NMEA0183 协议

GNSS NMEA 0813标准数据格式的解释和模拟

廖永生 梁绕

（广西第一测绘院 广西南宁 530023）

【摘 要】 对NMEA 0183格式的定位数据进行解释和数据模拟，为开发GNSS应用服务系统作了基础性研究，可作为未来GNSS各应用系统开发参考。

【关键词】 NMEA 0183 GNSS数据 解释 模拟

1 前言

GNSS导航定位技术是目前应用得最广泛的空间定位技术之一，已被广泛应用于空间信息数据采集和服务等各个方面。随着各地区域性CORS（Continously Operation Reference System）建成，差分GPS定位服务得到了不断深化。随着GLONASS的完善和Galileo卫星导航定位系统的建成，GNSS导航定位技术将更加普及，将会对各行各业都产生重大影响。

数据格式问题一直是GNSS相关服务中的难题，特别是差分GNSS数据和静态GNSS数据格式之间的差异使普通GPS设备无法直接获得专业差分服务。数据格式标准的统一，是实现GNSS相关服务的基础。

目前最通用的GNSS格式是NMEA 0183格式，NMEA 0183是最终定位格式，即将二进制定位格式转为统一标准定位格式，与卫星类型无关。掌握NMEA 0183格式，对于推广GNSS应用服务和研究GNSS相关技术具有重要意义。

本文将对NMEA 0183格式进行概括说明，同时采用程序模拟NMEA 0183格式，作为NMEA 0183标准格式的技术探索。

2 NMEA 0183协议概述

NMEA是“National Marine Electronics Association”（国际海洋电子协会）的缩写，同时也是数据传输标准工业协会，该协会定制的GNSS数据格式是NMEA 0183数据格式，它是一套定义接收机输出的标准信息，有几种不同

的格式，每种都是独立相关的ASCII格式，逗点隔开数据流，数据流长度从30-100字符不等，通常以每秒间隔选择输出。最常用的格式为“GGA”，它包含了定位时间、纬度、经度、高度、定位所用的卫星数、DOP值、差分状态和校正时段等，还有速度，跟踪，日期等。

GPS接收机根据NMEA 0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到PC机、PDA等设备。NMEA实际上已成为所有的GNSS接收机和最通用的数据输出格式，同时它也被用于与GNSS接收机接口的大多数软件包里。

NMEA-0183协议是GNSS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，大多数常见的GNSS接收机、GNSS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。

3 NMEA 0183用途和结构

NMEA 0813格式与专业RTCM2.3/3.0和CMR+的GNSS数据格式不同，NMEA 0813格式主要针对民用定位导航设备，通过NMEA 0183格式，可以实现GNSS接收机与PC或PDA之间的数据交换，可以通过USB和COM口等通用数据接口进行数据传输，其兼容性高，数据传输稳定。

同时NMEA 0183可以作为民用差分GPS服务解算基础数据，通过CORS参考站和GPRS/CDMA公网通讯，直接接收NMEA 0183兼容格式的差分信息，实现一般差分GNSS服务。NMEA最基本的使用方式如图1所示。

图1 NMEA 0183格式基本使用途径

目前以NMEA 0183为基础的服务正在应用于车辆导航、船只入港等方面的应用研究。该研究将极大普及差分GPS的应用推广，同时扩大CORS的应用范围。

4 NMEA协议的语句

NMEA-0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。

NMEA-0183 的每条语句的格式如下表1所示。

表1 NMEA协议语句格式定义

符号（ASCII）

“$”

aaccc

“，”

ddd…ddd

“*”

hh

/

定义

语句起始位

地址域，前两位为识别符，后三位为语句名

域分隔符

发送的数据内容

效验和符号，后面的两位数是效验和

效验和

终止符，回车或换行

不同的GPSOEM接收板提供的NMEA语句有很大差异，主要表现在字段的意义和位置上。用户需要先弄清楚需要哪些信息，然后对照GPS OEM接收板的技术资料，寻找那些包括所需信息的NMEA语句。

下面将介绍兼容性最广泛的6条NMEA语句

（1）$GPGGA语句

Global Positioning System Fix Data（GGA），即GPS定位信息。该语句中反映GPS定位主要数据，包括经纬度、质量因子、HDOP、高程、参考站号等字段。

其标准格式如下：

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

各字段的含义和取值范围见表2所示。

表2 $GPGGA语句各字段的含义和取值范围

字段

<1>

<2>

<3>

<4>

<5>

含义

UTC时间

纬度，格式：

南北半球

经度格式

东西半球

取值范围

000000.00~235959.99

000．00000~8959.9999

N北纬；S南纬

00000.0000~17959.9999

E表示东经；W表示西经

0=未定位，1=GPS单点定位固定解，2=差分定位，3=PPS解；4=RTK固定解；5=RTK浮点解；6=估计值；7=手工输入模式；8=模拟模式

00~12

0.500~99.000（大于6不可用)

