跳至主要內容

GNSS NMEA-0183 报文

约 2262 字大约 8 分钟

GNSS NMEA-0183 报文

一、技术背景

全球导航卫星系统（GNSS, Global Navigation Satellite System）包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国北斗（BDS）、欧盟伽利略（Galileo）等，为全球提供高精度定位、导航和授时服务。随着GNSS设备的普及，不同厂商的接收机、显示器、传感器等设备需要统一的通信协议以实现数据交互。

NMEA-0183协议由美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association, NMEA）制定，最初用于解决航海电子设备间的兼容性问题。该协议定义了一套基于 ASCII 码的文本数据格式，支持异步串行通信，适用于低速数据传输场景（如串口、蓝牙）。通过标准化报文结构，GNSS设备可统一输出位置、时间、速度、卫星状态等信息，极大降低了系统集成成本。

二、发展历史

  1. 1983年：NMEA发布首版《NMEA 0183 接口标准》（1.0版），主要用于航海设备（如罗盘、测深仪）的数据交换，未直接支持GNSS。
  2. 1992年：随着GPS民用化，2.0版协议引入针对GPS的专用语句（如$GPRMC、$GPGGA），定义了经纬度、时间、定位状态等核心字段。
  3. 1998年：3.0版优化校验机制，强制要求校验和字段，并支持更多卫星系统（如差分GPS）。
  4. 2004年：3.1版增加对GLONASS的支持，引入$GNGGA等多系统兼容语句（GN为通用前缀）。
  5. 2019年：4.1版扩展支持北斗（BDS）、伽利略（Galileo），完善多星座混合定位数据格式，兼容现代GNSS接收机。

目前，NMEA-0183仍是低成本GNSS设备的主流协议，尽管面临NMEA-2000（高速网络协议）的竞争，但其简单性和跨平台兼容性使其在嵌入式系统、消费电子中持续广泛应用。

三、技术原理

1. 基本通信参数

  • 物理层：异步串行通信（UART），常用波特率：4800、9600、19200 bps；数据位：8位；停止位：1位；无校验位（偶校验可选，取决于设备配置）。
  • 数据格式：以文本行（ASCII码）为单位，每行对应一条报文，以\r\n（CRLF）结尾，长度通常不超过80字节。

2. 报文结构

每条报文由以下部分组成（以$GPRMC,081836,A,3751.65,S,14507.36,E,000.0,360.0,130998,011.3,E*62为例）：

[起始符] [语句标识] [数据字段] [校验和] [结束符]
  $       GPRMC    各字段       *62       \r\n
  • 起始符：固定为$（或!，较少用）。
  • 语句标识：由5-6个字符组成，前两位为系统标识（如GP代表GPS，GN代表多系统通用），后3-4位为功能码（如RMC代表推荐最小定位信息）。
  • 数据字段：以逗号分隔的具体数据，允许空字段（表示未提供该数据）。
  • 校验和：*后接两位十六进制数，计算方式为$到*之间所有字符的异或（XOR）结果。
  • 结束符：固定为\r\n（十进制ASCII码13和10）。

3. 常用语句解析

（1）核心定位语句

语句名称功能描述
$GPGGA全球定位系统固定数据包含UTC时间、经纬度、定位状态、卫星数、精度因子、海拔高度等信息。
$GPRMC推荐最小定位信息包含UTC时间、日期、经纬度、速度、航向、定位状态等核心导航数据。
$GPGSA卫星星历及DOP值提供当前使用的卫星列表、定位模式（2D/3D）、PDOP/HDOP/VDOP等精度因子。
$GPGSV可见卫星信息分多条报文描述当前可见的所有卫星的ID、仰角、方位角和信噪比（SNR）。
$GPVTG地面速度和航向提供地面速度（ knots/m/s）、真北/磁北航向角等信息。

（2）字段详解（以$GPRMC为例）

$GPRMC,081836,A,3751.65,S,14507.36,E,000.0,360.0,130998,011.3,E*62
  • 081836：UTC时间（小时:分钟:秒，08:18:36）。
  • A：定位状态（A=有效，V=无效）。
  • 3751.65,S：纬度（37°51.65' S，度分格式，需转换为十进制：37 + 51.65/60 = 37.86083° S）。
  • 14507.36,E：经度（145°07.36' E，转换为145 + 7.36/60 = 145.12267° E）。
  • 000.0：地面速度（节，0.0节表示静止）。
  • 360.0：航向角（度，相对于真北，360°即0°）。
  • 130998：日期（日/月/年，13日9月1998年）。
  • 011.3：磁偏角（度，E表示东偏，需结合当地磁偏参数校正）。

（3）校验和计算

以GPRMC语句为例，计算$到*之间的字符异或：

  • 字符序列：GPRMC,081836,A,3751.65,S,14507.36,E,000.0,360.0,130998,011.3,E
  • 异或运算：从第一个字符G（ASCII 71）开始，依次与下一个字符异或，最终结果为0x62，对应校验和*62。

4. 多系统兼容性

现代设备支持多GNSS星座（如GPS+北斗+GLONASS），NMEA-0183通过前缀区分：

  • GP：仅GPS；GN：多系统通用（兼容所有支持的卫星系统）；BD：北斗专用（如$BDGGA）。
  • 通用语句（如$GNGGA）可包含多系统融合定位数据，字段定义与单系统语句一致。

