GPS 模組的使用

chtseng

上方這是一款常見的USB介面的GPS衛星接收器，透過USB模擬TTY介面，我們可以使用程式讀取serial port獲得GPS的資訊。以Linux環境（包含Raspberry OS）為例，OS透過所謂的UDEV daemon來進行設備的管理，對應並維護/dev目錄底下的裝置節點。因此，當我們插入了此USB GPS，會在/dev目錄下產生一個ttyUSB0的序列埠裝置，此時我們便可依tty的讀取方式，取得即時的GPS資訊。

如果您購買的GPS裝置不是USB介面而是UART介面，那麼就要接到Raspberry GPIO的序列埠，Raspberry Pi比較特殊的是，在/dev下它本機的UART介面不叫ttyS0或ttyS1，而是ttyAMA0或ttyAMA1，這是在使用TTY時需要注意的。

GPS的格式

目前GPS標準的規格稱為NMEA 0183，由美國國家海洋電子協會（National Marine Electronics Association，NMEA）所制定，其傳輸規範如下：（來源：WIKI）

  • Baud rate：4,800
  • Data bits：8
  • Parity：None
  • Stop bits：1
  • Handshake：None

保留字元：(已使用於GPS訊息中)

ASCII Hex Dec Use
<CR> 0x0d 13 Carriage return
<LF> 0x0a 10 Line feed, end delimiter
! 0x21 33 Start of encapsulation sentence delimiter
$ 0x24 36 Start delimiter
* 0x2a 42 Checksum delimiter
, 0x2c 44 Field delimiter
\ 0x5c 92 TAG block delimiter
^ 0x5e 94 Code delimiter for HEX representation of ISO/IEC 8859-1 (ASCII) characters
~ 0x7e 126 Reserved

讀取GPS

  1. 將GPS插上USB port後，在/dev目錄下會多出一個ttyUSB0的檔案。
  2. 安裝pySerial，透過Python讀取serial的模組：
pip install pyserial
  1. 執行下方的程式：
# -*- coding: UTF-8 -*-
import serial

COM_PORT = '/dev/ttyUSB0' 
BAUD_RATES = 4800 
ser = serial.Serial(COM_PORT, BAUD_RATES) 

try:
    while True:
        while ser.in_waiting: 
        data_raw = ser.readline()
        data = data_raw.decode() # 預設的UTF-8解碼
        print('Raw data：', data_raw)
        print('Decoded ：', data)

except KeyboardInterrupt:
    ser.close() 
    print('by...')

第一行的「# -*- coding: UTF-8 -*-」一定要加上，否則decode()編碼為UTF-8時會出現如下的error message。

UnicodeDecodeError: ‘utf-8’ codec can’t decode byte 0xc6 in position 2: invalid continuation byte

解碼GPS

執行後會持續收取到如下的message，這些資訊很明顯為CSV格式，每一行稱為一個sentence，一個sentence最長不會超過82個字元：

Raw data： b’,11,32,32,149,,29,18,043,,18,02,102,*48\r\n’

Decoded ： ,11,32,32,149,,29,18,043,,18,02,102,*48

Raw data： b’$GPRMC,095912.000,A,2446.4094,N,12101.0267,E,0.00,121.28,281120,,,A*65\r\n’

Decoded ： $GPRMC,095912.000,A,2446.4094,N,12101.0267,E,0.00,121.28,281120,,,A*65

Raw data： b’$GPGGA,095913.000,2446.4094,N,12101.0267,E,1,06,1.8,125.8,M,15.0,M,,0000*53\r\n’

Decoded ： $GPGGA,095913.000,2446.4094,N,12101.0267,E,1,06,1.8,125.8,M,15.0,M,,0000*53

Raw data： b’$GPGSA,A,3,26,16,27,04,03,22,,,,,,,2.9,1.8,2.2*31\r\n’

Decoded ： $GPGSA,A,3,26,16,27,04,03,22,,,,,,,2.9,1.8,2.2*31

Raw data： b’$GPRMC,095913.000,A,2446.4094,N,12101.0267,E,0.00,121.28,281120,,,A*64\r\n’

Decoded ： $GPRMC,095913.000,A,2446.4094,N,12101.0267,E,0.00,121.28,281120,,,A*64

每行sentence具有以下的結構：

start character

每行的啟始字元只有兩種：$以及!，「$」符號表示該行為正確的GPS資訊，「!」符號表示該行有特殊的異常資訊。

Ex: $GPRMC,095912.000,A,2446.4094,N,12101.0267,E,0.00,121.28,281120,,,A*65

identify characters

啟始字元後方的五個字元稱為identifier，表示該sentence的種類，目前已知超過五十多種。（下方資料來源：http://aprs.gids.nl/nmea/#allgp）

