Ты наверное сейчас занят решением проблемы взлома очередного мега-супер-гипер сервака, но знаешь ли ты, что такое GPS и как с ним обращаться?! Если нет, то тебе сюда! В этой статье я расскажу тебе о том, как работают GPS приемники, как получить с них информацию, а так же как самому написать простенькую программу для работы с GPS-модулем.

GPS (Global Positioning System, Система Глобального Позиционирования) была введена в действие США в 1994 году. Состоит она из 24 спутников и наземных приемных комплексов, коим может являться и твой GPS-навигатор или GPS-модуль (в дальнейшем навигатор). Для точного определения координат твой навигатор должен видеть минимум 4 спутника. В недалеком прошлом точность определения координат вне территории США (а точнее для потребителей не из США) была искусственно снижена, но не так давно это ограничение было убрано и теперь ты можешь определять свое местоположение даже в тайге с точностью до нескольких метров.

На пальцах все это работает так: твой навигатор получает информацию с каждого из видимых спутников, которые являются для него как бы маяками. Внутри навигатора находится микропроцессор с зашитой в него программой, которая на основе полученных данных и высчитывает твое местоположение.

В настоящее время в продаже имеется огромное количество GPS-навигаторов и GPS-модулей для КПК и ноутбуков. GPS-навигатор это GPS-приемник с экраном, на котором отображается информация о твоем местоположении, а GPS-модуль – это GPS-приемник, который подключается к компьютеру и передает всю навигационную информацию программе, которая с ним работает. Все они в принципе отличаются только форм-фактором и принципиальных различий в работе не имеют. Но нас с тобой больше интересует каким же все таки образом он общается с компьютером и как вытащить из него информацию. Сейчас все расскажу и покажу.

Какого бы форм-фактора (COM, USB, BlueTooth и т.п.) не был GPS-модуль, он будет логически связан с компьютером через COM-порт, т.е. при подключении создается соединение по последовательному порту. Навигационная информация в большинстве случаев передается по протоколу NMEA. Это самый распространенный протокол передачи для GPS-модулей. Хотя есть и другие протоколы, но мы их рассматривать не будем.

Ну а теперь самое время узнать как же сделать софтину для работы со всем этим хозяйством. Скажу сразу, что мне не очень хочется сейчас объяснять как тыкать в кнопки в том же
VB, статья носит больше ознакомительный характер. Для тех кто в танке я объясню подобно процесс создания программы в следующих статьях.
Я освещу лишь наиболее важные моменты и я думаю у тебя все получится. Скажу сразу, что ваять прогу можно в любых языках программирования, лишь бы была возможность работы с последовательным портом и со строками.
Первое с чего нужно начать это с открытия COM-порта. Почти все приемники по умолчанию имеют установки: скорость 9600 бит/с, 8/N/1. Как только ты откроешь порт тебе сразу с интервалом в секунду будет приходить навигационная информация примерно такого вида:

$GPGGA,143345.264, 0936.23,N,06354.15,E, 0,06,0.0,230.6,M,0.0,M,0.0,0345*76
$GPRMC,143345.26, A,0936.23,N,06354.15, E,0.0,0.0,230306,0.0,E,A*45
$GPGSA,A,3,03, 04,05,07,11,12,0.0,0.0,0.0*Е2
$GPGSV,1,1,06,05,67,120,20*34

Теперь приступим к разбору:

Данные передаются в виде предложений. Формат предложений следующий:

$AAAAA[, <данные> ]*hh, где

$ — символ начала предложения (код 24h);
AAAAA — пятисимвольный адрес (имя) предложения;
[, <данные> ] — список полей данных разделенных запятыми (код 2Сh);
* — признак контрольной суммы (код 2Ah);
hh — контрольная сумма;
, — конечный ограничитель (коды 0Dh и 0Ah).

Типы полей данных.

Поля цифровых величин

Информационные поля

Примечания:

1. Пробелы могут быть использованы только в полях текстов изменяемой длины.

2. Отрицательный знак “-” (код 2Dh) является первым знаком поля, если в нем приводятся отрицательные величины. При использовании отрицательного знака в полях фиксированной длины их длина увеличивается на единицу. При положительных величинах знак опускается.

GGA – Данные определения места по GPS

Время место и данные относящиеся к обсервации.

$GPGGA,hhmmss.sss,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x,xx,x.x,x.x,M,x.x,M,x.x,xxxx*hh

1. hhmmss.sss – время навигационных определений;
2. llll.ll,a – широта, N/S;
3. yyyyy.yy,a – долгота, E/W;
4. x – показатель качества обсервации: 0 = нет данных, 1 = обсервация получена, 2 = обсервация в дифференциальном режиме;
5. xx – число используемых спутников;
6. x.x – величина горизонтального геометрического фактора (HDOP);
7. x.x,M – высота антенны над уровнем моря (геоидом), м;
8. x.x,M – превышение геоида над эллипсоидом WGS84, м;
9. x.x – устаревание дифференциальных поправок, то есть время в секундах с момента получения последней дифференциальной поправки, нулевое поле используется в случае выключения дифференциального режима;
10. xxxx – идентификатор дифференциальной станции 0ё1023.

Время, дата, координаты и курс счисляемые аппаратурой.

