什么是NMEA协议
NMEA协议是用于在全球定位系统（GPS）和其他导航设备和设备之间交换信息的标准协议。 NMEA协议定义了一组消息格式，这些消息可以传输有关GPS设备和传感器的信息，如位置、速度、时间和方位角。
NMEA协议中定义了多个消息类型，包括GGA、RMC、VTG、GSA等。这些消息包含在ASCII文本中，并以特定的起始字符$或!开头，以回车和换行符号\r\n结尾。消息中的数据字段用逗号分隔。
由于NMEA协议是一种标准协议，因此几乎所有GPS设备和接收器都支持该协议，并且它通常被用于与其他设备和计算机进行通信。对于需要使用GPS数据的应用程序和设备，NMEA协议提供了一种简单且易于实现的方法，以获取有关位置和导航的实时信息。
NMEA消息类型
这些是NMEA协议中定义的消息类型的标识符，用于在GPS接收器和其他设备之间传递信息。每个标识符代表了一个不同的消息类型，例如：
GGA：Global Positioning System Fix Data
GLL：Geographic Position - Latitude/Longitude
GSA：GNSS DOP and Active Satellites
GST：GNSS Pseudorange Error Statistics
GSV：GNSS Satellites in View
RMC：Recommended Minimum Specific GNSS Data
VTG：Course Over Ground and Ground Speed
ZDA：Time and Date
这些标识符和相关的消息内容可以用于解析和处理GPS接收器返回的数据。
GGA
Global Positioning System Fix Data (GGA)是NMEA协议中定义的一种消息类型，它提供了全球定位系统（GPS）定位设备的位置、时间、GPS定位质量指示器以及卫星接收器状态等信息。GGA消息包含了GPS定位数据的基本信息，例如：
GGA消息通常被用于在位置服务应用程序中获取和显示GPS定位数据。
GLL
Geographic Position - Latitude/Longitude (GLL)是NMEA协议中定义的一种消息类型，它提供了GPS定位设备的位置信息，以纬度和经度的形式进行描述。GLL消息包含以下信息：
GLL消息通常用于在地图上显示当前位置，并且可以被用于其他定位应用程序中，例如导航系统和地图应用程序。
GSA
GNSS DOP and Active Satellites (GSA)是NMEA协议中定义的一种消息类型，它提供了有关卫星接收器状态和当前卫星系统的可见性的信息。GSA消息包含以下信息：
GSA消息可以提供当前卫星系统的可见性信息，以及GPS定位的精度指示器，例如水平精度因子（HDOP）和垂直精度因子（VDOP），这些信息可以帮助用户更好地理解和利用卫星接收器。
GST
GNSS Pseudorange Error Statistics (GST)是NMEA协议中定义的一种消息类型，它提供了有关卫星信号的时间和空间误差统计信息。GST消息包含以下信息：
GST消息提供了有关卫星信号误差的统计信息，这些误差通常是由于信号传播过程中的多种因素引起的，例如大气层、天线的多径效应和接收器时钟偏差等。这些误差统计数据可以帮助用户更好地理解和利用GNSS测量的精度和可靠性。
GSV
GNSS Satellites in View (GSV)是NMEA协议中定义的一种消息类型，它提供了当前接收器可见卫星的信息。GSV消息包含以下信息：
GSV消息通常用于提供有关GNSS系统的可视性和可用性的信息。通过解析GSV消息，用户可以了解当前接收器所处的位置和朝向，以及可见卫星的数量和信号质量等信息。这些信息对于精确定位和导航非常重要，因为它们可以帮助用户确定最佳的卫星组合来计算位置和速度。
RMC
Recommended Minimum Specific GNSS Data (RMC)是NMEA协议中定义的一种消息类型，它提供了基本的GNSS定位数据。RMC消息包含以下信息：
RMC消息是GNSS定位数据的基本要素之一。通过解析RMC消息，用户可以了解当前接收器的状态、位置、时间和速度等信息。这些信息对于许多应用非常重要，例如导航、地图绘制、航海和军事应用等。
VTG/COG
Course Over Ground (COG) and Ground Speed (GS)是NMEA协议中定义的一种消息类型，通常包含在RMC消息中。COG和GS提供了有关当前GNSS接收器的航向和地速的信息。
COG表示航向，是一个方向角度，指示了接收器在地面上的运动方向。该角度基于真北方向（而不是磁北）以度为单位计算，并在0至359度之间。
GS表示地速，是当前接收器的速度，通常以节为单位计算。它是通过将GNSS接收器的位置信息进行微小时间间隔的差分计算得到的，因此在短时间内可能会有一些抖动。为了得到更加准确的地速信息，通常需要对GS进行滤波或者融合。
COG和GS对于许多应用非常重要，例如船舶和航空器的导航，以及车辆的行驶方向和速度控制。
ZDA
Time and Date是NMEA协议中定义的一种消息类型，通常包含在RMC和ZDA消息中。它提供了有关当前时间和日期的信息。
在RMC消息中，时间信息以“时分秒.毫秒”的格式表示，以协调世界时（UTC）为准。在ZDA消息中，时间信息以“时分秒”格式表示，同样以UTC为准。
日期信息通常包含在ZDA消息中，并以“日月年”格式表示，即日、月、年，用于确定日期和时间。
时间和日期信息在许多应用中都非常重要，例如记录和同步数据、轨迹重建、时间戳记和日志记录等。
GGA
GGA: $GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47
