Описание NMEA протокола. Реализация в приемниках Garmin и GlobalSat

Введение

Национальная Ассоциация Морской Электроники (National Marine Electronics Association - NMEA) разработала специальный протокол для поддержания совместимости морского навигационного оборудования различных производителей.  Этот NMEA протокол описывает не только данные, полученные с GPS приемников, но и измерения сонаров, радаров, электронных компасов, барометров и других навигационных устройств, использующихся на морских судах.

Интерфейс обмена данными большинства портативных GPS приемников реализован в соответствии с этой спецификацией. Большинство навигационных программ, которые обеспечивают отображение данных в реальном времени, поддерживают и «понимают» NMEA протокол. Эти данные содержат полные навигационные измерения GPS приемника – позицию, скорость и время. Все NMEA сообщения состоят из последовательного набора данных, разделенных запятыми. Каждое отдельное сообщение не зависит от других и является полностью «завершенным». NMEA cообщение включает заголовок, набор данных, представленных ASCII символами, и поле «чексуммы» для проверки достоверности переданной информации.

Заголовок стандартных NMEA сообщений состоит из 5 символов, из которых два первых определяют тип сообщения, а оставшиеся три – его название. Например, все GPS NMEA сообщения имеют префикс «GP».  Сообщения, которые не описаны в спецификации NMEA, но реализованы в GPS приемниках в соответствии с общими правилами, имеют префикс «Р», дополненный тремя символами, уникальными для каждой компании. Например, «собственные» NMEA сообщения Garmin имеют префикс «PGRM», Magellan – «PMGN»
Каждое NMEA сообщение начинается с «$», заканчивается «n» ( «перевод строки») и не может быть длиннее 80-и символов. Все данные содержаться в одной строке и отделены друг от друга запятыми. Информация представлена в виде ASCII текста и не требует специального декодирования. Если данные не умещаются в выделенные 80 символов, то они «разбиваются» на несколько NMEA сообщений.

Такой формат позволяет не ограничивать точность и количество символов в отдельных полях данных. Например, дробная часть значения координат может быть представлена 3 или 4 знаками после запятой, но это никак не должно повлиять на работу программного обеспечения, которые выделяет нужные данные из сообщения по номеру поля. В конце каждого NMEA сообщения содержится поле «чексуммы», отделенное от данных символом «*». При необходимости оно может использоваться для проверки целостности и достоверности каждого принятого сообщения.

NMEA протокол поддерживает не только исходящие, но и входящие сообщения, с помощью которых, например, можно обновить или добавить путевые точки маршрута. Эти сообщения должны быть сформированы в строгом соответствии с форматом  NMEA, в противном случае, они будут просто проигнорированы GPS приемником. Стоит отметить, что не все навигационные программы и модели приемников поддерживают этот режим, так как используют для загрузки точек и маршрутов фирменные протоколы производителей – Garmin, Magellan и т.д.

С момента создания, NMEA протокол претерпел несколько модификаций, связанных с добавлением новых полей и сообщений. Текущей версией, которую поддерживают большинство приемников, является версия 2.3, хотя уже опубликовано описание новой версии 3.0. Полная спецификация NMEA сообщений отсутствует в свободном доступе и ее нельзя официально скачать в электронном виде, Отдельные ее разделы, общее описание NMEA протокола и наиболее популярных сообщений можно найти в Интернете. Официально приобрести NMEA документацию можно на сайте www.nmea.org .


Список сообщений

NMEA протокол описывает большой список различных сообщений, из которых можно выделить два десятка сообщений, активно использующихся в навигационной аппаратуре. В связи с большой популярностью и простой представления данных, NMEA протокол нашел применение не только морской аппаратурой, но и в геодезических, бытовых и авиационных GPS приемниках.

• AAM – Прибытие в путевую точку
• ALM – Данные альманаха
• АPA – Данные автопилота «А»
• APB – Данные автопилота «В»
• BOD – Азимут на пункт назначения
• DTM – Используемый датум
• GGA – Информация о фиксированном решении
• GLL – Данные широты и долготы
• GSA – Общая информация о спутниках
• GSV – Детальная информация о спутниках
• MSK – Передача управлению базовому приемнику
• MSS – Статус базового приемника
• RMA – Рекомендованный набор данных системы «Loran»
• RMB – Рекомендованный набор навигационных GPS данных
• RMC – Рекомендованный минимальный набор GPS данных
• RTE – Маршрутная информация
• VTG – Вектор движения и скорости
• WCV - Данные скорости вблизи путевой точки
• WPL – Данные путевой точки
• XTC – Ошибка отклонения от трека
• XTE – Измеренная ошибка отклонения от трека
• ZTG – UTC время и оставшееся время до прибытия в точку назначения
• ZDA – Дата и время.