$GPRMC,hhmmss.ss,A,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x.x,x.x,xxxxxx,x.x,a,a*hh

Полями данного предложения являются:

1. hhmmss.ss – время;
2. A – статус (A/V);
3. llll.ll,a – широта, N/S;
4. yyyyy.yy,a – долгота, E/W;
5. x.x – скорость в узлах;
6. x.x – курс в градусах;
7. xxxxxx – дата: dd/mm/yy (день/месяц/год);
8. x.x,a – магнитное склонение в градусах, E/W;
9. a – индикатор режима: A = автономная обсервация, D = дифференциальный режим, N = данные недостоверны.

GSA – Фактор ухудшения точности, используемые для навигации спутники

$GPGSA,a,x,xx, … ,xx,x.x,x.x,x.x*hh

Полями данного предложения являются:
1. a – режим управления количеством определяемых координат: М = ручное, указан режим, А = автоматическое переключение;
2. x – режим работы: 1 = обсервация невозможна, 2 = определяются две координаты, 3 = определяются три координаты;
3. xx…xx – номера спутников используемых для решения навигационной задачи, количество полей равно количеству каналов приемника, для GPS используются номера 1ё32, для WAAS 33ё64, для ГЛОНАСС 65ё96;
4. x.x – общий геометрический фактор ухудшения точности (PDOP);
5. x.x – горизонтальный геометрический фактор ухудшения точности (HDOP);
x.x – вертикальный геометрический фактор ухудшения точности (VDOP).

GSV – Видимые спутники

Число спутников в зоне радиовидимости, номер спутника, угол возвышения, азимут и отношение сигнал/шум. Одно предложение может содержать информацию об 1 до 4 спутников, дополнительные данные о спутниках передаются в следующих предложениях. Номер предложения указывается в первых двух полях данных. Для спутниковых систем зарезервированы следующие номера: для GPS 1-32, для WAAS 33-64, для ГЛОНАСС 65-96.

$GPGSV,x,x,xx,xx,xx,xxx,xx, … ,xx,xx,xxx,xx*hh

Полями данного предложения являются:
1. x – общее число сообщений;
2. x – номер сообщения;
3. xx – общее число спутников в зоне радиовидимости;
4. xx – номер спутника;
5. xx – угол возвышения спутника, градусы 00-90;
6. xxx – азимут истинный, градусы 000-360;
7. xx – отношение сигнал/шум 00-99 дБ, если спутник не сопровождается не передается.

Примечание: поля 4, 5, 7 повторяются для 2, 3 и 4 спутников.

Ну вот теперь, имея описание протокола NMEA и драйвер прямые_руки.sys можешь приступать к построчному разбору пакетов и созданию мега программулины)))).

NMEA 0183 (от «National Marine Electronics Association ») - стандарт определяющий текстовый протокол связи морского (как правило, навигационного) оборудования (или оборудования, используемого в поездах) между собой. Стал особенно популярен в связи с распространением GPS-приёмников , использующих этот стандарт.

Общий вид строк в NMEA 0183

• символ «$» или «!» (hex 24 или hex 21)
• 5-буквенный идентификатор сообщения. Первые две буквы - идентификатор источника сообщения, следующие три буквы - идентификатор формата сообщения, согласно протоколу NMEA 0183 определённой версии.
• список данных (буквы, цифры и точки), разделённых запятыми. Если какие-либо данные отсутствуют внутри строки, запятые всё равно ставятся (например «,»). Некоторые поля в конце строки могут отсутствовать вовсе.
• символ «*».
• восьмибитная XOR -сумма всех символов (включая «,» и «^») в строке между «$» и «*» приведенная к двум ASCII-символам в верхнем регистре для 16-ричного представления байта (0–9, A–F).
• (hex 0D, hex 0A).

Максимальная длина сообщения ограничена 82 символами (NMEA 0183 rev 3.0)

Стандарт описывает более 250 идентификаторов NMEA-последовательностей. Стандарт определяет скорости обмена данными в 4800 бод. (Для скоростей в 38400 бод и выше есть расширенный стандарт NMEA-0183-HS).

Стандарт позволяет добавлять собственные идентификаторы последовательностей, что часто используется производителями для передачи дополнительной информации о работе устройства.

RMC-строка (частный пример)

$GPRMC,hhmmss.sss,A,GGMM.MM,P,gggmm.mm,J,v.v, b.b, ddmmyy, x.x, n,m*hh

Значение полей:

• «GP» - идентификатор источника; в приведенном примере это GPS, «GL» - ГЛОНАСС , «GA» - Галилео , «GN» - ГЛОНАСС+GPS и т. п.
• «RMC» - «Recommended Minimum sentence C»
• «hhmmss.sss» - время фиксации местоположения по Всемирному координированному времени UTC : «hh» - часы, «mm» - минуты, «ss.sss» - секунды. Длина дробной части секунд варьируется. Лидирующие нули не опускаются.
• «A» - статус: «A» - данные достоверны, «V» - недостоверны.
• «GGMM.MM» - широта. 2 цифры градусов(«GG»), 2 цифры целых минут, точка и дробная часть минут переменной длины. Лидирующие нули не опускаются.
• «P» - «N» для северной или «S» для южной широты.
• «gggmm.mm» - долгота. 3 цифры градусов(«ggg»), 2 цифры целых минут, точка и дробная часть минут переменной длины. Лидирующие нули не опускаются.
• «J» - «E» для восточной или «W» для западной долготы.
• «v.v» - горизонтальная составляющая скорости относительно земли в узлах . Число с плавающей точкой. Целая и дробная части переменной длины.
• «b.b» - путевой угол (направление скорости) в градусах . Число с плавающей точкой. Целая и дробная части переменной длины. Значение равное 0 соответствует движению на север , 90 - восток , 180 - юг , 270 - запад .
• «ddmmyy» - дата : день месяца, месяц, последние 2 цифры года (ведущие нули обязательны).
• «x.x» - магнитное склонение в градусах (часто отсутствует), рассчитанное по некоторой модели. Число с плавающей точкой. Целая и дробная части переменной длины.
• «n» - направление магнитного склонения: для получения магнитного курса магнитное склонение необходимо «E» - вычесть, «W» - прибавить к истинному курсу.
• «m» - индикатор режима: «A» - автономный, «D» - дифференциальный, «E» - аппроксимация , «N» - недостоверные данные (часто отсутствует, данное поле включая запятую отсутствует в старых версиях NMEA).
• «hh» - контрольная сумма.
• - байт равен 0x0D.
• - байт равен 0x0A.

