.NET Compact Framework下的GPS NMEA data數據分析(上)

提供GPS功能的Wince和Windows Mobile都需要一個GPS接收器（GPS Receiver ）。GPS receiver就像一個收音機，他從太空中各個GPS衛星（Satellites）接 收信號，通過自身的算法（一般在Firmware裡面）計算出位置等信息，然後以 NMEA data的格式輸出。GPS receiver就是接收衛星信號轉換成NMEA data的設備 。

進行GPS的開發需要從GPS receiver取出NMEA data，分析出關心的數 據。關心的數據包括經度（Longitude），維度（Latitude）和海拔（Altitude ）等等。在Windows Mobile 5以上MS提供了GPS Intermediate Driver，開發人 員不再需要自己分析NMEA data了。但是Wince5以及以下版本不提供GPS Intermediate Driver，還是需要自己分析NMEA data來取出關心的信息。本文講 述如何使用C#進行NMEA data的分析。第一眼看，分析NMEA有自己做輪子之嫌， 其實了解NMEA的分析也是有好處的，由於各個生產GPS receiver的廠商在硬件工 藝和算法的不一樣，各個廠商都提供自己擴展的NMEA data，這些數據GPS Intermediate Driver是不支持的，需要自己分析。

NMEA 全稱NMEA 0183 ，是電子與數據的通信規范，也就是協議。實現該協議的設備輸出這種規范的數 據，其他應用就可以基於這協議分析出相關的數據。NMEA開始用在航海設備上， 現在廣泛用在GPS設備上，這就是為什麼NMEA的原始速度使用Knot（海裡/小時） 表示。下面是一段GPS NMEA data的范例

$GPRMC,000006,A,3754.6240,S,14509.7720,E,010.8,313.1,0101 08,011.8,E*6A
$GPGGA,201033,3754.6240,S,14509.7720,E,1,05,1.7,91.1,M,-1.1,M,,*75
$GPGSA,A,3,,05,10,,,,21,,29,30,,,2.9,1.7,1.3*32
$GPGSV,3,3,12,29,74,163,41,30,53,337,40,31,09,266,00,37,00,000,00*78 $PGRME,6.3,M,11.9,M,13.5,M*25
$PGRMB,0.0,200,,,,K,,N,W*28
$PGRMM,WGS 84*06

GPS NMEA data有以下特點：

* 每一條 NMEA data的數據都是以dollar符號開頭。

* 從第二個字符開始的前2個 字符表示發送者（talker）和接著3個字符表示數據（message）。其中上面的 talker中，GP表示通用的GPS NMEA data，而PG為特定廠商的NMEA data。

* 所有數據字段（data fields）都是使用逗號隔開(comma-delimited) 。

* 最後一個數據段接著一個星號(asterisk)。

* 星號後面是兩 位數字的校正碼(checksum)，checksum的計算方法是或計算在 '$' 和 '*'之間的所有字符。

* 最後以回車換行 (<CR><LF>)結尾。

有了上述規范，開發NMEA的分析器就變 得十分簡單，分析流程是：先接收一條NMEA語句（NMEA sentence），然後檢查 語句格式，檢查checksum，然後再根據talker和message進行分發，使用不同的 算法進行分析。下面為核心分析流程。

public bool Parse (string sentence)
　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　 string rawData = sentence;
　　　　　　　　　　　 try
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 if (!IsValid(sentence))
　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 return false;
　　　　　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　　　 　　 sentence = sentence.Substring(1, sentence.IndexOf('*') - 1);
　　　　　　　　　　　　　　　 string[] Words = Getwords(sentence);
　　　　　　　　　　　　　　　 switch (Words[0])
　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case "GPRMC":
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 return ParseGPRMC (Words);
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case "GPGGA":
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 return ParseGPGGA (Words);
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case "GPGSA":
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 return ParseGPGSA (Words);
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case "GPGSV":
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 return ParseGPGSV (Words);
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 default:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 return false;
　　　　　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 catch (Exception e)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 Console.WriteLine(e.Message + rawData);
　　　　　　　　　　　　　　　 return false;
　　　　　　　　　　　 }
}