四、应用场景

1. 航海导航

  • 船舶定位：通过$GPRMC获取实时经纬度、航速、航向，结合电子海图（ECDIS）实现航线规划。
  • 差分定位：接收$GPDTM（差分基站信息）提升定位精度，满足港口作业、远洋航行需求。

2. 陆地交通

  • 车载导航：车载GPS模块通过NMEA-0183输出位置数据，供导航软件显示实时轨迹、计算路线。
  • 物流追踪：物联网设备（如货车GPS终端）通过串口或蓝牙发送NMEA报文，后台解析后监控车辆位置与状态。

3. 航空与无人机

  • 通用航空：小型飞机使用NMEA设备获取位置、高度（$GPGGA中的海拔字段），辅助目视飞行规则（VFR）导航。
  • 无人机控制：飞控系统接收GNSS报文，实现定点悬停、航路点飞行等自主控制功能。

4. 测绘与地理信息

  • 高精度定位：通过$GPGSA的DOP值评估定位精度，结合RTK（实时动态）技术（需扩展协议支持）实现厘米级测绘。
  • 时间同步：利用$GPRMC的UTC时间字段，为分布式系统提供纳秒级授时（需设备支持高精度时标）。

5. 消费电子与物联网

  • 运动手表：内置GNSS芯片通过NMEA协议输出跑步、骑行轨迹数据，同步至手机APP。
  • 资产追踪：低功耗设备（如集装箱追踪器）通过NMEA报文发送位置，经GPRS/4G上传至云端平台。

五、使用举例

1. 报文解析代码（Python）

def parse_nmea(line):  
    if not line.startswith('$') or '*' not in line:  
        return None  
    # 提取校验和并计算  
    data_part, checksum_part = line[1:].split('*', 1)  
    checksum_calculated = 0  
    for c in data_part:  
        checksum_calculated ^= ord(c)  
    if int(checksum_part[:2], 16) != checksum_calculated:  
        print("校验和错误")  
        return None  
    # 分割字段  
    fields = data_part.split(',')  
    sentence_id = fields[0]  
    if sentence_id == 'GPRMC':  
        return parse_gprmc(fields)  
    elif sentence_id == 'GPGGA':  
        return parse_gpgga(fields)  
    else:  
        return fields  

def parse_gprmc(fields):  
    # 字段索引：0=GPRMC, 1=时间, 2=状态, 3=纬度, 4=NS, 5=经度, 6=EW, ...  
    time_utc = fields[1]  # 格式：HHMMSS  
    status = fields[2]  
    lat = float(fields[3]) if fields[3] else 0.0  
    lat_dir = fields[4]  
    lon = float(fields[5]) if fields[5] else 0.0  
    lon_dir = fields[6]  
    # 度分转换为十进制  
    lat_dec = lat / 100.0  
    lat_dec = lat_dec if lat_dir == 'N' else -lat_dec  
    lon_dec = lon / 100.0  
    lon_dec = lon_dec if lon_dir == 'E' else -lon_dec  
    return {  
        'type': 'GPRMC',  
        'time_utc': time_utc,  
        'status': status,  
        'latitude': lat_dec,  
        'longitude': lon_dec  
    }

2. 典型报文示例

（1）有效定位报文（$GPRMC）

$GPRMC,123519,A,3723.2475,N,12158.3416,W,000.5,064.7,120598,020.3,E*68
  • 解析结果：UTC时间12:35:19，定位有效，北纬37.38745°，西经121.97236°，速度0.5节，航向64.7°，日期12日5月1998年，磁偏角20.3°东。

（2）卫星状态报文（$GPGSV）

$GPGSV,3,1,11,01,78,352,43,02,49,239,42,03,42,083,44,06,34,293,45*7F  
$GPGSV,3,2,11,07,22,329,41,08,16,046,39,10,17,238,40,12,28,143,47*7A  
$GPGSV,3,3,11,13,34,068,44,15,23,346,40,24,35,140,44*70
  • 说明：共3条报文（3,1表示总3条，当前第1条），可见11颗卫星。每颗卫星包含ID、仰角（°）、方位角（°）、信噪比（dBHz）。

3. 注意事项

  • 时区转换：NMEA时间为UTC，需根据当地时区（如北京时间+8小时）转换为本地时间。
  • 数据刷新率：典型设备输出频率为1Hz（每秒1条报文），高速运动场景需确认设备支持更高刷新率（如5Hz、10Hz）。
  • 多系统兼容：若设备支持北斗/GLONASS，需识别语句前缀（如$BDGGA）并统一解析逻辑。

六、总结

NMEA-0183协议凭借其简单性和跨平台兼容性，成为GNSS设备数据交互的事实标准，广泛应用于从航海到消费电子的多个领域。尽管面临更高效协议（如二进制格式）的挑战，其文本可读性和易于解析的特点，使其在低成本、低功耗场景中保持不可替代的地位。理解NMEA-0183报文结构是开发GNSS相关应用（如导航软件、定位终端）的基础，掌握其字段定义和校验机制是确保数据可靠性的关键。

ThingsCloud
Copyright © 2025 ThingsCloud