Примеры RMC-строки

Пример 1

$GPRMC,125504.049,A,5542.2389,N,03741.6063,E,0.06,25.82,200906,*17

Значение полей:

• 12 часов 55 минут 4,049 секунд UTC
• «A» - достоверно
• широта 55° 42,2389", северная
• долгота 37° 41,6063", восточная
• скорость 0,06 узлов

Описание NMEA протокола. Реализация в приемниках Garmin и GlobalSat

Введение

Национальная Ассоциация Морской Электроники (National Marine Electronics Association - NMEA) разработала специальный протокол для поддержания совместимости морского навигационного оборудования различных производителей. Этот NMEA протокол описывает не только данные, полученные с GPS приемников, но и измерения сонаров, радаров, электронных компасов, барометров и других навигационных устройств, использующихся на морских судах.

Интерфейс обмена данными большинства портативных GPS приемников реализован в соответствии с этой спецификацией. Большинство навигационных программ, которые обеспечивают отображение данных в реальном времени, поддерживают и «понимают» NMEA протокол. Эти данные содержат полные навигационные измерения GPS приемника - позицию, скорость и время. Все NMEA сообщения состоят из последовательного набора данных, разделенных запятыми. Каждое отдельное сообщение не зависит от других и является полностью «завершенным». NMEA cообщение включает заголовок, набор данных, представленных ASCII символами, и поле «чексуммы» для проверки достоверности переданной информации.

Заголовок стандартных NMEA сообщений состоит из 5 символов, из которых два первых определяют тип сообщения, а оставшиеся три - его название. Например, все GPS NMEA сообщения имеют префикс «GP». Сообщения, которые не описаны в спецификации NMEA, но реализованы в GPS приемниках в соответствии с общими правилами, имеют префикс «Р», дополненный тремя символами, уникальными для каждой компании. Например, «собственные» NMEA сообщения Garmin имеют префикс «PGRM», Magellan - «PMGN»
Каждое NMEA сообщение начинается с «$», заканчивается «n» («перевод строки») и не может быть длиннее 80-и символов. Все данные содержаться в одной строке и отделены друг от друга запятыми. Информация представлена в виде ASCII текста и не требует специального декодирования. Если данные не умещаются в выделенные 80 символов, то они «разбиваются» на несколько NMEA сообщений.

Такой формат позволяет не ограничивать точность и количество символов в отдельных полях данных. Например, дробная часть значения координат может быть представлена 3 или 4 знаками после запятой, но это никак не должно повлиять на работу программного обеспечения, которые выделяет нужные данные из сообщения по номеру поля. В конце каждого NMEA сообщения содержится поле «чексуммы», отделенное от данных символом «*». При необходимости оно может использоваться для проверки целостности и достоверности каждого принятого сообщения.

NMEA протокол поддерживает не только исходящие, но и входящие сообщения, с помощью которых, например, можно обновить или добавить путевые точки маршрута. Эти сообщения должны быть сформированы в строгом соответствии с форматом NMEA, в противном случае, они будут просто проигнорированы GPS приемником. Стоит отметить, что не все навигационные программы и модели приемников поддерживают этот режим, так как используют для загрузки точек и маршрутов фирменные протоколы производителей - Garmin, Magellan и т.д.

С момента создания, NMEA протокол претерпел несколько модификаций, связанных с добавлением новых полей и сообщений. Текущей версией, которую поддерживают большинство приемников, является версия 2.3, хотя уже опубликовано описание новой версии 3.0. Полная спецификация NMEA сообщений отсутствует в свободном доступе и ее нельзя официально скачать в электронном виде, Отдельные ее разделы, общее описание NMEA протокола и наиболее популярных сообщений можно найти в Интернете. Официально приобрести NMEA документацию можно на сайте www.nmea.org .

Список сообщений

NMEA протокол описывает большой список различных сообщений, из которых можно выделить два десятка сообщений, активно использующихся в навигационной аппаратуре. В связи с большой популярностью и простой представления данных, NMEA протокол нашел применение не только морской аппаратурой, но и в геодезических, бытовых и авиационных GPS приемниках.

• AAM - Прибытие в путевую точку
• ALM - Данные альманаха
• АPA - Данные автопилота «А»
• APB - Данные автопилота «В»
• BOD - Азимут на пункт назначения
• DTM - Используемый датум
• GGA - Информация о фиксированном решении
• GLL - Данные широты и долготы
• GSA - Общая информация о спутниках
• GSV - Детальная информация о спутниках
• MSK - Передача управлению базовому приемнику
• MSS - Статус базового приемника
• RMA - Рекомендованный набор данных системы «Loran»
• RMB - Рекомендованный набор навигационных GPS данных
• RMC - Рекомендованный минимальный набор GPS данных
• RTE - Маршрутная информация
• VTG - Вектор движения и скорости
• WCV - Данные скорости вблизи путевой точки
• WPL - Данные путевой точки
• XTC - Ошибка отклонения от трека
• XTE - Измеренная ошибка отклонения от трека
• ZTG - UTC время и оставшееся время до прибытия в точку назначения
• ZDA - Дата и время.