代碼1

Parse為分析接 口，所有從GPS Receiver接收到NMEA data全部調用這個接口進行分析。

IsValid檢驗該NMEA sentence是否有效。

Checksum進行Checksum 運算，檢驗校驗碼是否有效。

接下來，講述關鍵語句的分析。進行語句 的分析，需要一個NMEA的規范手冊，這個手冊可以從GPS廠商下載，例如從 Garmin下載 NMEA手冊

在該手冊的第24頁可以看到GPRMC的協議定義。

圖1

根據手冊的規范定義，抽取想要的信息。如下代碼：

private bool ParseGPRMC(string[] Words)
　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　 if (Words[1].Length > 0 & Words [9].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 int UtcHours = Convert.ToInt32(Words [1].Substring(0, 2));
　　　　　　　　　　　　　　　 int UtcMinutes = Convert.ToInt32(Words [1].Substring(2, 2));
　　　　　　　　　　　　　　　 int UtcSeconds = Convert.ToInt32(Words [1].Substring(4, 2));
　　　　　　　　　　　　　　　 int UtcMilliseconds = 0;

　 　　　　　　　　　　　　　　 // Extract milliseconds if it is available
　　　　　　　　　　　　　　　 if (Words[1].Length > 7)
　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 UtcMilliseconds = Convert.ToInt32(Words[1].Substring(7));
　　　　　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　　　 　　 int UtcDay = Convert.ToInt32(Words[9].Substring(0, 2));
　　　　　　　　　　　　　　　 int UtcMonth = Convert.ToInt32(Words [9].Substring(2, 2));
　　　　　　　　　　　　　　　 // available for this century
　　　　　　　　　　　　　　　 int UtcYear = Convert.ToInt32(Words [9].Substring(4, 2)) + 2000;

　　　　　　　　　　　　　　　 utcDateTime = new DateTime(UtcYear, UtcMonth, UtcDay, UtcHours, UtcMinutes, UtcSeconds, UtcMilliseconds);
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 fixStatus = (Words[2][0] == 'A') ? FixStatus.Obtained : FixStatus.Lost;

　　　　　　　　　　　 if (Words[3].Length > 0 & Words [4].Length == 1 & Words[5].Length > 0 & Words[6].Length == 1)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 latitude.Hours = int.Parse(Words [3].Substring(0, 2));
　　　　　　　　　　　　　　　 latitude.Minutes = int.Parse(Words [3].Substring(2, 2));
　　　　　　　　　　　　　　　 latitude.Seconds = Math.Round (double.Parse(Words[3].Substring(5, 4)) * 6 / 1000.0, 3);
　　　　　　　　　　　　　　　 if ("S" == Words[4])
　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 latitude.Hours = - latitude.Hours;
　　　　　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　　　 　　 longitude.Hours = int.Parse(Words[5].Substring(0, 3));
　　　　　　　　　　　　　　　 longitude.Minutes = int.Parse(Words [5].Substring(3, 2));
　　　　　　　　　　　　　　　 longitude.Seconds = Math.Round (double.Parse(Words[5].Substring(6, 4)) * 6 / 1000.0, 3);
　　　　　　　　　　　　　　　 if ("W" == Words[6])
　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 longitude.Hours = - longitude.Hours;
　　　　　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 if (Words [8].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 azimuth = decimal.Parse(Words[8], NmeaCultureInfo);
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 if (Words [7].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 velocity = decimal.Parse(Words[7], NmeaCultureInfo) * KMpHPerKnot;
　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 return true;
}

代碼2

從 ParseGPRMC看，傳遞的參數是一個string的數組，分析要做的事情就是把數組的 元素根據手冊翻譯成需要的信息，例如字段1為UTC的日期信息，字段9為UTC的時 間信息。字段2為fix信息，就是GPS是否完成了初始化的信息。字段3，4為經度 ，字段5，6為維度。字段7為速度。字段8為角度。

private bool ParseGPGGA(string[] Words)
　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　 if (Words[6].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 switch (Convert.ToInt32(Words[6]))
　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case 0:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 differentialGpsType = DifferentialGpsType.NotSet;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case 1:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 differentialGpsType = DifferentialGpsType.SPS;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case 2:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 differentialGpsType = DifferentialGpsType.DSPS;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case 3:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 differentialGpsType = DifferentialGpsType.PPS;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case 4:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 differentialGpsType = DifferentialGpsType.RTK;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 default:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 differentialGpsType = DifferentialGpsType.NotSet;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 if (Words [7].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 satellitesInUsed = Convert.ToInt32 (Words[7]);
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 if (Words [8].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 horizontalDilutionOfPrecision = Convert.ToDecimal(Words[8]);
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 if (Words [9].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 altitude = Convert.ToDecimal(Words [9]);
　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 return true;
}