Некоторые из NMEA сообщений могут содержать одинаковые поля данных, либо полностью содержать данные других, меньших по размеру, NMEA сообщений.


Содержание NMEA сообщений
 

GGA -  информация о фиксированном решении.
Самое популярное и наиболее используемое NMEA сообщение с информацией о текущем фиксированном решении – горизонтальные координаты, значение высоты, количество используемых спутников и тип решения.

$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47
где:

• GGA – Заговолок
• 123519 –UTC время 12:35:19
• 4807.038, N – Широта, 48 градусов 7.038 минуты северной широты
• 01131.000, Е – Долгота, 11 градусов 31.000 минуты восточной долготы
• 1  - тип решение, StandAlone решение
  • 0 – нет решения,
  • 1 – StandAlone,
  • 2 – DGPS,
  • 3 – PPS,
  • 4 – фиксированный RTK,
  • 5 – не фиксированный RTK, 
  • 6 – использование данных инерциальных систем,
  • 7 – ручной режим,
  • 8 – режим симуляции
• 08 – количество используемых спутников
• 0.9 – геометрический фактор, HDOP
• 545.4, М – высота над уровнем моря в метрах
• 46.9, М – высота геоида над эллипсоидом WGS 84
• [пустое поле] – время прошедшее  с момента получения последней DGPS поправки. Заполняется при активизации DGPS режима
• [пустое поле] – идентификационный номер базовой станции. Заполняется при активизации DGPS режима.

GSA – общая информация о спутниках.
Это NMEA сообщение содержит список спутников, используемых в подсчете позиции и значения геометрических факторов DOPs, определяющих точность подсчете позиции. Параметры DOP определяются геометрическим расположением спутников на небе.  Чем лучше «распределены» на небе спутники, тем меньше DOP и тем лучше точность позиции. Минимальное значение PDOP (= 1) соответствует ситуации, когда один спутник находится строго над пользователем, а другие 3 равномерно распределены вокруг на уровне горизонта. Значение PDOP вычисляется, как квадратный корень из суммы квадратов HDOP и VDOP.

$GPGSA,A,3,04,05,,09,12,,,24,,,,,2.5,1.3,2.1*39
где:

• GSA – заголовок
• А – тип выбора между 2D и 3D решениями, Автоматический (A-auto, M-manual)
• 3 – тип решения, 3D решение (1 – нет решения, 2 – 2D решение, 3 – 3D решение)
• 04,05… - PRN коды используемых в подсчете позиции спутников (12 полей)
• 2.5 – пространственный геометрический фактор, PDOP
• 1.3 – горизонтальный геометрический фактор, HDOP
• 2.1 – вертикальный геометрический фактор, VDOP

GSV - Детальная информация о спутниках
Это NMEA сообщение содержит детальную информацию для всех отслеживаемых навигатором GPS спутников. Исходя из ограничения в 80 символов в составе одного NMEA сообщения могут передаваться данные только для 4-х спутников. Соответственно для 12 спутников требуется 3 сообщения GSV.
Поле SNR (Signal to Noise Ration) содержит значения уровней, принимаемых со спутников, навигационных сигналов. Теоретически его значение может варьироваться от 0 до 99 и измеряется в dB. Фактически уровень сигнала лежит в диапазоне 25 …35 dB. Здесь стоит отметить, что данный параметр не является абсолютным и не подходит для сравнения чувствительности приемников разных моделей и производителей. В GPS навигаторах могут использоваться различные алгоритмы вычисления уровня принимаемого сигнала, что приводит к разным результатам при равной степени чувствительности приемников.
Для каждого видимого GPS спутника передается набор информации, включающий уровень сигнала, угол возвышения и азимут спутника. Количество этих «наборов» определяется общем количеством видимых спутников, значение которого передается в отдельном поле.

$GPGSV,2,1,08,01,40,083,46,02,17,308,41,12,07,344,39,14,22,228,45*75
где:

• GSV – заголовок
• 2 – количество сообщений GSV в пакете
• 1 – номер сообщения в пакете (от 1 до 3)
• 08 – количество видимых спутников
• 01 – номер спутника
• 40 – угол возвышения, в градусах
• 083 – азимут в градусах
• 46 – SNR, уровень сигнала

RMC - рекомендованный минимальный набор GPS данных
Это NMEA сообщение содержит весь наборы, так называемых «PVT» данных.  «PVT» - общепринятое сокращение от «position, velocity, time» (позиция, скорость, время).

$GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4,084.4,230394,003.1,W*6A

где:

• RMC – заголовок
• 123419 – UTC время, 12:34:59
• А – статус  (А- активный, V- игнорировать)
• 4807.038,N – Широта, 48 градусов 07.038 минут северной широты
• 01131.000,Е – Долгота, 11 градусов 31.000 минута восточной долготы
• 022.4 – Скорость, в узлах
• 084.4 – Направление движения, в градусах
• 230394 – Дата, 23 марта 1994 года
• 003.1,W – Магнитные вариации

GLL - данные широты и долготы

NMEA сообщение со значением координат широты и долготы, и времени когда было вычислено это решение.

$GPGLL,4916.45,N,12311.12,W,225444,A,*31

где:

• GLL – заголовок
• 4916.46,N – широта, 49 градусов 16.45 минут северной широты
• 12311.12,W-долгота, 123 градуса 11.12 минут западной долготы
• 225444 – Время фиксации в шкале времени UTC, 22:54:44
• А – Тип данных, (А – активные, V - игнорировать)

ВOD - Азимут на пункт назначения
Это NMEA сообщение указывает азимут на точку назначения в режиме навигации.

$GPBOD,045.,T,023.,M,DEST,START*01

где:

• BOD – заголовок
• 045.,T – истинное направление на точку
• 023.,M – магнитное направление на точку
• DEST – идентификационный номер  конечной точки
• START – идентификационный номер начальной точки

RMB – рекомендованный набор навигационных GPS данных

NMEA сообщение содержит рекомендованный минимальный набор данных для навигации «по маршруту» или «на точку» в режиме «Goto».

$GPRMB,A,0.66,L,003,004,4917.24,N,12309.57,W,001.3,052.5,000.5,V*20

где:

• RMB – заголовок
• А – Тип данных, (А – активные, V - игнорировать)
• 0.66,L – отклонение от трека. Параметра определен в морских милях. (L –влево, R-вправо)
• 003 - идентификационный номер начальной точки
• 004 - идентификационный номер конечной точки
• 4917.24,N – значение широты конечной точки, 49 градусов 17.24 минуты северной широты
• 12309.57,W – значение долготы конечной точки, 123 градуса 09.57 минут западной долготы
• 001.3 – расстояние до точки, в морских милях
• 052.5 – направление на точку
• 000.5 – скорость, в узлах
• V – информация о прибытии ( А – прибытие,  V – точка еще не достигнута)

RTE – Маршрутная информация

NMEA сообщение RTE выводит список путевых точек активного маршрута. Есть два типа сообщений RTE.  В первом случае, отображаются все точки маршрута. Во втором, только список оставшихся точек, которые еще предстоит посетить при движении по маршруту. Учитывая, что в NMEA протоколе есть ограничение, по которому длина сообщение не должна превышать 80 символов, сообщение RTE может состоять из нескольких строк.

$GPRTE,2,1,c,0,W3IWI,DRIVWY,32CEDR,32-29,32BKLD,32-I95,32-US1,BW-32,BW-198*69

где:

• RTE – заголовок
• 2 – общее количество сообщений для отображения полного списка данных
• 1 – номер сообщения из общего списка
• с – тип RTE сообщения (с – полный список точек маршрута,   w – список точек, которые еще предстоит посетить)
• 0 – идентификатор маршрута
• W3IWI,DRIVWY,.. - список путевых точек

 Особенности Garmin

Приемники Garmin поддерживают большинство сообщений NMEA, содержащие GPS измерения, координаты и время – GGA, GLL, GSA, GSV, RMC. А также навигационные сообщения – RMB, BOD

Для вывода этих сообщений необходимо в настройках приемника изменить интерфейс с «Garmin» на «NMEA» и возможно установить нужную скорость. Эту же скорость необходимо установить в навигационной программе в настройках последовательного порта к которому подключается навигатор.

К сожалению, приемники с USB –портом не поддерживают NMEA протокол, ограничивая его настройки только протоколом «Garmin»

Для вывода информации поступающей в последовательный порт компьютера можно воспользоваться терминальной программой Windows, либо одной из навигационных программ поддерживающих такую возможность.

Ниже представлен список NMEA сообщений приемника Garmin eMap, которые содержаться в составе одной эпохи.
 