Некоторые из NMEA сообщений могут содержать одинаковые поля данных, либо полностью содержать данные других, меньших по размеру, NMEA сообщений.

Содержание NMEA сообщений

GGA - информация о фиксированном решении.
Самое популярное и наиболее используемое NMEA сообщение с информацией о текущем фиксированном решении - горизонтальные координаты, значение высоты, количество используемых спутников и тип решения.

$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,*47
где:

• GGA - Заговолок
• 123519 -UTC время 12:35:19
• 4807.038, N - Широта, 48 градусов 7.038 минуты северной широты
• 01131.000, Е - Долгота, 11 градусов 31.000 минуты восточной долготы
• 1 - тип решение, StandAlone решение
  • 0 - нет решения,
  • 1 - StandAlone,
  • 2 - DGPS,
  • 3 - PPS,
  • 4 - фиксированный RTK,
  • 5 - не фиксированный RTK,
  • 6 - использование данных инерциальных систем,
  • 7 - ручной режим,
  • 8 - режим симуляции
• 08 - количество используемых спутников
• 0.9 - геометрический фактор, HDOP
• 545.4, М - высота над уровнем моря в метрах
• 46.9, М - высота геоида над эллипсоидом WGS 84
• [пустое поле] - время прошедшее с момента получения последней DGPS поправки. Заполняется при активизации DGPS режима
• [пустое поле] - идентификационный номер базовой станции. Заполняется при активизации DGPS режима.

GSA - общая информация о спутниках.
Это NMEA сообщение содержит список спутников, используемых в подсчете позиции и значения геометрических факторов DOPs, определяющих точность подсчете позиции. Параметры DOP определяются геометрическим расположением спутников на небе. Чем лучше «распределены» на небе спутники, тем меньше DOP и тем лучше точность позиции. Минимальное значение PDOP (= 1) соответствует ситуации, когда один спутник находится строго над пользователем, а другие 3 равномерно распределены вокруг на уровне горизонта. Значение PDOP вычисляется, как квадратный корень из суммы квадратов HDOP и VDOP.

$GPGSA,A,3,04,05,09,12,24,2.5,1.3,2.1*39
где:

• GSA - заголовок
• А - тип выбора между 2D и 3D решениями, Автоматический (A-auto, M-manual)
• 3 - тип решения, 3D решение (1 - нет решения, 2 - 2D решение, 3 - 3D решение)
• 04,05… - PRN коды используемых в подсчете позиции спутников (12 полей)
• 2.5 - пространственный геометрический фактор, PDOP
• 1.3 - горизонтальный геометрический фактор, HDOP
• 2.1 - вертикальный геометрический фактор, VDOP

GSV - Детальная информация о спутниках
Это NMEA сообщение содержит детальную информацию для всех отслеживаемых навигатором GPS спутников. Исходя из ограничения в 80 символов в составе одного NMEA сообщения могут передаваться данные только для 4-х спутников. Соответственно для 12 спутников требуется 3 сообщения GSV.
Поле SNR (Signal to Noise Ration) содержит значения уровней, принимаемых со спутников, навигационных сигналов. Теоретически его значение может варьироваться от 0 до 99 и измеряется в dB. Фактически уровень сигнала лежит в диапазоне 25 …35 dB. Здесь стоит отметить, что данный параметр не является абсолютным и не подходит для сравнения чувствительности приемников разных моделей и производителей. В GPS навигаторах могут использоваться различные алгоритмы вычисления уровня принимаемого сигнала, что приводит к разным результатам при равной степени чувствительности приемников.
Для каждого видимого GPS спутника передается набор информации, включающий уровень сигнала, угол возвышения и азимут спутника. Количество этих «наборов» определяется общем количеством видимых спутников, значение которого передается в отдельном поле.

$GPGSV,2,1,08,01,40,083,46,02,17,308,41,12,07,344,39,14,22,228,45*75
где:

• GSV - заголовок
• 2 - количество сообщений GSV в пакете
• 1 - номер сообщения в пакете (от 1 до 3)
• 08 - количество видимых спутников
• 01 - номер спутника
• 40 - угол возвышения, в градусах
• 083 - азимут в градусах
• 46 - SNR, уровень сигнала

RMC - рекомендованный минимальный набор GPS данных
Это NMEA сообщение содержит весь наборы, так называемых «PVT» данных. «PVT» - общепринятое сокращение от «position, velocity, time» (позиция, скорость, время).

$GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4,084.4,230394,003.1,W*6A

• RMC - заголовок
• 123419 - UTC время, 12:34:59
• А - статус (А- активный, V- игнорировать)
• 4807.038,N - Широта, 48 градусов 07.038 минут северной широты
• 01131.000,Е - Долгота, 11 градусов 31.000 минута восточной долготы
• 022.4 - Скорость, в узлах
• 084.4 - Направление движения, в градусах
• 230394 - Дата, 23 марта 1994 года
• 003.1,W - Магнитные вариации

GLL - данные широты и долготы

NMEA сообщение со значением координат широты и долготы, и времени когда было вычислено это решение.