  1. $GPAAM – Waypoint Arrival Alarm
  2. $GPALM – GPS Almanac Data
  3. $GPAPA – Autopilot Sentence “A"
  4. $GPAPB – Autopilot Sentence “B"
  5. $GPASD – Autopilot System Data
  6. $GPBEC – Bearing & Distance to Waypoint, Dead Reckoning
  7. $GPBOD – Bearing, Origin to Destination
  8. $GPBWC – Bearing & Distance to Waypoint, Great Circle
  9. $GPBWR – Bearing & Distance to Waypoint, Rhumb Line
  10. $GPBWW – Bearing, Waypoint to Waypoint
  11. $GPDBT – Depth Below Transducer
  12. $GPDCN – Decca Position
  13. $GPDPT – Depth
  14. $GPFSI – Frequency Set Information
  15. $GPGGA – Global Positioning System Fix Data
  16. $GPGLC – Geographic Position, Loran-C
  17. $GPGLL – Geographic Position, Latitude/Longitude
  18. $GPGSA – GPS DOP and Active Satellites
  19. $GPGSV – GPS Satellites in View
  20. $GPGXA – TRANSIT Position
  21. $GPHDG – Heading, Deviation & Variation
  22. $GPHDT – Heading, True
  23. $GPHSC – Heading Steering Command
  24. $GPLCD – Loran-C Signal Data
  25. $GPMTA – Air Temperature (to be phased out)
  26. $GPMTW – Water Temperature
  27. $GPMWD – Wind Direction
  28. $GPMWV – Wind Speed and Angle
  29. $GPOLN – Omega Lane Numbers
  30. $GPOSD – Own Ship Data
  31. $GPR00 – Waypoint active route (not standard)
  32. $GPRMA – Recommended Minimum Specific Loran-C Data
  33. $GPRMB – Recommended Minimum Navigation Information
  34. $GPRMC – Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data
  35. $GPROT – Rate of Turn
  36. $GPRPM – Revolutions
  37. $GPRSA – Rudder Sensor Angle
  38. $GPRSD – RADAR System Data
  39. $GPRTE – Routes
  40. $GPSFI – Scanning Frequency Information
  41. $GPSTN – Multiple Data ID
  42. $GPTRF – Transit Fix Data
  43. $GPTTM – Tracked Target Message
  44. $GPVBW – Dual Ground/Water Speed
  45. $GPVDR – Set and Drift
  46. $GPVHW – Water Speed and Heading
  47. $GPVLW – Distance Traveled through the Water
  48. $GPVPW – Speed, Measured Parallel to Wind
  49. $GPVTG – Track Made Good and Ground Speed
  50. $GPWCV – Waypoint Closure Velocity
  51. $GPWNC – Distance, Waypoint to Waypoint
  52. $GPWPL – Waypoint Location
  53. $GPXDR – Transducer Measurements
  54. $GPXTE – Cross-Track Error, Measured
  55. $GPXTR – Cross-Track Error, Dead Reckoning
  56. $GPZDA – Time & Date
  57. $GPZFO – UTC & Time from Origin Waypoint
  58. $GPZTG – UTC & Time to Destination Waypoint

但不是每種GPS裝置都支援（可輸出）這麼多種，以我手上的這支環天出品的GPS為例，僅支援GPRMC、GPGGA與GPGSA這三種identifier。

GPGGA格式

  1. 為identify characters
  2. 為UTC 時間，格式：hhmmss（時分秒）。
  3. 緯度ddmm.mmmm（度分）格式
  4. 緯度半球N（北半球）或S（南半球）
  5. 經度dddmm.mmmm（度分）格式
  6. 經度半球E（東經）或W（西經）
  7. Fix Quality：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算
  8. 已抓取定位的衛星數目：如本例為7個
  9. Horizontal Dilution of Precision (HDOP) 海拔高度
  10. 海拔高度（-9999.9~99999.9），指高於海平面的高度。
  11. 衛星高度單位：Ｍ為公尺
  12. 地球橢球面相對大地水準面的高度
  13. 水平面高度單位：Ｍ為公尺
  14. 差分時間（從最近一次接收到差分信號開始的秒數，如果不是差分定位將為空）
  15. 差分站ID號0000~1023（前面的0也將被傳輸，如果不是差分定位將為空）

GPGSA格式

  1. 為identify characters
  2. 定位方式：M = 手動， A = 自動。
  3. 定位型式 1 = 未定位， 2 = 二維定位， 3 = 三維定位。
  4. 第一組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
  5. 第二組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
  6. 第三組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
  7. 第四組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
  8. 第五組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
  9. 第六組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
  10. 第七組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
  11. 第八組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
  12. 第九組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
  13. 第十組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
  14. 第十一組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
  15. 第十二組PRN 數字(IDs of SVs used in position)：01 至 32 表天空使用中的衛星編號
    (最多可接收12顆衛星資訊)
  16. PDOP位置精度因數（0.5~99.9）
  17. HDOP水準精度因數（0.5~99.9）
  18. VDOP垂直精度因數（0.5~99.9）
  19. Checksum.(檢查位).

GPRMC格式

  1. 為identify characters
  2. UTC時間，hhmmss（時分秒）格式
  3. 定位狀態，A=有效定位，V=無效定位
  4. 緯度ddmm.mmmm（度分）格式
  5. 緯度半球N（北半球）或S（南半球）
  6. 經度dddmm.mmmm（度分）格式
  7. 經度半球E（東經）或W（西經）
  8. 地面速率（000.0~999.9節）
  9. 地面航向（000.0~359.9度，以真北為參考基準）
  10. UTC日期，ddmmyy（日月年）格式
  11. 磁偏角（000.0~180.0度）
  12. 磁偏角方向，E（東）或W（西）
  13. 模式指示（A=自主定位，D=差分，E=估算，N=資料無效）

使用GPS

以這支Globalsat 環天衛星接收器（BU-353S4 GPS）為例，它可輸出三種格式的資訊：GPRMC、GPGGA與GPGSA，從上方表格的identify資訊我們可以知道，如果要取得目前GPS所在位置，使用GPRMS是最適合的，如果要取得目前海拔高度，就要使用GPGGA，而如果要知道各衛星的詳細定位資訊，那麼就要用GPGSA。

透過TTY來使用GPS模組相當的容易且方便，因此，我們可以利用Arduino或樹莓派等開發板，快速的開發出各式功能以滿足與「位置」情境相關的應用需求。

發表者：chtseng