不同GPS－OEM芯片跨平台混合使用方案

刘庆元，邹 磊

（中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083）

GPS－OEM板因其体积小、功耗低、性能优良而且价格低廉的优势而被广泛使用。然而，由于各种GPS－OEM板的生产厂商不同，其输出的数据包格式也不尽相同，使得不同芯片或者接口的GPSOEM板无法组合使用。虽然美国国家海洋电子协会制定了通用的NMEA－0183协议，但是由于该格式的局限性，无法胜任测量工作［1］。不同GPSOEM芯片有不同的通讯接口，使得芯片的跨平台混合使用变得很困难，而且数据处理程序专一性很强，一旦芯片数据输出格式或者接口发生变化，数据处理程序便无法再使用。

1 解决方案概述

为解决上述矛盾，本文设计编写了服务程序，运行于用户的软件和GPS芯片硬件之间，来统一数据包格式和数据的通讯方式，使得需要GPS观测原始数据的测量型用户能获取到统一的、与芯片无关的、可靠的数据，同时，不需要GPS原始数据的用户还能像以前一样，不受任何影响的使用。

数据处理程序工作模式如图1所示，服务器端处理程序可以运行于任何系统中（可以是计算机，也可以是PDA甚至是单片机），设计有多种数据接收模块，可以接收各种数据，并且按照扩展的NMEA－0183协议转发到固定端口的UDP连接上。用户端程序同样可以运行于各种平台，只要能连接Internet（没有Internet连接时，可以连接本机），便可以接收到GPS观测数据［2］，无需关心数据来自哪一种GPS－OEM芯片，这样就可以实现不同芯片的跨平台使用。

图1 GPS数据处理服务工作模式

2 原始NMEA－0183协议及其局限性

NMEA－0183协议是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）为统一海洋导航规范而制定的标准，是GPS接收机应当遵守的标准协议，也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议［3－4］。

NMEA－0183格式数据串的所有数据都采用ASCII文本字符表示，数据传输以“$”开头，语句头由5个字母组成，前两个一般为“GP”，表示该语句是属于何种系统，后3个字母表示“语句ID”，表示该语句是关于何方面的数据。语句头后是数据体，包含不同的数据体字段，语句末尾为校验码（可选），以回车换行符＜CR＞＜LF＞结束。每行语句最多包含82个字符。数据字段以逗号分隔识别，空字段保留逗号。常用语句及其含义如表1所列。

表1 NMEA－0183协议的语句及含义

然而，NMEA－0183协议常用的定位信息仅能输出定位的最终结果信息，却无法输出GPS的观测数据信息，而对测量来说这恰恰是最重要的数据。

目前一些厂商生产的GPS－OEM芯片可以输出GPS观测数据，比如卫星星历、伪距等数据，但是数据包一般遵守厂商自定义的数据格式，因此，不同芯片的GPS－OEM板便不能通用。当前的GPSOEM测量数据处理程序，由于数据包格式不同，仅能针对特定型号的GPS－OEM板，无法实现不同芯片的混合使用。

综上，不同GPS－OEM厂商定义了不同的数据包，共同遵循的NMEA－0183协议又无法输出GPS测量的全部数据，因此，有必要提出一个相互协调的方案。

3 NMEA－0183协议语句扩展

要扩展NMEA－0183协议满足测量需要，则必须可以输出伪距观测值（目前大多数GPS－OEM板可以输出伪距信息）和卫星星历［5］。本文在保留了原有NMEA－0183协议语句的基础上，按照该协议对语句的要求，增加伪距输出GPPSD语句和卫星星历输出GPEPHF、GPEPHS和GPEPHT语句（星历数据较多，固分3条语句）。一条GPPSD语句可以输出多个伪距信息，但顾忌到数据包长度限制，最多允许3个观测值。卫星星历数据量较大，需要分3个数据包发送，具体格式说明如下：

