龍哲華，汪金輝，彭曉宏，呂貴濤

（1.北京工業(yè)大學集成電路與系統(tǒng)研究室，北京　100124；2.無錫星融恒通科技有限公司，江蘇無錫　214101）

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北斗/GPS雙模定位系統(tǒng)協(xié)議解析算法研究

龍哲華1，汪金輝1，彭曉宏1，呂貴濤2

（1.北京工業(yè)大學集成電路與系統(tǒng)研究室，北京100124；2.無錫星融恒通科技有限公司，江蘇無錫214101）

摘要：北斗和GPS雙系統(tǒng)定位具有較強的可靠性和適應性，已廣泛應用于我國各種位置服務領(lǐng)域。但是雙模定位系統(tǒng)的輸出協(xié)議和標準的NMEA0183協(xié)議相比更加復雜，而且隨著當前衛(wèi)星信號強度的變化，輸出的協(xié)議幀時多時少，單條協(xié)議幀中的數(shù)據(jù)量時大時小，因此，雙模定位系統(tǒng)輸出協(xié)議幀的有效解析顯得極為重要。提出一種新型算法解析這種雙模系統(tǒng)中的輸出協(xié)議幀，此方法成功應用于UM220雙模定位模塊，實測表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：北斗定位系統(tǒng)；GPS；NMEA0183協(xié)議；雙模定位

0　引言

我國正在大力發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。近年來，隨著第二代北斗系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善，已經(jīng)在國內(nèi)的位置服務領(lǐng)域受到極大的關(guān)注。北斗/GPS雙系統(tǒng)定位[1]，因其具有較強的可靠性和適應性，在各種位置服務中有著極好的應用前景[2]。但是雙系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)協(xié)議和標準的NMEA0183協(xié)議[3]相比有著更加復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而且隨著當前衛(wèi)星信號強度的變化，輸出的協(xié)議幀時多時少，單條協(xié)議幀中的數(shù)據(jù)量時大時小，因此，雙模定位系統(tǒng)輸出協(xié)議幀的有效解析顯得極為重要。目前相關(guān)的NMEA0183協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析文獻很多，有的是針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)協(xié)議中特定協(xié)議幀的說明與分析[4]；有的是對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)協(xié)議的串口數(shù)據(jù)分析[5]；但是這些文獻，對于隨著衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號強度變化，協(xié)議幀幀數(shù)和單幀協(xié)議幀數(shù)據(jù)量都會變化，這一類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)協(xié)議幀處理方法的文獻很少，僅有的文獻也只是針對GPS系統(tǒng)[6]，關(guān)于北斗與GPS雙模系統(tǒng)的相關(guān)文獻幾乎沒有。隨著我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展，雙模系統(tǒng)的輸出協(xié)議相比于標準NMEA0183協(xié)議有新的內(nèi)容。本文主要介紹了一種關(guān)于雙系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)協(xié)議的解析算法，同時也結(jié)合實際的項目，并且本算法在基于UM220雙系統(tǒng)定位模塊[7]的實際工程中成功應用，具備良好的穩(wěn)定性。本文將詳細介紹雙模定位系統(tǒng)輸出協(xié)議幀的解析。

1　雙模系統(tǒng)輸出協(xié)議簡介

雙模系統(tǒng)輸出協(xié)議幀整體框架與標準NMEA0183協(xié)議一致，但雙模系統(tǒng)有特殊的協(xié)議幀，例如：$GNGSA 和$BDGSV。因此，雙模系統(tǒng)的輸出協(xié)議幀有自身的特點：有兩條地址符相同的$GNGSA協(xié)議幀；數(shù)據(jù)量會隨著北斗定位衛(wèi)星信號強度變化而發(fā)生變化的$BDGSV協(xié)議幀。雙模系統(tǒng)輸出協(xié)議幀框架如圖1所示。

圖1　雙模系統(tǒng)輸出協(xié)議幀框架

2　解析介紹

雙模系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)有其自身的特點，每個數(shù)據(jù)包包含以下協(xié)議幀：2條$GNGSA、多條$GPGSV、多條$BDGSV、$GNGGA、$GNGLL和$GNRMC。

