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关于ARM-Linux平台下GPS信号的采集探究
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2017-10-27
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定位和导航是很多便携移动设备以及汽车电子设备的重要功能之一，所以GPS在上述设备中得到了广泛的应用。基于ARM-Linux的嵌人式平台以其开放性、安全性、健壮性和稳定性越来越成为各种便携设备和车载导航设备的主要开发平台。如何实现GPS模块和嵌人式ARM-Linux平台之间的通信成了实现系统定位导航的基础。
本文主要研究GPS模块与ARM-Linux平台之间采用异步串行传送方式进行数据传送的问题，利用多线程编程技术实现GPS信号采集与处理，并介绍了一种WGS坐标向地方坐标的转换方法。与GPS通信可选的协议有很多种，目前普遍采用的是NMEA-0183通信协议。
1 NMEA-0183通信协议
NMEA-0183协议［1］是为了在不同的GPS导航设备中建立统一的海事无线电技术委员会（BTCM）标准，由美国国家海洋电子协会NMEA（National Marine Electronics Association）制定的通信协议，其中规定了海用和陆用GPS接收设备输出的定位位置数据、时间、卫星状态、接收机状态等信息。除NMEA-0183协议之外，还有差分用的RTCMSC-104格式，各个厂商互不兼容的二进制格式等，但以NMEA-0183使用最广泛。为实现ARM-LINUX平台与GPS之间的通信，应清楚协议规定的GPS输出的数据格式和报文。NMEA-0183规定的格式如下：
波特率：4 800 b/s
数据位：8 bit
奇偶校验：无
开始位：1 bit
停止位：1 bit
报文格式：报文的语句串（十进制ASCII码）格式全部信息如图1。
图1中具体内容：＄为串头，表示串开始；GP为交谈识别符。XXX为语句名，NMEA规定的常用语句有以下6种：GGA，卫星定位信息；GLL，地理位置-经度和纬度；GSA，GNSS DOP偏差信息，说明卫星定位的信号的优劣情况；GSV，GNSS天空范围内的卫星；RMC，最基本的GNSS信息，指能够达到定位目的的基本信息等语句。ddd为数据字段，字母或数字，“，”为域分隔符；*表示串尾；hh表示＄与*之间所有字符代码的校验和；为回车控制符；为换行控制符。
在实际的GPS应用中，并不会用到NMEA的全部信息，而是根据具体的需要，从中选取有用的信息，忽略其余的信息内容。下面以GPRMC语句为例来介绍。该语句包含时间、日期、方位、速度和磁偏角等信息，基本上可以满足一般的导航需求。GPRMC语句的结构为：＄GPRMC，《1》，《2》，《3》，《4》，《5》，《6》，《7》，《8》，《9》，《10》，《11》，*hh。
数据区说明如下：
（1）UTC时间，hhmmss.sss（时分秒。毫秒）格式；
（2）定位状态，A=有效定位，V=无效定位；
（3）纬度ddmm.mmmm （度分）格式（前面的0也将被传输）；
（4）纬度半球N（北半球）或S（南半球）；
（5）经度dddmm．mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）；
（6）经度半球E（东经）或W（西经）；
（7）地面速率（000．0～999.9节，前面的0也将被传输）；
（8）地面航向（000.0～359．9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输）；
（9）UTC日期，ddmmyy（日月年）格式；
（10）磁偏角（000．0～180．0度，前面的0也将被传输）；
（11）磁偏角方向，E（东）或W（西）。
本文主要研究GPS模块与ARM-Linux平台之间采用异步串行传送方式进行数据传送的问题，利用多线程编程技术实现GPS信号采集与处理，并介绍了一种WGS坐标向地方坐标的转换方法。与GPS通信可选的协议有很多种，目前普遍采用的是NMEA-0183通信协议。
1 NMEA-0183通信协议
NMEA-0183协议［1］是为了在不同的GPS导航设备中建立统一的海事无线电技术委员会（BTCM）标准，由美国国家海洋电子协会NMEA（National Marine Electronics Association）制定的通信协议，其中规定了海用和陆用GPS接收设备输出的定位位置数据、时间、卫星状态、接收机状态等信息。除NMEA-0183协议之外，还有差分用的RTCMSC-104格式，各个厂商互不兼容的二进制格式等，但以NMEA-0183使用最广泛。为实现ARM-LINUX平台与GPS之间的通信，应清楚协议规定的GPS输出的数据格式和报文。NMEA-0183规定的格式如下：
波特率：4 800 b/s
数据位：8 bit
奇偶校验：无
开始位：1 bit
停止位：1 bit
报文格式：报文的语句串（十进制ASCII码）格式全部信息如图1。
图1中具体内容：＄为串头，表示串开始；GP为交谈识别符。XXX为语句名，NMEA规定的常用语句有以下6种：GGA，卫星定位信息；GLL，地理位置-经度和纬度；GSA，GNSS DOP偏差信息，说明卫星定位的信号的优劣情况；GSV，GNSS天空范围内的卫星；RMC，最基本的GNSS信息，指能够达到定位目的的基本信息等语句。ddd为数据字段，字母或数字，“，”为域分隔符；*表示串尾；hh表示＄与*之间所有字符代码的校验和；为回车控制符；为换行控制符。
在实际的GPS应用中，并不会用到NMEA的全部信息，而是根据具体的需要，从中选取有用的信息，忽略其余的信息内容。下面以GPRMC语句为例来介绍。该语句包含时间、日期、方位、速度和磁偏角等信息，基本上可以满足一般的导航需求。GPRMC语句的结构为：＄GPRMC，《1》，《2》，《3》，《4》，《5》，《6》，《7》，《8》，《9》，《10》，《11》，*hh。
数据区说明如下：
（1）UTC时间，hhmmss.sss（时分秒。毫秒）格式；
（2）定位状态，A=有效定位，V=无效定位；
（3）纬度ddmm.mmmm （度分）格式（前面的0也将被传输）；
（4）纬度半球N（北半球）或S（南半球）；
（5）经度dddmm．mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）；
（6）经度半球E（东经）或W（西经）；
（7）地面速率（000．0～999.9节，前面的0也将被传输）；
（8）地面航向（000.0～359．9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输）；
（9）UTC日期，ddmmyy（日月年）格式；
（10）磁偏角（000．0～180．0度，前面的0也将被传输）；
（11）磁偏角方向，E（东）或W（西）。
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