GPS: сообщения NMEA

GPS-модули общаются с управляющей платой с помощью NMEA-сообщений (от «National Marine Electronics Association») — это стандарт передачи данных оборудования навигации, связи и других информационных сетей. NMEA — это так же 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.

Данные с GPS-модуля передаются на управляющую электронику в текстовом формате NMEA, состоят из последовательного набора данных, разделенных запятыми. Каждое NMEA сообщение начинается с $, заканчивается \n (перевод строки) и не может быть длиннее 80 символов.

• 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.

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

• GGA – NMEA 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.

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 – NMEA 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

По умолчанию в GPS-модуле установлены дефолтные настройки. Например частота отдачи данных на принимающее устройство или скорость общение с управляющей платой. При желании можно модуль настроить под себя.

Управление работой GPS-модуля осуществляется при помощи специальных NMEA – подобных команд.

Пример команды установки скорости общения 9600 бод.

$PMTK251,9600*17\r\n

Каждое входное NMEA-сообщение должно начинаться с символа $ и заканчивается символами \r\n:

• $ — служебный символ;
• PMTK — идентификатор;
• 251 — тип команды (в данном случае команда смена скорости);
• 9600 — данные (в данном случае установка 9600);
• * — символ окончания данных;
• 17 — контрольная сумма;
• \r — возврат каретки <CR>;
• \n — начало строки <CL>.

Контрольная сумма — восьмибитная (исключающая ИЛИ) всех символов сообщения, включая пробелы, расположенных между разделителями $ и *. Для нахождения контрольной суммы используйте NMEA Checksum Calculator.

В качестве примера выведем сырые данные в формате NMEA-сообщений с GPS-модуля.

1. Прошейте плату Arduino скетчем проброса данных с USB на программный UART.

   SoftwareSerialGpsToUsb.ino

   // библиотека для работы программного Serial
   #include <SoftwareSerial.h>
    
   // создаём объект для работы с программным Serial
   // и передаём ему пины TX и RX
   SoftwareSerial mySerial(4, 5);
    
   // serial-порт к которому подключён GPS-модуль
   #define GPS_SERIAL    mySerial
    
   void setup()
   {
     // открываем последовательный порт для мониторинга действий в программе
     // и передаём скорость 9600 бод
     Serial.begin(9600);
     // ждём, пока не откроется монитор последовательного порта
     // для того, чтобы отследить все события в программе
     while (!Serial) {
     }
     Serial.print("Serial init OK\r\n");
     // открываем Serial-соединение с GPS-модулем на скорости 115200 бод
     GPS_SERIAL.begin(115200);
     // печатаем строку
     Serial.println("GPS init is OK on speed 115200");
     // изменяем скорость обещение GPS-модуля с управляющей платой на 9600 бод
     // используем NMEA-команду «$PMTK251,9600*17\r\n»
     GPS_SERIAL.write("$PMTK251,9600*17\r\n");
     // закрываем Serial-соединение с GPS-модулем
     GPS_SERIAL.end();
     // открываем Serial-соединение с GPS-модулем на скорости 9600 бод
     GPS_SERIAL.begin(9600);
     // печатаем строку
     Serial.print("GPS init is OK on speed 9600");
   }
    
   void loop()
   {
     // если приходят данные из GPS-модуля - отправим их в порт компьютера
     if (GPS_SERIAL.available()) {
       Serial.write(GPS_SERIAL.read());
     }
     // если приходят данные из компьютера - отправим их в GPS-модуль.
     if (Serial.available()) {
       GPS_SERIAL.write(Serial.read());
     }
   }

2. Откройте монитор Serial-порта, нажав на иконку лупы.
3. Установите скорость обмена данными на 9600 бод и установите дополнительные параметры NL— новой строки и CR — возврат каретки. В итоге вы должны увидеть данные в полном формате NMEA-сообщений. - Из документации на NMEA-команды находим команду:

   $PMTK220,variable*<CS><CR><LF>

   1. variable — значение от 100 до 10000 в миллисекундах, нашем случае это 100.
   2. CS — контрольная сумма;
   3. CR — возврат каретки \r;
   4. LF — новая строка \n.
4. Перейдите на сайт NMEA Checksum Calculator.
5. Введите команду PMTK220,100 в поле ввода Command и нажмите кнопку Enter. В окне With checksum вы получите команду вместе с контрольной суммой.
6. В окне ввода информации введите вместе с контрольной суммой NMEA-команду смены скорости отдачи данных до десяти раз в секунду и нажмите кнопку Отправить

   $PMTK220,100*2F

   

Если всё прошло правильно, теперь данные с GPS-модуля будут приходить до десяти раз в секунду.