針對上一節(jié)講到的雙模系統(tǒng)的輸出協(xié)議幀特點，本文將雙模系統(tǒng)輸出協(xié)議分為4類：$GNGGA和$GNGLL、結(jié)束協(xié)議幀$GNRMC、2條連續(xù)$GNGSA協(xié)議幀、可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出協(xié)議幀（$GPGSV和$BDGSV）。

解析過程中，不同特點的協(xié)議幀的解析過程都包含下面兩個關(guān)鍵基本步驟：起始符和地址符的解析、數(shù)據(jù)塊存儲。本文4個類協(xié)議幀的解析都是由這兩個基本步驟加上一系列的標志位判斷完成解析。

（1）起始符和地址符的解析過程

本文提到的解析算法，針對所有協(xié)議幀的起始符和地址符的解析都是同樣一個過程，通過串口串行接收NMEA0183協(xié)議框架中的起始符和地址符字段，以$GNGGA協(xié)議幀為例，程序如下：

da=softuart_getchar（）；

if（da==0x24）//???$???

{ da=softuart_getchar（）；

if（da==0x47）//???G???

{ da=softuart_getchar（）；

if（da==0x4E）//???N???

{ da=softuart_getchar（）；

if（da==0x47）//???G???

{ da=softuart_getchar（）；

if（da==0x47）//???G???

{ da=softuart_getchar（）；

if（da==0x41）//???A???

{……

}

（2）數(shù)據(jù)塊存儲過程

同樣，數(shù)據(jù)塊存儲過程的基本結(jié)構(gòu)是一樣的，在完成起始符和地址符解析后，需要對數(shù)據(jù)塊進行存儲，以$GNGGA協(xié)議幀為例，程序如下：

j=0；

do

{ BD_GNGGA[j]=softuart_getchar（）；

j++；

}

while（da!=0x0A）；

2.1常規(guī)協(xié)議幀$GNGGA和$GNGLL

由于常規(guī)協(xié)議幀$GNGGA和$GNGLL不隨信號強弱變化而變化，故將此三條歸類為常規(guī)協(xié)議幀處理。其中$GNGGA和$GNGLL處理過程框圖如圖2所示。

圖2　$GNGGA和$GNGLL處理過程框圖

2.2數(shù)據(jù)包結(jié)束協(xié)議幀$GNRMC

數(shù)據(jù)包結(jié)束協(xié)議幀$GNRMC作為一次完整數(shù)據(jù)包的結(jié)束判斷幀。由于雙模系統(tǒng)UM220連續(xù)不斷地往外發(fā)送數(shù)據(jù)包，因此接收解析時，只需要接收一個數(shù)據(jù)包，處理過程需要設(shè)定一個數(shù)據(jù)包接收完畢的協(xié)議幀，用$GNRMC協(xié)議幀作為數(shù)據(jù)包結(jié)束協(xié)議幀，$GNRMC處理過程框圖如圖3所示。

圖3　$GNRMC處理過程框圖

2.3$GNGSA協(xié)議幀

在UM220模塊的輸出協(xié)議幀中，有2條連續(xù)的$GNGSA協(xié)議幀，但是代表不同的意義，連續(xù)的2條協(xié)議幀中，第一條$GNGSA協(xié)議幀代表GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)；第二條$GNGSA協(xié)議幀代表北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)。由于2條連續(xù)的$GNGSA協(xié)議幀的數(shù)據(jù)不同而且代表兩個不同系統(tǒng)的當前狀態(tài)，因此用了一個獨立的結(jié)構(gòu)算法處理，同時每個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都用2個數(shù)組GPS_GNGSA[]和BD_GNGSA[]分別存儲，如圖4所示。

2.4可視衛(wèi)星狀態(tài)協(xié)議幀

可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出協(xié)議幀（$GPGSV和$BDGSV協(xié)議幀）處理在雙模系統(tǒng)輸出協(xié)議幀中最特殊，因為可視