$GPRMC,135412,A,5522.8973,N,03710.1401,E,0.0,0.0,190507,9.3,E,A*1F

$GPRMB,A,,,,,,,,,,,,A,A*0B

$GPGGA,135412,5522.8973,N,03710.1401,E,1,04,5.4,205.2,M,15.8,M,,*4A

$GPGSA,A,3,,,,08,,13,,23,,25,,,5.7,5.4,1.0*3C

$GPGSV,3,1,11,02,15,267,00,03,11,085,45,04,05,236,00,08,39,233,00*77

$GPGSV,3,2,11,10,32,308,00,13,63,109,43,16,17,037,00,23,31,111,38*77

$GPGSV,3,3,11,24,09,343,00,25,66,077,44,27,69,229,00*46

$GPGLL,5522.8973,N,03710.1401,E,135412,A,A*43

$GPBOD,,T,,M,,*47

$PGRME,19.1,M,15.2,M,25.3,M*15

$ PGRMZ,673, f,3*19

$ PGRMM, WGS 84*06

В дополнение к стандартным NMEA сообщениям, в приемниках Garmin реализован собственный набор сообщений, каждое из которых в заголовке содержит префикс «GRM», идентификатор «М» или «Z», определяющий тип данных, и один символ для названия.

PGRME – оценка ошибки позиционирования

$PGRME,15.0,M,45.0,M,25.0,M*1C

где:

• 15.0,М – оценка горизонтальной ошибки позиционирования, в метрах
• 45.0,М – оценка вертикальной ошибки, в метрах
• 25.0,М – эквивалентная сферическая ошибка позиционирования

PGRMZ – измерения высоты

$PGRMZ,93,f,3*21

где:

• 93,f – значение высоты, в фунтах
• 3 -  условия измерения позиции (2 – высота, определенная пользователем, 3 – высота, вычисленная GPS)

PGRMM – текущий датум

$PGRMM,NAD27 Canada*2F

где:

• NAD27 Canada – название текущего горизонтального датума

Особенности Sirf

GPS чипы компании «Sirf» используются в различном навигационном GPS оборудовании, начиная от обычных плат, заканчивая портативными и автомобильными GPS навигаторами. Но в отличие от навигаторов, они поддерживают только NMEA сообщения связанные с   GPS измерениями, вычислением позиции и времени – GGA, GLL, GSA, GSV, RMC, VTG, ZDA.

«Sirf» поддерживает также несколько «входящих» NMEA сообщений, предназначенных для конфигурации и настройки различных параметров. В дополнение, в «Sirf» реализован собственный бинарный протокол, который позволяет изменить значительно больше настроек. Эти 5 «входящих» NMEA сообщений в соответствии с правилами начинают с префикса $PSFR. Все сообщения содержат фиксированный набор данных и заканчиваются символом «n» (перевод строки)

Для конфигурации параметров «Sirf» используется специальная программа «SirfTech». Настройка параметров NMEA сообщение осуществляется в отдельном пункте меню.

Все NMEA сообщения приемника можно сохранить в файл. Ниже представлен список NMEA сообщений приемника GlobalSat BT-338, которые содержатся в составе одной эпохи.
 

$GPGGA,100643.000,5522.9036,N,03710.1282,E,1,07,1.6,209.9,M,14.9,M,,0000*52

$GPGSA,A,3,31,01,23,20,11,30,14,,,,,,2.1,1.6,1.4*35

$GPGSV,3,1,12,20,84,187,41,01,49,067,46,23,46,238,45,31,45,073,50*7B

$GPGSV,3,2,12,11,25,194,34,13,16,240,,04,15,319,30,17,14,273,21*7A

$GPGSV,3,3,12,30,10,026,33,14,05,063,22,05,04,009,25,25,03,195,*7F

$GPRMC,100643.000,A,5522.9036,N,03710.1282,E,0.16,119.11,200507,,*0D

Как видно из приведенного примера, «заводские» установки содержат меньшее количество NMEA сообщений по сравнению с настройками Garmin. При необходимости этот набор можно расширить, установив период в недостающих NMEA сообщений.
 

