模块略览——GPS 与 NMEA 0183 协议

💬 前言

手头很多电子模块啥的，但多数都不会时常使用，每次要用到的时候再寻找一边文档什么的略麻烦了些，故作此系列简记之。

本文略览的是 GPS 传感器。GPS 传感器一般采用串口通信与上位机进行通信，而且不论是什么型号的传感器，基本都符合一个标准——NMEA 0183，所以说不论你买到的是什么模块，基本都可以适用本文的方法。

📡 NMEA 0183 协议关于 GPS 的部分简述

格式

$[语句],[数据]*[校验和]<CR><LF>

而语句的部分，由两部分组成：

[数据来源][句子类型]

数据来源而言有GP，BD，GN等，分别代表 GPS，北斗，多系统组合。
语句类型将在下方分别介绍。

GGA——GPS定位信息

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh<CR><LF>

UTC 时间，hhmmss（时分秒）格式
纬度 ddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输）
纬度半球 N（北半球）或 S（南半球）
经度 dddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输）
经度半球 E（东经）或 W（西经）
GPS 状态：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算
正在使用解算位置的卫星数量（00~12）（前面的 0 也将被传输）
HDOP 水平精度因子（0.5~99.9）
相对于 WGS84 椭球面的高度（HAE, Height Above Ellipsoid）（-9999.9~99999.9）
地球椭球面（前者的基准）相对大地水准面（地球重力场等势面，近似的）的高度（N, Geoid Heigh）
差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空
差分站 ID 号 0000~1023（前面的 0 也将被传输，如果不是差分定位将为空）

比如这么一句语句：

$GPGGA,183457.00,4545.34205,N,00450.60258,E,1,05,2.13,164.1,M,47.4,M,,*58

意思就是 18:34:57 (UTC) 的时候，在北纬 45°45.34205′，东经 4°50.60258′，定位方式是非差分定位，使用到 5 颗卫星，水平精度因子为 2.13，HAE为 164.1 米，大地水准面高度为 47.4 米（模块根据内置超高阶重力场模型代入经纬度计算得出），经过计算可以得知本地的正常高（就8848代表的那个高度）为 $ H = HAE - N $，为 116.7 米，因为是非差分式定位，所以没有差分数据。~~收起你的好奇心，我直接告诉你这个地理位置是法国里昂第三区(ゝ∀･)，下同。~~

GLL——定位地理信息

$GPGLL,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>*hh<CR><LF>

纬度 ddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输）
纬度半球 N（北半球）或 S（南半球）
经度 dddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输）
经度半球 E（东经）或 W（西经）
UTC 时间，hhmmss（时分秒）格式
定位状态，A=有效定位，V=无效定位
模式指示（仅 NMEA0183 3.00 版本以上输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效，3.01 版本及以上新增了 M=手动输入，S=模拟模式）

比如这么一句语句：

$GPGLL,4545.34205,N,00450.60258,E,183457.00,A,A*6D

重复部分省略，这句话还告诉我们这是一个有效的定位数据，是通过自主定位得出的，说人话就是没用地面参考站修正误差进行差分定位。

RMC——推荐定位信息

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh<CR><LF>

UTC 时间，hhmmss（时分秒）格式
定位状态，A=有效定位，V=无效定位
纬度 ddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输）
纬度半球 N（北半球）或 S（南半球）
经度 dddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输）
经度半球 E（东经）或 W（西经）
地面速率（000.0~999.9 节，前面的 0 也将被传输）
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）
UTC 日期，ddmmyy（日月年）格式
磁偏角（000.0~180.0 度，前面的 0 也将被传输）
磁偏角方向，E（东）或 W（西）
模式指示

比如这么一句语句：

$GPRMC,183457.00,A,4545.34205,N,00450.60258,E,1.159,,110524,,,A*7B

重复部分省略，换算过后地面速率约为 2.15 km/h（0.60 m/s），但其实我没动，所以这个属于误差。

VTG——地面速度信息

$GPVTG,<1>,T,<2>,M,<3>,N,<4>,K,<5>*hh<CR><LF>

以真北为参考基准的地面航向（000~359 度，前面的 0 也将被传输）
以磁北为参考基准的地面航向（000~359 度，前面的 0 也将被传输）
地面速率（000.0~999.9 节，前面的 0 也将被传输）
地面速率（0000.0~1851.8 公里/小时，前面的 0 也将被传输）
模式指示

比如这么一句语句：

$GPVTG,,T,,M,1.159,N,2.147,K,A*2F

可以发现，这里相较于上面一类语句还贴心地给你换算了一下。

GSA——当前卫星信息

`$GPGSA,<1>,<2>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh

模式，M=手动，A=自动
定位类型，1=没有定位，2=2D 定位，3=3D 定位
PRN 码（伪随机噪声码），即正在用于解算位置的卫星号（01~32，前面的 0 也将被传输）。
PDOP 位置精度因子（0.5~99.9）
HDOP 水平精度因子（0.5~99.9）
VDOP 垂直精度因子（0.5~99.9）