衛(wèi)星狀態(tài)輸出協(xié)議幀的有無完全取決于系統(tǒng)所處環(huán)境的衛(wèi)星信號強度：信號強的時候可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出協(xié)議幀都會出現(xiàn)多條；信號弱的時候，有可能2個系統(tǒng)都不輸出可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出協(xié)議幀，或者其中1個系統(tǒng)輸出可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出協(xié)議幀，而另一個不輸出，總之這一類的協(xié)議幀數(shù)據(jù)量實時變化比較大。同時一個數(shù)據(jù)包中可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出協(xié)議幀$GPGSV雖然可能存在多條，但是這若干條都是順序輸出，只有$GPGSV協(xié)議幀全部輸出完畢才會輸出$BDGSV，根據(jù)這種特點，本文對可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出協(xié)議幀（$GPGSV和$BDGSV協(xié)議幀）的處理如圖5所示。

圖4　$GNGSA協(xié)議幀處理過程框圖

圖5　可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出協(xié)議幀（$GPGSV和$BDGSV協(xié)議幀）的處理框圖

3　實測與分析

應用UM220模塊設(shè)計了北斗和GPS雙模定位系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)對本文提出的算法方案進行了測試，雙模系統(tǒng)連續(xù)工作12 h，每隔1 h接收處理1次數(shù)據(jù)，沒有出現(xiàn)解析錯誤，解析丟包的現(xiàn)象。

圖6是在信號極好，數(shù)據(jù)量比較大時串口助手接收到的解析結(jié)果。

圖6　信號較強時解析的結(jié)果

從圖6中可以看出：將提出的算法應用于雙模定位系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的輸出協(xié)議中，不同的協(xié)議幀，用不同的結(jié)構(gòu)程序處理，有效地解決了處理多條GPS和北斗系統(tǒng)的可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出協(xié)議幀的問題，也就是多條$GPGSV 和$BDGSV協(xié)議幀，經(jīng)過連續(xù)12 h的工作，并沒有出現(xiàn)解析錯誤，解析丟包的現(xiàn)象時。由于本算法用不同的結(jié)構(gòu)處理，所以當出現(xiàn)解析錯誤或丟包的現(xiàn)象時，可以根據(jù)出錯或丟包的協(xié)議幀確定處理程序出錯的模塊，這也是本文將雙模定位系統(tǒng)的輸出協(xié)議分三類不同特點的協(xié)議幀處理的優(yōu)勢。

4　結(jié)語

本文針對北斗和GPS雙模定位系統(tǒng)的輸出協(xié)議，提出將雙模系統(tǒng)的輸出協(xié)議中不同的協(xié)議幀分為三類，每一種分別用不同的程序結(jié)構(gòu)處理，經(jīng)過測試表明此算法穩(wěn)定可靠，隨著當前衛(wèi)星信號強度的變化，都能保證有效地解析當前雙模定位系統(tǒng)輸出的所有協(xié)議幀。本文提出的對字符協(xié)議分類處理的框架，對于其他字符數(shù)據(jù)協(xié)議的解析也有一定的參考意義。

參考文獻

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Research on protocol analysis algorithm of Beidou/GPS hybrid positioning system

LONG Zhehua1，WANG Jinhui1，PENG Xiaohong1，Lü Guitao2
（1. VLSI & System Laboratory，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2. Wuxi Xingrong Hengtong Technology Co.，Ltd.，Wuxi 214101，China）

Abstract：The Beidou/GPS hybrid positioning system has great reliability and adaptability，and is widely used in the fields of various location based service. Compared with the standard NMEA0183 protocol，the output protocol of the Beidou/GPS hy?brid positioning system is more complicated. With the intensity changing of satellite signal，the data size in single protocol frame and the output protocol frame are varied，therefore，the effective analysis of the output protocol frame in hybrid positioning sys?tem is extremely important. A new algorithm which is used to analysis the output protocol frame in hybrid positioning system is proposed. This method was successfully applied in UM220 Beidou/GPS hybrid positioning module. The actual measured results show that the system is stable and reliable.

Keywords：Beidou positioning system；GPS；NMEA0183 protocol；dual mode positioning

作者簡介：龍哲華（1991—），男，湖南茶陵人，碩士研究生。主要研究方向為北斗/GPS定位。

基金項目：國家自然科學基金(61204040，60976028)；教育部博士點基金(20121103120018)；北京市教育委員會科技計劃面上項目(JC002999201301)；北京市自然科學基金(4152004)資助

收稿日期：2015?07?19

doi：10.16652/j.issn.1004?373x.2016.01.002

中圖分類號：TN967.1?34

文獻標識碼：A

文章編號：1004?373X（2016）01?0006?03