GPS定位系统的通信协议主要分为两大类：NMEA 0183标准文本协议和厂商二进制协议（如UBX、SiRF等）。以下是详细说明：

一、NMEA 0183 标准协议

NMEA 0183是由美国国家海洋电子协会制定的通用GPS数据格式协议，采用ASCII明文传输，兼容性极强，广泛应用于民用设备。

1. 协议特性

数据格式：逗号分隔的文本字符串，以$开头，*后接校验和，结尾为<CR><LF>。

1
$GPGGA,092255.00,4807.0386,N,01131.0000,E,1,08,1.2,545.4,M,46.9,M,,*42
  • 校验和：$与*之间的字符异或运算（XOR）后的十六进制值，用于验证数据完整性。
  • 传输速率：默认波特率通常为9600 bps，可通过配置修改。

2. 核心语句类型

以下为最常见的NMEA语句及其功能：

语句类型 描述 关键字段示例
$GPGGA 全球定位系统固定数据 时间、纬度、经度、定位质量、卫星数、HDOP、海拔
$GPRMC 推荐最小定位数据 时间、状态（A/V）、纬度、经度、速度、日期
$GPGSV 可见卫星信息 卫星总数、仰角、方位角、信噪比（SNR）
$GPGSA 精度因子与活动卫星 定位模式（2D/3D）、卫星ID、PDOP/HDOP/VDOP
$GPVTG 地面速度与航向 真北航向、磁北航向、地面速度（km/h或节）
$GPGLL 地理定位信息（简化版） 纬度、经度、UTC时间、状态

3. 多系统扩展

支持多卫星系统（如北斗、GLONASS、Galileo）的模块会使用以下前缀：

  • GP：GPS（美国）
  • GL：GLONASS（俄罗斯）
  • GA：Galileo（欧盟）
  • BD 或 GB：北斗（中国）
  • GN：混合系统（如$GNGGA表示多系统联合定位数据）

二进制协议（厂商私有协议）

为提高效率和实现高级控制，厂商设计了二进制协议，例如：

1. UBX协议（u-blox模块）

  • 特点：高效二进制格式，支持配置、诊断、高精度定位。

  • 消息结构：

    1
    2
    3
    4
    5
    [0xB5][0x62]  // 同步头
    [Class][ID]    // 消息类型标识
    [Length]       // 数据长度
    [Payload]      // 数据内容
    [CK_A][CK_B]   // 校验和

  • 常用功能：

    • 配置输出频率（CFG-MSG）
    • 设置定位模式（NAV5）
    • 获取原始观测数据（RXM-RAW）

2. SiRF协议（SiRFstar芯片）

  • 特点：早期广泛使用的二进制协议，支持星历下载和低功耗模式。
  • 消息结构：以0xA0开头，包含消息ID和数据负载。

三、协议应用场景

协议类型 适用场景 优势与劣势
NMEA 0183 通用设备（车载导航、手持终端） ✅ 兼容性强，易解析 ❌ 效率低，冗余多
UBX/SiRF 高精度定位（无人机、测绘） ✅ 高效，支持高级功能 ❌ 需专用解析库

四、协议解析示例

NMEA语句解析（以$GPGGA为例）

1
$GPGGA,092255.00,4807.0386,N,01131.0000,E,1,08,1.2,545.4,M,46.9,M,,*42

  • 字段分解：

    序号 字段 含义
    1 092255.00 UTC时间（09:22:55）
    2 4807.0386 纬度（48°07.0386’）
    3 N 北纬
    4 01131.0000 经度（011°31.0000’）
    5 E 东经
    6 1 定位质量（0=无效，1=单点定位）
    7 08 参与定位的卫星数量
    8 1.2 HDOP（水平定位精度因子）
    9 545.4,M 海拔高度（米）

UBX协议解析示例（配置消息）

plaintext

1
B5 62 06 00 14 00 01 00 00 00 D0 08 00 00 00 96 00 00 07 00 01 00 00 00 00 00 9A 99
  • 解析：
    • 同步头：B5 62
    • Class-ID：06 00（CFG-MSG）
    • 负载：设置NMEA语句GGA的输出频率为1Hz。

五、协议调试工具

  1. 串口调试助手：如Putty、Tera Term，直接查看原始数据。
  2. 专用软件：
    • u-blox u-center（支持UBX协议配置）
    • GPSInfo（可视化NMEA数据）
  3. 在线校验工具：验证NMEA校验和（如nmea-checksum）。

六、注意事项

  1. 数据完整性：需校验和验证，避免解析错误。
  2. 多系统兼容：混合定位时需注意语句前缀（如$GNGGA可能包含GPS+北斗数据）。
  3. 波特率匹配：确保设备与接收端波特率一致（常见值：4800/9600/115200 bps）。

掌握GPS协议是开发定位系统的核心基础，通过协议解析可快速诊断硬件问题（如天线信号弱、卫星数不足）或配置错误（如输出频率设置不当）。

3. 如何查看日志？

方法1：直接阅读NMEA日志

  • 示例日志行：

    1
    $GNGGA,102842.00,2231.86157,N,11356.30255,E,1,05,10.50,129.7,M,-2.7,M,,*65

  • 解析：

    • **102842.00**：UTC时间（10:28:42.00）
    • **2231.86157,N**：纬度（22°31.86157’ 北纬）
    • **11356.30255,E**：经度（113°56.30255’ 东经）
    • **1**：定位质量（1=单点定位）
    • **05**：参与定位的卫星数
    • **10.50**：HDOP（水平精度因子，越小越好）
    • **129.7,M**：海拔高度（129.7米

4. 如何判断GPS数据是否有效？

关键指标 有效值 无效值
定位状态（$GNRMC） A（有效） V（无效）
定位质量（$GNGGA） 1（单点定位） 0（无效）
卫星数（$GNGGA） ≥4 <4
HDOP（$GNGGA） <2（优） >10（差）