这是一个 GGA 消息的示例数据，包含以下字段：
如果需要解析这个消息，需要将数据根据逗号进行分割，然后根据字段的定义解析出每个字段的含义和对应的值。例如，可以将上面的数据解析成以下形式：
GLL
GLL: $GPGLL,3723.2475,N,12158.3416,W,161229.487,A,*2C
NMEA 0183协议中的GLL消息包含经度和纬度信息以及定位状态。下面是数据的解析：
因此，该条GLL消息表示在UTC时间16:12:29.487时，位置在北纬37度23.2475分、西经121度58.3416分，并且定位有效。
GSA
GSA: $GPGSA,A,3,04,05,,09,12,,,24,,,,,2.5,1.3,2.1*39
以下是对$GPGSA数据的解析：
04,05,,09,12,,,24: 用于定位的卫星编号，最多可以有12个。前两个数字代表第1个卫星，后两个数字代表第2个卫星，以此类推。如果有未用到的卫星编号，则用逗号分隔。
因此，该数据表示目前的定位模式为3D定位，使用了4颗卫星，HDOP为2.5，VDOP为1.3，TDOP为2.1。
GST
GST: $GPGST,082349.00,1.2,0.8,0.7,33.3,0.0,0.0,1.6*6D
对于GST语句，它提供了有关GPS接收机计算的位置精度和误差估计的信息，其字段含义如下：
以上是GST语句的字段含义及其数据解析。
GSV
GSV: $GPGSV,3,1,10,01,40,172,45,02,35,256,41,03,25,308,46,04,18,276,42*77
对于GSV消息，数据解析通常需要结合多个连续的GSV消息进行，以获取所有可见卫星的数据。以下是GSV消息中各字段的含义：
在此示例中，该GSV消息为第一条消息，共有3条消息。该消息中包含10颗可见卫星的信息。第一颗卫星的PRN号为01，仰角为40度，方位角为172度，信噪比为45dB。
需要注意的是，GSV消息中的卫星数量是不固定的，因此解析时需要根据实际情况确定。如果消息中包含的卫星数量少于当前消息的卫星数量，则需要通过其他GSV消息获取更多卫星的数据。
RMC
RMC: $GPRMC,083559.00,A,3723.2475,N,12158.3416,W,000.0,360.0,191204,,,A*43
RMC (Recommended Minimum Navigation Information)提供了有关位置、速度和时间的信息，是最常用的NMEA协议之一。以下是该数据的解析：
请注意，RMC数据没有包括位置的水平或垂直精度估计。
VTG/COG
VTG: $GPVTG,360.0,T,348.7,M,000.0,N,000.0,K*43
这是一条VTG类型的NMEA语句，包含了地面速度和航向信息。具体解释如下：
因此，这条语句表明当前的航向为360度真北，348.7度磁北，地面速度为0节（即静止不动）。
ZDA
ZDA: $GPZDA,201530.00,04,07,2002,00,00*60
字段 | 含义 |
1 | 本地时间（时分秒），格式为HHMMSS.SS |
2 | 本地日期，格式为DDMMYYYY |
3 | 本地时间与UTC时间的小时差值，取值范围为0-13，前导零不足两位 |
4 | 本地时间与UTC时间的分钟差值，取值范围为0-59，前导零不足两位 |
以示例数据为例，$GPZDA,201530.00,04,07,2002,00,00*60，其解析结果如下：
注意，ZDA协议中的本地时间与日期并不是GNSS接收器的时间与日期，而是接收器所在地的时间与日期。
NMEA消息解析
解析NMEA消息可以通过以下步骤实现：
从串口或文件中读取NMEA消息。
判断消息是否符合NMEA协议规范。NMEA消息必须以'$'开头，并以'\r\n'或'\n'结尾。
解析消息中的各个字段。以逗号为分隔符，按照协议规定的格式和顺序解析每个字段，可以使用字符串分割函数或正则表达式来实现。
根据消息类型和字段内容，获取所需的数据。根据协议规范，不同类型的消息包含不同的字段，因此解析过程需要根据消息类型来获取所需的字段数据。
对数据进行处理和转换。例如，将纬度和经度从度分格式转换为十进制格式，将速度和方向从节和度转换为公里/小时和弧度等。
将解析后的数据用于应用程序中。解析后的NMEA数据可以用于导航、地图显示、航行控制、轨迹记录等应用。
需要注意的是，NMEA消息格式相对简单，但是由于消息中包含的数据类型繁多，解析过程需要考虑各种异常情况和数据转换问题，因此需要仔细处理和测试。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
typedef struct {
float latitude;
float longitude;
int fix;
int num_satellites;
float hdop;
float altitude;
} gga_data;
gga_data parse_gga(char* gga_message) {
gga_data data;
memset(&data, 0, sizeof(data));
char* token;
int i = 0;
token = strtok(gga_message, ",");
while (token != NULL) {
switch (i) {
case 2:
data.latitude = atof(token);
break;
case 3:
if (strcmp(token, "S") == 0) {
data.latitude = -data.latitude;
}
break;
case 4:
data.longitude = atof(token);