3.1 GPS伪距语句

格式：$GPPSD，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞＊hh＜CR＞＜LF＞

举 例：$GPPSD，2，15，528348，24158712.5312，22，528348，20437393.1094＊A3

＜1＞、本条语句包含的伪距个数

＜2＞、GPS卫星SV编号

＜3＞、伪距测量时间

＜4＞、卫星到接收机的伪距

3.2 GPS卫星星历语句1

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

举 例：$GPEPHF，02，5.1840E＋05，5.153691E＋03，8.247306E－03，3.041002E－01，－6.05476E－01＊7B

＜1＞、GPS卫星SV编号；

＜2＞、参考时间toe；

＜4＞、轨道偏心率e；

＜5＞、参考时刻的轨道倾角i0；

＜6＞、参考时刻平近点角M0。

3.3 GPS星历语句2

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

举 例：$GPEPHS，02，9.525346E－01，－8.267319E－01，1.439048E－09，－2.56977E－09，2.53049E－06＊5C

＜1＞、GPS卫星SV编号；

＜2＞、近地点角距ω；

＜3＞、参考时刻的升交点赤经Ω0；

＜4＞、卫星平均角速度的改正数Δn；

＜5＞、升交点赤经变化率Ω－dot；

＜6＞、升交点正弦调和改正数Cus。

3.4 GPS星历语句3

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

举例：$GPEPHF，02，－9.16621E－07，－6.22543E－08，－1.89728E－08，－5.65938E＋01，2.21313E＋02＊2F

＜1＞、GPS卫星SV编号；

＜2＞、升交点余弦调和改正数Cuc；

＜3＞、轨道倾角正弦调和改正数Cis；

＜4＞、轨道倾角余弦调和改正数Cic；

＜5＞、轨道半径正弦调和改正数Crs；

＜6＞、轨道半径余弦调和改正数Crc。

4 数据包格式转换及转发

不同GPS－OEM板发送的数据包所遵守的协议不同，必须要将其转换为扩展的NMEA－0183协议，统一不同GPS－OEM板是数据输出接口。用户程序仅需要按照扩展的NMEA－0183格式来解析数据包，就可以获取需要的数据，而无需知道GPS－OEM板原始的数据格式。

服务端程序通过通用的TCP/IP协议中用户数据包协议（UDP）来转发数据包。UDP是一个简单的面向数据包的传输层协议，为网络层以上和应用层以下提供了一个简单的接口。因TCP/IP协议的通用性，用户程序可以不受系统限制地从Internet上获取数据。在没有Internet连接的情况下，还可以连接本机，为本机的不同程序提供数据［2］。

考虑到跨平台特性，服务端程序采用了优秀的跨平台应用程序库Qt（关于Qt请参考相关文档）。Qt封装了对设备接口的输入输出类QIODevice类，利用该类打开串口等计算机外围接口。QIODevice类从外围接口中按字节读取数据，存放于QByteArray字节数组中，并转换为QString字符串对象，通过字符串处理函数，最终把读入的数据转换为扩展的NMEA－0183协议格式［6］。最后，通过Qt封装的QUdpSocket类，将转换好的数据包通过Socket连接发送到UDP端口。

5 实 验

为实现在各种系统平台上都能正常工作，本文选用跨平台的QT库编写数据包转换转发服务器程序。服务器端在Windows Xp下运行如图2所示。

图2 服务器端程序在Windows下运行

服务器端运行后，绑定本机IP地址127.0.0.1上的9228端口，同时从串口COM5中读取Trimble公司的Lassen IQ芯片发送的数据。Lassen IQ发送TSIP协议的数据包（关于TSIP协议的具体定义，请参考Trimble公司的说明），该数据包为二进制格式，服务器端程序提取TSIP数据包中的相关信息，生成扩展的NMEA－0183协议格式，发送到127.0.0.1（本机）的9228端口。

在命令行下编写程序模拟用户获取数据，连接本机的9228端口，读取服务器端发送来的数据，结果如图3所示，正确地读取了数据包。

图3 用户连接UDP端口获取的数据

同时，程序还在Linux（内核版本3.0）上进行了实验，服务器端同样将Lassen IQ数据包成功转换为扩展的NMEA－0183数据包。

6 结束语

本文提出了利用扩展NMEA－0183协议语句的办法，即满足了与其他软件的兼容性，又满足了测量型GPS数据的发送；通过数据包转发到UDP端口的办法，使得用户完全不必关心是何种设备、通过何种方式发送的何种数据包，只要能连接Internet就可以获取所需要的数据包。

本文通过实验，将Trimble公司的TSIP协议数据包成功地转换为扩展的NMEA－0183协议数据包，并通过UDP端口发送给用户，证明了方案的可行性。

［1］李征航，黄劲松.GPS测量原理及应用［M］.武汉：武汉大学出版社，2005.

［2］谢希仁，计算机网络［M］.5版.北京：电子工业出版社，2008.

［3］王若璞，张超.Windows CE下手持电脑对GPS OEM板设置与 通讯［J］.测绘科学技术学报，2007，24（S0）：22－24.

［4］袁德宝，崔希民，臧永强，等，基于VC＋＋的GPS－OEM板串行通信关键算法的设计与实现［J］.测绘科学，2008，33（6）：170－172.

［5］刘庆元，余文坤，杨哲，等.GPS－OEM板原始数据向RINEX格式转换程序设计［J］.矿山测量，2009（5）：31－33.

［6］成洁，卢紫毅.Linux窗口程序设计—Qt4精彩实例分析［M］.北京：清华大学出版社，2008.