-9999.9~99999.9

-9999.9~99999.9

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

0000~1023；不使用DGPS时为空

<6> GPS状态

<7>

<8>

<9>

应用解算位置的卫星数

HDOP， 水平图形强度因子

海拔高度

地球椭球面相对大地水准面的高度（高程异常）

差分时间

参考站号

<11>

<12>

例句：

$GPGGA，074529.82，2429.6717，N，11804.6973，E，1，8，1.098，42.110，M，，M，，*76

（2）$GPGSA语句

GPS DOP and Active Satellites（GSA）即当前卫星信息， 其标准格式如下：

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

各字段的含义和取值范围见表3所示。

表3 $GPGSA语句各字段的含义和取值范围

字段

<1>

<2>

含义

模式

定位类型

PRN码（伪随机噪声码），正在用于解算位置的卫星号

PDOP位置精度因子

HDOP水平精度因子

VDOP垂直精度因子

取值范围

M=手动，A=自动

1=没有定位，2=2D定位，3=3D定位

01~32

0.5~99.9

0.5~99.9

0.5~99.9

<3>

<4>

<5>

<6>

例句：

$GPGSA，A，3，19，11，03，23，27，13，16，，，，，，3.43，1.67，2.99*0E

（3）$GPGSV语句

GPS Satellites in View（GSV）可见卫星信息，反映GPS可见星的方位角、俯仰角、信噪比等。

其标准格式如下：

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

各字段的含义和取值范围见表4所示。

表4 $GPGSV语句各字段的含义和取值范围

字段

<1>

<2>

<3>

<4>

<5>

<6>

<7>

含义

总的GSV语句电文数

当前GSV语句号

可视卫星总数

卫星号

卫星仰角

卫星方位角

信噪比

取值范围

0~12

1-3

00~12

01~32

00~90度

000~359度

00~99dB，没有跟踪到卫星时为空

注：<4>，<5>，<6>，<7>信息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。

例句：

$GPGSV，3，1，11，1，83，54，32，3，19，192，28，6，26，57，36，7，51，140，37*7D

$GPGSV，3，2，11，14，40，136，34，16，64，266，36，20，21，293，，22，2，168，*4C

$GPGSV，3，3，11，23，10，321，，25，53，7，40，30，2，46，*48

（4）$GPRMC 语句

Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC），即推荐定位信息。

其标准格式如下：

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

各字段的含义和取值范围见表5所示。

表5 $GPRMC语句各字段的含义和取值范围

字段

<1>

<2>

<3>

<4>

<5>

<6>

<7>

<8>

<9>

<10>

<11>

含义

UTC时间，

定位状态

纬度，格式：

南北半球

经度格式

东西半球

地面速率

地面航向

UTC日期，格式：ddmmyy

磁偏角

磁偏角

取值范围

000000.00~235959.99

A=有效定位，V=无效定位

000．00000~8959.9999

N表示北纬；S表示南纬

00000.0000~17959.9999

E表示东经；W表示西经

000.0~999.9节

000.0~359.9，以真北为参考基准

日月年

000.0~180.0度

E表示偏东；W表示偏西

<12> 模式指示（NMEA0183 3.00版本输出） A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效

例句：

$GPRMC，074529.82，A，2429.6717，N，11804.6973，E，12.623，32.122，010806，，W，A*08

（5）$GPVTG 语句

Track Made Good and Ground Speed（VTG），即地面速度信息。其标准格式为：

$GPVTG，<1>，T，<2>，M，<3>，N，<4>，K，<5>*hh

各字段的含义和取值范围见表6所示。

表6 $GPVTG 语句各字段的含义和取值范围

字段

<1>

<2>

<3>

<4>

<5>

含义

以真北为参考基准的地面航向

以磁北为参考基准的地面航向

地面速率

地面速率

取值范围

000~359度

000~359度

000.0~999.9节

0000.0~1851.8公里/小时

模式指示（仅NMEA0183 3.00版本输A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无出） 效

例句：

$GPVTG，257.314，T，257.314，M，10.739，N，19.888，K，A*2F

（6）$GPGLL语句

Geographic Position（GLL），即定位地理信息。其标准格式如下：

$GPGLL，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>*hh

各字段的含义和取值范围见表7所示。

表7 $GPGLL语句各字段的含义和取值范围

字段

<1>

<2>

含义

纬度，格式：

南北半球

取值范围

000．00000~8959.9999

N表示北半球；S表示南半球

<3>

<4>

<5>

<6>

经度，格式：

东西半球

UTC时间，格式：hhmmss

定位状态

00000.0000~17959.9999

E表示东经；W表示西经

000000.00~235959.99

A=有效定位，V=无效定位

A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无<7> 模式指示（NMEA0183 3.00版本输出）

5 NMEA 0183数据模拟

该源代码为VC++源代码，是对一个模拟NMEA数据的类的定义。 struct CNmeaData

{

CNmeaData （）；

void ResetData （）；

// Data retrieved from the NMEA sentences.