$GPGLL,4916.45,N,12311.12,W,225444,A,*31

• GLL - заголовок
• 4916.46,N - широта, 49 градусов 16.45 минут северной широты
• 12311.12,W-долгота, 123 градуса 11.12 минут западной долготы
• 225444 - Время фиксации в шкале времени UTC, 22:54:44

В OD - Азимут на пункт назначения
Это NMEA сообщение указывает азимут на точку назначения в режиме навигации.

$GPBOD,045.,T,023.,M,DEST,START*01

• BOD - заголовок
• 045.,T - истинное направление на точку
• 023.,M - магнитное направление на точку
• DEST - идентификационный номер конечной точки
• START - идентификационный номер начальной точки

$GPRMB,A,0.66,L,003,004,4917.24,N,12309.57,W,001.3,052.5,000.5,V*20

• RMB - заголовок
• А - Тип данных, (А - активные, V - игнорировать)
• 0.66,L - отклонение от трека. Параметра определен в морских милях. (L -влево, R-вправо)
• 003 - идентификационный номер начальной точки
• 004 - идентификационный номер конечной точки
• 4917.24,N - значение широты конечной точки, 49 градусов 17.24 минуты северной широты
• 12309.57,W - значение долготы конечной точки, 123 градуса 09.57 минут западной долготы
• 001.3 - расстояние до точки, в морских милях
• 052.5 - направление на точку
• 000.5 - скорость, в узлах
• V - информация о прибытии (А - прибытие, V - точка еще не достигнута)

RTE - Маршрутная информация

NMEA сообщение RTE выводит список путевых точек активного маршрута. Есть два типа сообщений RTE. В первом случае, отображаются все точки маршрута. Во втором, только список оставшихся точек, которые еще предстоит посетить при движении по маршруту. Учитывая, что в NMEA протоколе есть ограничение, по которому длина сообщение не должна превышать 80 символов, сообщение RTE может состоять из нескольких строк.

$GPRTE,2,1,c,0,W3IWI,DRIVWY,32CEDR,32-29,32BKLD,32-I95,32-US1,BW-32,BW-198*69

• RTE - заголовок
• 2 - общее количество сообщений для отображения полного списка данных
• 1 - номер сообщения из общего списка
• с - тип RTE сообщения (с - полный список точек маршрута, w - список точек, которые еще предстоит посетить)
• 0 - идентификатор маршрута
• W3IWI,DRIVWY,.. - список путевых точек

Особенности Garmin

Приемники Garmin поддерживают большинство сообщений NMEA, содержащие GPS измерения, координаты и время - GGA, GLL, GSA, GSV, RMC. А также навигационные сообщения - RMB, BOD

Для вывода этих сообщений необходимо в настройках приемника изменить интерфейс с «Garmin» на «NMEA» и возможно установить нужную скорость. Эту же скорость необходимо установить в навигационной программе в настройках последовательного порта к которому подключается навигатор.

К сожалению, приемники с USB -портом не поддерживают NMEA протокол, ограничивая его настройки только протоколом «Garmin»

Для вывода информации поступающей в последовательный порт компьютера можно воспользоваться терминальной программой Windows, либо одной из навигационных программ поддерживающих такую возможность.

Ниже представлен список NMEA сообщений приемника Garmin eMap, которые содержаться в составе одной эпохи.

$GPRMC,135412,A,5522.8973,N,03710.1401,E,0.0,0.0,190507,9.3,E,A*1F

$GPRMB,A,,A,A*0B

$GPGGA,135412,5522.8973,N,03710.1401,E,1,04,5.4,205.2,M,15.8,M,*4A

$GPGSA,A,3,08,13,23,25,5.7,5.4,1.0*3C

$GPGSV,3,1,11,02,15,267,00,03,11,085,45,04,05,236,00,08,39,233,00*77

$GPGSV,3,2,11,10,32,308,00,13,63,109,43,16,17,037,00,23,31,111,38*77

$GPGSV,3,3,11,24,09,343,00,25,66,077,44,27,69,229,00*46

$GPGLL,5522.8973,N,03710.1401,E,135412,A,A*43

$GPBOD,T,M,*47

$PGRME,19.1,M,15.2,M,25.3,M*15

$ PGRMZ,673, f,3*19

$ PGRMM, WGS 84*06

В дополнение к стандартным NMEA сообщениям, в приемниках Garmin реализован собственный набор сообщений, каждое из которых в заголовке содержит префикс «GRM», идентификатор «М» или «Z», определяющий тип данных, и один символ для названия.

PGRME - оценка ошибки позиционирования

$PGRME,15.0,M,45.0,M,25.0,M*1C

• 15.0,М - оценка горизонтальной ошибки позиционирования, в метрах
• 45.0,М - оценка вертикальной ошибки, в метрах
• 25.0,М - эквивалентная сферическая ошибка позиционирования

PGRMZ - измерения высоты

$PGRMZ,93,f,3*21

• 93,f - значение высоты, в фунтах
• 3 - условия измерения позиции (2 - высота, определенная пользователем, 3 - высота, вычисленная GPS)

PGRMM - текущий датум

$PGRMM,NAD27 Canada*2F

• NAD27 Canada - название текущего горизонтального датума

Особенности Sirf

GPS чипы компании «Sirf» используются в различном навигационном GPS оборудовании, начиная от обычных плат, заканчивая портативными и автомобильными GPS навигаторами. Но в отличие от навигаторов, они поддерживают только NMEA сообщения связанные с GPS измерениями, вычислением позиции и времени - GGA, GLL, GSA, GSV, RMC, VTG, ZDA.