break;
case 5:
if (strcmp(token, "W") == 0) {
data.longitude = -data.longitude;
}
break;
case 6:
data.fix = atoi(token);
break;
case 7:
data.num_satellites = atoi(token);
break;
case 8:
data.hdop = atof(token);
break;
case 9:
data.altitude = atof(token);
break;
}
token = strtok(NULL, ",");
i++;
}
return data;
}
int main() {
char* gga_message = "$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47";
gga_data data = parse_gga(gga_message);
printf("Latitude: %f\n", data.latitude);
printf("Longitude: %f\n", data.longitude);
printf("Fix: %d\n", data.fix);
printf("Number of Satellites: %d\n", data.num_satellites);
printf("HDOP: %f\n", data.hdop);
printf("Altitude: %f\n", data.altitude);
return 0;
}
在这个程序中，parse_gga 函数用于解析 GGA 消息，并返回 gga_data 结构体，其中包含解析出的数据。main 函数仅仅是一个示例，用于解析一个 GGA 消息，并将解析出的数据打印到控制台上。
注意：这只是一个简单的例子，并没有考虑所有可能的输入情况和错误处理。实际上，要编写一个真正健壮的 NMEA 解析程序需要考虑很多因素，并且需要进行详细的测试。
以下是一个使用minmea库解析NMEA消息的C语言代码示例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "minmea.h"
int main(int argc, char **argv)
{
const char *nmea_sentence = "$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47";
enum minmea_sentence_id sentence_id = minmea_sentence_id(nmea_sentence, false);
if (sentence_id == MINMEA_INVALID) {
printf("Invalid sentence\n");
return 1;
}
switch (sentence_id) {
case MINMEA_SENTENCE_GGA: {
struct minmea_sentence_gga frame;
if (minmea_parse_gga(&frame, nmea_sentence)) {
printf("Latitude: %f, Longitude: %f, Altitude: %f meters above sea level\n",
minmea_tocoord(&frame.latitude),
minmea_tocoord(&frame.longitude),
minmea_tofloat(&frame.altitude));
} else {
printf("Failed to parse GGA sentence\n");
}
} break;
case MINMEA_SENTENCE_RMC: {
struct minmea_sentence_rmc frame;
if (minmea_parse_rmc(&frame, nmea_sentence)) {
printf("Course: %f, Speed: %f knots\n",
minmea_tofloat(&frame.course),
minmea_tofloat(&frame.speed));
} else {
printf("Failed to parse RMC sentence\n");
}
} break;
default:
printf("Unsupported sentence type: %d\n", sentence_id);
break;
}
return 0;
}
这个示例使用minmea库中的两个函数，minmea_sentence_id和minmea_parse_xxx，来解析NMEA消息。minmea_sentence_id函数根据消息类型返回枚举值minmea_sentence_id，minmea_parse_xxx函数根据消息类型解析对应的结构体。
该示例中使用的是GGA和RMC消息类型，对应的结构体分别是minmea_sentence_gga和minmea_sentence_rmc，示例代码中分别打印了解析结果。
需要注意的是，示例代码中的nmea_sentence是硬编码的一个NMEA消息字符串，实际使用时应该从串口或文件等数据源中获取原始NMEA数据，然后再解析。
NMEA消息生成
要生成符合NMEA协议的消息，需要按照NMEA协议的规范来构建数据格式。下面是一些常见的构建步骤：
选择消息类型：首先，需要确定要生成的消息类型，例如GGA、RMC等。
构建数据内容：根据协议规范，构建相应的数据内容，比如位置、速度、时间等。