double lat； // 纬度，单位为度（正数为北纬，负数为南纬）数为东经，负数为西经）

double altitude； // 海拔高度，米

double speed； // 速度，节

double track； //追踪卫星高度角，度

double magVariation； // 磁偏角，度

double hdop； // HDOP值

int numSats； // 追踪卫星数

int UTCYear； // UTC年

int UTCMonth； // UTC月

int UTCDay； // UTC日

效

double lon；// 经度，单位为度（正

int UTCHour； // UTC时

int UTCMinute； // UTC分

int UTCSecond； // UTC秒

CSatData satData[MAC_SATS]；

// 卫星锁定数:

// 0 = 无效， 1 = 卫星锁定， 2 = DGPS状态

GPS_FIX_QUALITY lastFixQuality；

// 有效卫星数

bool isValidLat； // 纬度

bool isValidLon； // 经度

bool isValidAltitude； // 高程

bool isValidSpeed； // 速度

bool isValidDate； // 日期

bool isValidTime； // 时间

bool isValidTrack； // 追踪卫星角

bool isValidMagVariation； // 磁偏角变化

bool isValidHdop； // HDOP值

bool isValidSatData； // 卫星数

// 确定是否有有效的坐标数据发送到数据端口

bool hasCoordEverBeenValid；

}；

class CNmeaParser

{

public:

CNmeaParser （）；

SENTENCE_STATUS ParseSentence （const char* sentence）；

void GetData （CNmeaData& data）const；

void ResetData （）{m_ata （）；}

private:

bool ParseDegrees （double& degrees， const char* degString）const；

bool ParseDate （int& year， int& month， int& day，

const char* dateString）const；

bool ParseTime （int& hour， int& minute， int& second，

const char* timeString）const；

void ParseAndValidateAltitude （const char* field， const char unit）；

void ParseAndValidateDate （const char* field）；

void ParseAndValidateFixQuality （const char* field）；

void ParseAndValidateLat （const char* field， const char hem）；

void ParseAndValidateLon （const char* field， const char hem）；

void ParseAndValidateHdop （const char* field）；

void ParseAndValidateSpeed （const char* field）；

void ParseAndValidateMagVariation（const char* field，

const char direction）；

void ParseAndValidateTime （const char* field）；

void ParseAndValidateTrack （const char* field）；

void ParseGGA （const char* sentence）；

void ParseGLL （const char* sentence）；

void ParseRMC （const char* sentence）；

void ParseGSV （const char* sentence）；

bool GetNextField （char* data， const char* sentence，

uint& currentPosition）const；

bool IsValidSentenceType （const char* sentence）const；

bool IsCorrectChecksum （const char* sentence）const；

CNmeaData m_data；

// 需要分解GSV语句

int m_lastSentenceNumber；// 确定结束语句

int m_numSentences； // 处理语句数

int m_numSatsExpected； // 分析捕获卫星数

int m_numSatsLeft； // 分析失锁卫星数

int m_satArrayPos； // 下一次捕获卫星位置预测

CSatData m_tempSatData[MAC_SATS]；

}；

class CNmeaSerial

{public:

CNmeaSerial （）；

CNmeaSerial （HWND hMsgWnd， DWORD timeout）；

~CNmeaSerial （）；

SERIAL_RESULT_TYPE CloseConnection （）；

SERIAL_RESULT_TYPE OpenConnection （）；

SERIAL_RESULT_TYPE OpenConnection （uint8 comPort， uint32 baudRate，

uint8 dataBits， SETPARITY parity， STOPBITS stopBits）；

SERIAL_RESULT_TYPE GetData （CNmeaData& data）const；

SERIAL_RESULT_TYPE GetSettings （uint8& comPort， uint32& baudRate，

uint8& dataBits， SETPARITY& parity， STOPBITS& stopBits）const；

unsigned long GetThreadHandle （）const {return m_hThread；}

BOOL IsConnected （）const {return m_isConnected；}

private:

SERIAL_RESULT_TYPE InitThread （）；

BOOL KillThread （）；

BOOL LockData （）const；

void SetDefaults （）；

BOOL UnlockData （）const；

// 元函数描述语句，并运行该语句

// 进入另外线程

static void ProcessSentences （void* currentObject）；

uint8 m_comPort；

uint32 m_baudRate；

uint8 m_dataBits；

SETPARITY m_parity；

STOPBITS m_stopBits；

BOOL m_isConnected；

DWORD m_timeout；

unsigned long m_hThread；

HANDLE m_hPort；

HANDLE m_hMutex；

DWORD m_threadId；

CNmeaParser m_parser；

// 接收描述信息窗口

HWND m_hMsgWnd；

// 如果值为True，则进行线程分析

// 否则结束状态

BOOL m_terminateThread；}

掌握NMEA 0183数据的基本原理和格式，并实现模拟NMEA 0183数据，对于开发GNSS服务和应用系统，扩展GNSS服务范围和服务方式等，都有重要意义。