«Sirf» поддерживает также несколько «входящих» NMEA сообщений, предназначенных для конфигурации и настройки различных параметров. В дополнение, в «Sirf» реализован собственный бинарный протокол, который позволяет изменить значительно больше настроек. Эти 5 «входящих» NMEA сообщений в соответствии с правилами начинают с префикса $PSFR. Все сообщения содержат фиксированный набор данных и заканчиваются символом «n» (перевод строки)

Для конфигурации параметров «Sirf» используется специальная программа «SirfTech». Настройка параметров NMEA сообщение осуществляется в отдельном пункте меню.

$GPGGA,100643.000,5522.9036,N,03710.1282,E,1,07,1.6,209.9,M,14.9,M,0000*52

$GPGSA,A,3,31,01,23,20,11,30,14,2.1,1.6,1.4*35

$GPGSV,3,1,12,20,84,187,41,01,49,067,46,23,46,238,45,31,45,073,50*7B

$GPGSV,3,2,12,11,25,194,34,13,16,240,04,15,319,30,17,14,273,21*7A

$GPGSV,3,3,12,30,10,026,33,14,05,063,22,05,04,009,25,25,03,195,*7F

$GPRMC,100643.000,A,5522.9036,N,03710.1282,E,0.16,119.11,200507,*0D

Как видно из приведенного примера, «заводские» установки содержат меньшее количество NMEA сообщений по сравнению с настройками Garmin. При необходимости этот набор можно расширить, установив период в недостающих NMEA сообщений.

$GPGGA,100833.000,5522.9076,N,03710.1270,E,1,07,1.3,222.4,M,14.9,M,0000*53

$GPGLL,5522.9076,N,03710.1270,E,100833.000,A*34

$GPGSA,A,3,31,01,23,20,11,30,17,2.1,1.3,1.6*31

$GPGSV,3,1,12,20,84,180,43,01,49,067,47,23,47,238,45,31,45,072,49*77

$GPGSV,3,2,12,11,24,193,26,13,16,240,26,04,15,319,24,17,13,273,31*78

$GPGSV,3,3,12,30,10,025,26,14,04,064,22,25,04,195,05,04,008,21*7C

$GPRMC,100833.000,A,5522.9076,N,03710.1270,E,0.18,4.86,200507,*00

$GPVTG,4.86,T,M,0.18,N,0.3,K*60

$GPZDA,100834.000,20,05,2007,*5A

PSFR100, PSFR102 - конфигурация последовательных портов

NMEA сообщение под номером 100 служит для установки порта А, сообщение 102 - порта В. Сообщение 100 имеет дополнительное поле, которое позволяет переключить интерфейс в бинарный Sirf протокол.

Соответственно, в бинарном протоколе существует команда, которая переключает порт обратно в NMEA формат. Прежде чем переключится в бинарный протокол, необходимо понять, если ли программа которая в дальнейшем позволит восстановить NMEA протокол.

$PSRF100,0,9600,8,1,0*0C

$PSRF102,9600,8,1,0*3C

• PSRF100 - заголовок
• 0 - параметр, указывающий в каком режиме был изменен протокол (0-Sirf, 1-NMEA)
• 9600 - скорость порта (4800, 9600, 19200, 38400)
• 8 - биты данных (7, 8)
• 1 - стоп-биты (0,1)
• 0 - парность (0 - нет, 1-нечетная, 2-четная)

PSFR101, PSFR104 - инициализация параметров приемника

NMEA сообщения под номерами 101 и 104 предназначены для инициализации параметров, предназначенных для GPS приема. Определение этих параметров может ускорить время захвата GPS спутников. Сообщение 101 устанавливает текущие координаты в формате XYZ, сообщение 104 - в формате BLH (долгота, широта).

$PSRF101,-2686700,-4304200,3851624,95000,497260,921,12,3*22

$PSRF104,37.3875111,-121.97232,0,95000,237759,922,12,3*3A

• PSRF101 - заголовок
• 37.3875111 - широта в градусах
• -121.97232 - долгота в градусах
• 0 - высота, в метрах
• 95000 - сдвиг часов
• 237759 - GPS время, в секундах
• 922 - номер GPS недели
• 12 - количество каналов
• 3 - тип инициализации данных (1 - горячий старт, 2 - теплый старт, 3 - инициализация данных, 4 - холодный старт с полной очисткой данных, 8 - холодный старт с восстановлением заводских настроек)

PSFR103 - конфигурация генерации NMEA сообщений

Это NMEA сообщение позволяет установить или запросить период генерации каждого «исходящего» NMEA сообщения.

$PSRF103,05,00,01,01*20

• PSRF103 - заголовок
• 05 - название сообщения
  • 00 - GGA
  • 01 - GLL
  • 02 - GSA
  • 04 - RMS
  • 05 - VTG
• 00 - режим (0 - установка периода, 1 - запрос)
• 01 - период, в секундах (0-255)
• 01 - наличие чексуммы (0- да, 1 - нет)

Результаты эксперимента

В условия нормальной видимости спутников, приемник Garmin eMap выдает следующий набор NMEA сообщений:

$GPRMC,104644,A,5522.8965,N,03710.1389,E,0.0,0.0,200507,9.3,E,A*16

$GPRMB,A,,A,A*0B

$GPGGA,104644,5522.8965,N,03710.1389,E,1 ,07 ,1.2,186.6,M,15.8,M,*44

$GPGSA,A,3,01,04,13,16,20,23,31,2.1,1.2,1.7*35

$GPGSV,3,1,10 ,01,34,070,48,04,28,311,40,11,10,190,00,13,32,249,41*7E

$GPGSV,3,2,10 ,16,11,111,40,20,68,142,50,23,64,247,49,25,21,196,00*70

$GPGSV,3,3,10 ,30,05,012,00,31,36,055,52*7D

$GPGLL,5522.8965,N,03710.1389,E,104644,A,A*40

$GPBOD,T,M,*47

$PGRME,6.0 ,M,7.7,M,9.8,M*29

$PGRMZ,612,f,3*1E

$PGRMM,WGS 84*06

$GPRTE,1,1,c,*37

Из анализа сообщений видно, что в на текущий момент приемником отслеживается 10 (GSV) спутников, из которых 7 (GGA) используются в подсчете позиции. Горизонтальная ошибка позиционирования при этом равняется 6 метрам (RME), а индикатор типа решения - 1 (GGA)

Если создать условиях, при которых GPS сигнал не будет приниматься, то сообщения GGA будут содержать «пустые» поля, а индикатор типа решения примет значение 0 (GGA)

$GPGGA,0 ,00,M,M,*66

$GPGSA,A,1,,*1E

В «нормальном» режиме сообщения RMB и BOD содержат пустые поля. После того, как в качестве конечной точки назначения была выбрана путевая точка «Дорога», эти поля «наполнились» данными. Как следует из анализа сообщение, расстояние до точки - 1.620 миль, азимут движения - 6.3 градуса (BOD). При этом, азимут сообщений BOD и RMB отличается на 0.1 градус.

$GPRMB,A,0.00,R,Дорога ,5524.501,N,03710.445,E,1.620 ,6.4 ,V,A*59

$GPBOD,6.3 ,T,357.0,M,Дорога,*74

После того, как для навигации был выбран маршрут «Home» в списке сообщения RTE отобразился список всех путевых точек маршрута. А в сообщении RMВ - идентификационные номера начальной и конечной (очередной) точек маршрута.

$GPRTE,1,1,c,HOME,SLOBODA,IERUSALIM,INSTITUT*01

$GPRMB,A,9.99,R,SLOBOD,IERUSAL,5555.237,N,03649.976,E,34.346,340.6,V,A*1F

Заключение

В большинстве случаев, пользователю не нужно, да и не интересно знать, какие данные и в каких полях передаются. Большинство навигационных программ «разбирают» данные NMEA сообщений и представляют их в удобном для пользователя виде - графики, схемы, таблицы и т.п.

Особый интерес представляют NMEA сообщения для пользователей, которые хотели бы провести исследования GPS данных, вычислить оценку полученных измерений, либо проанализировать поведения навигационных приемников в различных условиях. Есть целый ряд программ, с помощью которых можно решать эти задачи.

Н о все же, для глубокого анализа GPS данных, формат NMEA не предназначен, так как не содержит так называемые «сырые» измерения - псевдодальности, фазы, допплер. Каждый производитель навигационной аппаратуры имеет свой «открытый» или «закрытый» протокол, который выводит эту информацию

NMEA - это простой и понятный формат, который позволяет не только обеспечить обмен данными между GPS приемниками и навигационными программами, но и дает пользователям некоторое представление о принципах работы спутниковой навигационной аппаратуры

NMEA 0183 – текстовый протокол связи, используемый в приемных модулях GPS. Этот стандарт был создан для связи морского навигационного оборудования. Протоколом предусмотрена передача текстовых команд и сообщений посредством ASCII символов. Таким образом, для приема сообщений достаточно использовать последовательный интерфейс UART, при этом все сообщения можно передавать непосредственно на компьютер, используя для этого COM-порт, но не забывая о необходимости преобразования уровней сигналов.

Модуль GPS передает сообщения разного формата, содержащие различный набор данных: широта и долгота, скорость, курс, время, количество спутников и т.д. Сообщения передаются последовательно и делятся на несколько видов, формат каждого вида сообщений содержит в своих полях строго определенную информацию. Рассмотрим подробней общую структуру сообщений, которые выдает модуль GPS.

$ - с этого символа начинается каждое сообщение

Далее следует идентификатор из 5 текстовых символов. Первые две буквы обозначают тип навигационной системы, например «GP» - GPS или «GL» - Глонасс и т.д. Следующие 3 символа – это идентификатор формата сообщения, который полностью определяет содержимое последующих переданных данных. Например «RMC» - это рекомендованный минимум данных, в котором содержится информация о времени и дате, широте и долготе, скорости, курсе и магнитном отклонении в градусах (может отсутствовать). Или «GSA» , здесь будут переданы данные о спутниках. Структура основных типов сообщений будет рассмотрена ниже.

Затем следует «,» - запятая, после которой уже непосредственно идет тело сообщения с различными данными, которые отделяются друг от друга такой же запятой. Если передаваемое число не целое, то разделителем между целой и дробной частями служит точка «.» .

Конец тела сообщения обозначается символом «*» . Далее следует контрольная сумма всех символов, содержащихся между «$» и «*», то есть всего тела сообщения, включая и сами данные и идентификаторы в начале сообщения. Контрольная сумма вычисляется как XOR (исключающее ИЛИ) всех шестнадцатеричных кодов ASCII символов сообщения.

И в самом конце каждого сообщения обязательно следуют символы перевода строки

Рассмотрим назначение и структуру различных типов сообщений.