比如这么一句语句：

$GPGSA,A,3,04,02,09,03,31,,,,,,,,3.14,2.13,2.31*0A

表示处于自动模式，自动选择了 3D 定位（在经纬度地基础上，还获取了高度，至少需要四颗卫星），正在用于定位地卫星编号为 04，02，09，03，31，水平精度略好于垂直精度，整体精度因子为 3.14。

GSV——可见卫星信息

$GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,…<4>,<5>,<6>,<7>*hh<CR><LF>

GSV 语句的总数
本句 GSV 的编号
可见卫星的总数（00~12，前面的 0 也将被传输）
PRN 码（伪随机噪声码）（01~32，前面的 0 也将被传输）
卫星仰角（00~90 度，前面的 0 也将被传输）
卫星方位角（000~359 度，前面的 0 也将被传输）
信噪比（00~99dB，没有跟踪到卫星时为空，前面的 0 也将被传输）

注：4~7将按照每颗卫星进行循环显示，每条 GSV 语句最多可以显示 4 颗卫星的信息。其他卫星信息将在下一序列的 NMEA0183 语句中输出。

比如这么一组语句：

$GPGSV,3,1,12,02,18,148,34,03,52,073,18,04,79,096,13,06,44,309,09*72
$GPGSV,3,2,12,07,01,177,,09,52,218,32,11,06,313,,17,30,231,*7A
$GPGSV,3,3,12,19,37,261,20,21,05,145,,28,04,028,07,31,22,050,11*73

总共有三条语句，总共12颗卫星可见，以语句中第一颗卫星为例，卫星编号为 02，高度角为 18°，方位角为 148°，信噪比为 34 dB。

精度因子（DOP）

这里的精度因子是对卫星相对于接收机地几何分布的一个定量描述，这个几何分布如何影响定位精度呢？如图：

file
file

《GPS原理与接收机设计》

根据这个值可以区分几个等级：

DOP值	等级	含义
1	理想	置信度水平高
2－4	优秀	置信度水平满足所有的应用需求
4－6	良好	置信度水平满足高精度应用需求
6－8	中等	置信度水平满足大部分应用需求
8－20	一般	置信度水平较低，应评估应用风险
20－50	很差	置信度水平很差，基本无法满足应用需求

那么如何通过精度因子推算出精度呢？我们有：$$
误差=\text{DOP}\times基准误差
$$问题就出在这个基准误差，我也不造啊，没查到啊◑﹏◐。不过万能的 ChatGPT 4 告诉我民用设备一般取值 5~10 米。

🧑‍💻 程序设计

上面说了那么多，是要从零开始造轮子吗？那指定不是，Introducing TinyGPS++！

这是一个可以用来解析 GPS 数据的库，我们只需要调用它就可以了。具体的文档可以参考 GitHub 仓库里贴的链接

这里简述一下通用的流程，程序启动串口（或者 SoftwareSerial），然后定期喂数据进TinyGPSPlus类的对象，然后从这个对象里面取数据。也可以自己定义TinyGPSCustom类，来读取并没有被这个库覆盖带的数据（比如卫星数据），这个可以参考官方给出的 Examples。此外，这个库还提供了计算两地大圆距离以及航向的函数。

一个聪明的喂数据的方法是重载（或者新定义）delay 函数。

现在给出一个极简版例程：

#include <TinyGPSPlus.h>
#include <SoftwareSerial.h>

static const int RXPin = 13, TXPin = 14;
static const uint32_t GPSBaud = 9600;

static const double ORIENTALPEARLTOWER_LAT = 121.50566572291831;
static const double ORIENTALPEARLTOWER_LON = 31.244890217260576;

SoftwareSerial ss(RXPin, TXPin);
TinyGPSPlus gps;

static void smartDelay(unsigned long ms);

void setup()
{
    Serial.begin(115200);
    ss.begin(GPSBaud);
}

void loop()
{
    Serial.println("----------------------------------------");
    Serial.println(String(gps.date.year()) + '/' +
                   String(gps.date.month()) + '/' +
                   String(gps.date.day()) + ' ' +
                   String(gps.time.hour()) + ':' +
                   String(gps.time.minute()) + ':' +
                   String(gps.time.second()) + " UTC");
    Serial.println("Latitude: " + String(gps.location.lat()));
    Serial.println("Longitude: " + String(gps.location.lng()));
    Serial.println("To Oriental Pearl Tower (km): " +
                   String(TinyGPSPlus::distanceBetween(
                              gps.location.lat(),
                              gps.location.lng(),
                              ORIENTALPEARLTOWER_LAT,
                              ORIENTALPEARLTOWER_LON) /
                          1000.0));

    smartDelay(1000);

    if (millis() > 5000 && gps.charsProcessed() < 10)
        Serial.println(F("No GPS data received: check wiring"));
}

static void smartDelay(unsigned long ms)
{
    unsigned long start = millis();
    do
    {
        while (ss.available())
            gps.encode(ss.read());
    } while (millis() - start < ms);
}