计算校验和：将$和*之间的字符进行异或运算，得到一个校验和。校验和必须是两个十六进制字符，因此需要将计算结果转换成十六进制格式。
添加语句起始符号和结束符号：NMEA消息需要以$符号开头，紧随其后的是消息内容和一个校验和，最后以*符号结尾。
下面是一个构建符合GGA协议的消息的示例：
选择消息类型：GGA
构建数据内容：
计算校验和：对"$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*XX"这部分内容进行异或运算，得到一个校验和值，比如XX。
添加语句起始符号和结束符号：$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*XX
最终生成的消息就是$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*XX。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
char *format_gga_message(double latitude, double longitude, double altitude, int fix_quality, int num_satellites) {
char *message = (char *) malloc(128 * sizeof(char)); // 分配消息缓存
memset(message, 0, 128);
time_t t = time(NULL); // 获取当前时间
struct tm *tm = gmtime(&t); // 转换为UTC时间
int hour = tm->tm_hour;
int minute = tm->tm_min;
int second = tm->tm_sec;
// 将纬度和经度转换为度分格式
int lat_degree = (int) latitude;
double lat_minute = (latitude - lat_degree) * 60.0;
int lon_degree = (int) longitude;
double lon_minute = (longitude - lon_degree) * 60.0;
// 生成消息字符串
sprintf(message, "$GPGGA,%02d%02d%02d,%.2f,%c,%02d%.5f,%c,%d,%02d,%05.2f,%f,M,0.0,M,,*",
hour, minute, second, latitude, latitude >= 0 ? 'N' : 'S', lon_degree, lon_minute, longitude >= 0 ? 'E' : 'W',
fix_quality, num_satellites, altitude, 0.0);
// 计算校验和
int len = strlen(message);
char checksum = 0;
for (int i = 1; i < len; i++) {
checksum ^= message[i];
}
sprintf(message + len, "%02X", checksum); // 添加校验和
return message;
}
int main() {
double latitude = 39.903;
double longitude = 116.397;
double altitude = 50.0;
int fix_quality = 1;
int num_satellites = 8;
char *message = format_gga_message(latitude, longitude, altitude, fix_quality, num_satellites);
printf("Generated NMEA message: %s\n", message);
free(message); // 释放消息缓存
return 0;
}
这个示例代码可以生成一个符合NMEA协议的GGA消息，其中包含了当前时间、纬度、经度、海拔高度、定位质量和卫星数量等信息。由于NMEA消息是字符串形式的，因此需要使用字符串格式化函数sprintf()生成消息字符串，并计算校验和。最后将生成的消息字符串打印出来，即可用于与GPS接收器进行通信。
NMEA协议在实际应用中的应用
NMEA协议在GPS定位中的应用主要体现在数据通信和协议解析两个方面。
在数据通信方面，GPS接收器通常使用NMEA协议来输出定位数据，包括位置、速度、方向等信息。通过NMEA协议，GPS接收器可以将这些信息输出到其他设备或计算机上，以实现位置追踪、导航、地图显示等应用。
在协议解析方面，NMEA协议规定了一系列数据格式和语法，GPS接收器可以将接收到的NMEA消息进行解析，从而得到GPS信号中所包含的位置、速度、时间等信息。这些信息可以用于计算行驶距离、导航、轨迹记录等应用。
除了GPS，NMEA协议还被广泛应用于其他导航系统，如北斗、伽利略等。在这些系统中，NMEA协议同样被用于数据通信和协议解析。
NMEA协议不仅在GPS定位中有应用，而且在船舶和飞机导航中也有广泛的应用。在船舶导航中，NMEA协议可以用于传输船舶位置、速度、航向等信息，帮助船员进行导航和安全控制。在飞机导航中，NMEA协议可以用于传输飞机位置、高度、速度、航向等信息，帮助飞行员进行导航和飞行控制。
例如，NMEA协议中的RMC消息可以提供当前位置、速度和航向信息，这对于船舶和飞机导航非常有用。另外，船舶和飞机还可以使用NMEA协议中的其他消息，如GGA、VTG和GLL等。NMEA协议的应用不仅局限于GPS导航，还可以用于GLONASS、Galileo和其他导航系统的定位和导航。