RMC – рекомендованный минимум навигационных данных. Сообщение содержит минимально необходимое количество информации. Это данные о широте и долготе, дате и времени, скорости. Для многих задач большего и не надо, например, в модуле Quectel L50 я отключил передачу всех других типов сообщений, поскольку информация о спутниках и уровне их сигналов мне абсолютно не нужна. А прием излишней информации требует усложнения программы обработки этих данных. Структура сообщения такая:

$GPRMC, hhmmss.sss ,A, ddmm.mmmm ,N, ddmm . mmmm , E ,v.v, c . c , ddmmyyyy ,x.x,n, m *hh

Это сообщение содержит следующие данные:

• GPRMC – спутниковая система GPS, идентификатор сообщения RMC
• hhmmss.sss – время (по Гринвичу), где hh – часы, mm – минуты, ss.sss – секунды
• A – данные достоверны или V – данные недостоверны. Символ A в сообщении будет при уверенном приеме сигналов со спутников, необходимом для вычисления данных о местоположении. Символ V будет, когда приемник не увидит спутников или когда количество найденных спутников недостаточно для уверенного расчета координат. Например, если вы включите модуль GPS где-то панельном доме и на удалении от окон, скорее всего вы увидите символ V в принятом сообщении.
• ddmm.mmmm – широта, градусы и минуты
• N или S – север или юг. Полушарие, в котором вы находитесь. Если вы находитесь в Австралии, то покажет S . У меня в Екатеринбурге модуль GPS выдает N .
• ddmm.mmmm – долгота, градусы и минуты
• E или W – западное или восточное полушарие
• v.v – скорость в узлах
• c . c – курс над землей в градусах. При движении строго на север будет 0 градусов.
• ddmmyyyy – дата
• x.x – магнитное склонение
• n – направление магнитного склонения. По этим двум последним параметрам ничего разъяснить не смогу. Например, мой модуль GPS Quectel L50 при приеме в квартире на окне эти данные не показывал вовсе, просто пропускал.
• m – режим навигации: N – недостоверные данные, A – автономный, D – дифференциальный

Вот пример сообщения RMC:

$GPRMC,105954.000,A,3150.6731,N,11711.9399,E,0.00,96.10,250313,A*53

• Время по Гринвичу 10ч 59м 54сек
• A – данные достоверны
• Широта 31 градус и 50.6371 минут
• N – северная
• Долгота 117 градусов 11.9399 минут
• E – восточная
• Скорость 0.00 узлов
• Курс 96.1 градусов
• Дата 25 марта 2013 года
• Данные о магнитном склонении отсутствуют
• Режим – автономный
• Контрольная сумма символов сообщения 0×053

Здесь необходимо отметить один нюанс. Данные о широте и долготе содержат дробную часть минут, которая вовсе не соответствует количеству «секунд», поскольку является десятичной дробью. Те программы для работы с GPS, которые я пробовал, показывают координаты на карте точно. Но если ввести эти числа в строку поиска Google maps, то местоположение на карте получится в нескольких километрах от действительного. При вводе полученных координат в этом случае необходимо поделить дробную часть широты и долготы на 60, чтобы перевести эти числа в «секунды». При первом подключении модуля Quectel L50 и вводе полученных координат широты и долготы в строку поиска Google maps, я получил положение на карте со значительной погрешностью, на карте обозначилось место где-то в районе Уралмаша.

Вот еще некоторые типы сообщений, используемые в данном протоколе:

• VTG - истинное направление курса и скорость относительно земли
• GGA - данные о последнем определении местоположения
• GSA - данные об активных спутниках
• GSV - данные о видимых спутниках, их положении и номерах, а также уровне сигнала
• GLL - данные о широте, долготе и времени
• ZDA - данные о времени и дате

Я не стал подробно разбирать из чего состоит каждое сообщение, ссылка на документ с описанием протокола приведена в конце статьи. Конкретный тип GPS модуля может передавать не все данные из приведенных. Можно отключить или включить передачу различных типов данных, а также настроить период их выдачи. Для настройки модуля существуют специальные команды, которые начинаются с идентификатора $PSRFxxx , где xxx определяет тип и формат команды, точно так же как в исходящих сообщениях.

Например, команда $PSRF100,0,9600,8,1,0*0C задает протокол обмена и настраивает параметры последовательного порта.

• $PSRF100 – идентификатор команды собственного протокола SIRF
• 0 – бинарный протокол SIRF, 1 – протокол NMEA
• 9600 – скорость бит/сек
• 8 бит данных
• 1 стоп-бит
• 0 – проверка на четность отключена

Команда $PSRF103,00,00,02,01*26 настраивает параметры вывода различных типов сообщений модуля:

• $PSRF103 – идентификатор команды собственного протокола SIRF
• далее после запятой идут две цифры, которые определяют тип настраиваемого сообщения:00 - GGA
  01 - GLL
  02 - GSA
  03 - GSV
  04 - RMC
  05 - VTG
• следующие две цифры настраивают порядок выдачи сообщений, например:00 - периодически
  01 - по запросу
• следующие цифры задают период выдачи сообщений в секундах:00 = Off (сообщения отключены)
  1-255 – интервал между сообщениями данного типа в секундах
• далее включается/отключается передача контрольной суммы в сообщении NMEA, передаваемом модулем:00 – передача контрольной суммы отключена
  01 – контрольная сумма передается
• после символа “*”, как и в исходящем сообщении NMEA, передаются контрольная сумма и символы перевода строки.

Вот и все, что хотелось вкратце изложить о протоколе NMEA 0183 и командах управления модулем на чипсете SIRF. Более подробно расшифровка всех этих сообщений и команд приведена, например, в описании протокола модуля Quectel L50, который можно загрузить по ссылке ниже.