代碼3

分 析ParseGPGGA和分析ParseGPRMC一樣，從數組抽取信息，字段6為fix類型，這個 參數表示使用了那些輔佐衛星或者地面信號站來提高GPS的精度。SPS為普通類型 ，DSPS使用了DGPS 地面信號站fix，DSPS使用了WAAS位置衛星fix（只是用在美 國），PPS使用了EGNOS位置衛星fix（只是用在歐洲），RTK使用了MSAS位置衛星 fix（只是用在亞洲）。字段7為使用衛星的數量。字段8為水平精度。字段9為海 拔。

private bool ParseGPGSA(string[] Words)
　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　 if (Words[1].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 fixMode = Words[1][0] == 'A' ? FixMode.Auto : FixMode.Manual;
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 if (Words [2].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 switch (Convert.ToInt32(Words[2]))
　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case 1:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 fixMethod = FixMethod.NotSet;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case 2:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 fixMethod = FixMethod.Fix2D;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 case 3:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 fixMethod = FixMethod.Fix3D;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 default:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 fixMethod = FixMethod.NotSet;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 foreach (GpsSatellite s in satellites.Values)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 s.InUsed = false;
　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 satellitesInUsed = 0;
　　　　　　　　　　　 for (int i = 0; i < 12; ++i)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 string id = Words[3 + i];
　　　　　　　　　　　　　　　 if (id.Length > 0)
　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 int nId = Convert.ToInt32 (id);
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 if (!satellites.ContainsKey (nId))
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 satellites[nId] = new GpsSatellite();
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 satellites[nId].PRC = nId;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 satellites[nId].InUsed = true;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ++satellitesInUsed;
　　　　　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 if (Words [15].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 positionDilutionOfPrecision = Convert.ToDecimal(Words[15]);
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 if (Words [16].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 horizontalDilutionOfPrecision = Convert.ToDecimal(Words[16]);
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 if (Words [17].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 verticalDilutionOfPrecision = Convert.ToDecimal(Words[17]);
　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 return true;
}

代碼4

從 ParseGPGSA看，字段1為fix的狀態，手工fix或者自動fix。字段2為fix的方法， 2D或者3D。字段3到14共12個字段分別為在使用衛星的信息。字段15為位置精度 信息。字段16為水平精度信息。字段17為垂直精度信息。

private bool ParseGPGSV(string[] Words)
　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　 int messageNumber = 0;

　　　　　　 　　　　　 if (Words[2].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 messageNumber = Convert.ToInt32(Words [2]);
　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 if (Words[3].Length > 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 satellitesInView = Convert.ToInt32 (Words[3]);
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 if (messageNumber == 0 || satellitesInView == 0)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 return false;
　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　　　 for (int i = 1; i <= 4; ++i)
　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　 if ((Words.Length - 1) >= (i * 4 + 3))
　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 int nId = 0;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 if (Words[i * 4].Length > 0)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 string id = Words[i * 4];
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 nId = Convert.ToInt32 (id);
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 if (! satellites.ContainsKey(nId))
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 satellites[nId] = new GpsSatellite();
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 satellites [nId].PRC = nId;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 satellites[nId].InView = true;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　 if (Words[i * 4 + 1].Length > 0)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 satellites [nId].Elevation = Convert.ToInt32(Words[i * 4 + 1]);
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　 if (Words[i * 4 + 2].Length > 0)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 satellites[nId].Azimuth = Convert.ToInt32(Words[i * 4 + 2]);
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 }

　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　 if (Words[i * 4 + 3].Length > 0)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 satellites[nId].SNR = Convert.ToInt32(Words[i * 4 + 3]);
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 satellites [nId].NotTracking = false;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 else
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 satellites [nId].NotTracking = true;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 }
　　　　　　　　　　　 return true;
}