newtio.c_

21、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 )(case 2400:cfsetispeed(&

22、;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;

23、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_ccVTIME =0;newtio.c_ccVMIN =0;tcflush(fd,TCIFLUSH);if (tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio)!= 0)qDebug()<< "com

24、set error" <<endl;return - 1;qDebug()<< "set done!" <<endl;return 0;h在gpsm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$GPRMC$GPGGA组数据，因此首先判断字符串 GPS_BUF5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：阖/得到指定序号的逗号位置int gps:

25、GetComma(int num, char *str)int i,j= 0;int len=strlen(str);for (i= 0;i<len;i+)(if (stri=',')(j+;)if (j=num) return i+ 1;)return 0;)圃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:囤void gps二gps_parse()(int tmp;char c;c = GPS_BUF 5; if (c='C')(/"GPRMC"GPS->D.hour =(GPS_BUF 7- GPS->D.m

26、inute =(GPS_BUF 9-GPS->D.second =(GPS_BUF 11- tmp = GetComma( 9,GPS_BUF); GPS->D.day =(GPS_BUFtmp+ GPS->D.month =(GPS_BUFtmp+'0' )* 10+(GPS_BUF8- '0');'0' )* 10+(GPS_BUF0- '0');'0' )* 10+(GPS_BUF2- '0');0- '0' )* 10+(GPS_BUFtmp1- '0'