$GPGGA,100833.000,5522.9076,N,03710.1270,E,1,07,1.3,222.4,M,14.9,M,,0000*53

$GPGLL,5522.9076,N,03710.1270,E,100833.000,A*34

$GPGSA,A,3,31,01,23,20,11,30,17,,,,,,2.1,1.3,1.6*31

$GPGSV,3,1,12,20,84,180,43,01,49,067,47,23,47,238,45,31,45,072,49*77

$GPGSV,3,2,12,11,24,193,26,13,16,240,26,04,15,319,24,17,13,273,31*78

$GPGSV,3,3,12,30,10,025,26,14,04,064,22,25,04,195,,05,04,008,21*7C

$GPRMC,100833.000,A,5522.9076,N,03710.1270,E,0.18,4.86,200507,,*00

$GPVTG,4.86,T,,M,0.18,N,0.3,K*60

$GPZDA,100834.000,20,05,2007,,*5A

PSFR100, PSFR102 – конфигурация последовательных портов

NMEA сообщение под номером 100 служит для установки порта А, сообщение 102 – порта В. Сообщение 100 имеет дополнительное поле, которое позволяет переключить интерфейс в бинарный Sirf протокол.

Соответственно, в бинарном протоколе существует команда, которая переключает порт обратно в NMEA формат. Прежде чем переключится в бинарный протокол, необходимо понять, если ли программа которая в дальнейшем позволит восстановить NMEA протокол.

$PSRF100,0,9600,8,1,0*0C

$PSRF102,9600,8,1,0*3C

где:

• PSRF100 – заголовок
• 0 – параметр, указывающий в каком режиме был изменен протокол (0-Sirf, 1-NMEA)
• 9600 – скорость порта (4800, 9600, 19200, 38400)
• 8 – биты данных (7, 8)
• 1 – стоп-биты (0,1)
• 0 – парность (0 – нет, 1-нечетная, 2-четная)

PSFR101, PSFR104 – инициализация параметров приемника

NMEA сообщения под номерами 101 и 104 предназначены для инициализации параметров, предназначенных для GPS приема. Определение этих параметров может ускорить время захвата GPS спутников. Сообщение 101 устанавливает текущие координаты в формате XYZ, сообщение 104 – в формате BLH (долгота, широта).


$PSRF101,-2686700,-4304200,3851624,95000,497260,921,12,3*22

$PSRF104,37.3875111,-121.97232,0,95000,237759,922,12,3*3A

где:

• PSRF101 – заголовок
• 37.3875111 – широта в градусах
• -121.97232 – долгота в градусах
• 0 – высота , в метрах
• 95000 – сдвиг часов
• 237759 – GPS время, в секундах
• 922 – номер GPS недели
• 12 – количество каналов
• 3 – тип инициализации данных (1 – горячий старт, 2 – теплый старт, 3 – инициализация данных, 4 – холодный старт с полной очисткой данных, 8 – холодный старт с восстановлением заводских настроек)

PSFR103 – конфигурация генерации NMEA сообщений

Это NMEA сообщение позволяет установить или запросить период генерации каждого «исходящего» NMEA сообщения.

$PSRF103,05,00,01,01*20

где:

• PSRF103 – заголовок
• 05 – название сообщения
  • 00 – GGA
  • 01 – GLL
  • 02 – GSA
  • 04 – RMS
  • 05 - VTG
• 00 – режим ( 0 – установка периода, 1 - запрос)
• 01 – период, в секундах (0-255)
• 01 – наличие чексуммы (0- да, 1 - нет)

Результаты эксперимента

В условия нормальной видимости спутников, приемник Garmin eMap выдает следующий набор NMEA сообщений:
 

$GPRMC,104644,A,5522.8965,N,03710.1389,E,0.0,0.0,200507,9.3,E,A*16

$GPRMB,A,,,,,,,,,,,,A,A*0B

$GPGGA,104644,5522.8965,N,03710.1389,E,1,07,1.2,186.6,M,15.8,M,,*44

$GPGSA,A,3,01,04,,13,16,20,23,,,31,,,2.1,1.2,1.7*35

$GPGSV,3,1,10,01,34,070,48,04,28,311,40,11,10,190,00,13,32,249,41*7E

$GPGSV,3,2,10,16,11,111,40,20,68,142,50,23,64,247,49,25,21,196,00*70

$GPGSV,3,3,10,30,05,012,00,31,36,055,52*7D

$GPGLL,5522.8965,N,03710.1389,E,104644,A,A*40

$GPBOD,,T,,M,,*47

$PGRME,6.0,M,7.7,M,9.8,M*29

$PGRMZ,612,f,3*1E

$PGRMM,WGS 84*06

$GPRTE,1,1,c,*37

Из анализа сообщений видно, что в на текущий момент приемником отслеживается 10 (GSV) спутников, из которых 7 (GGA) используются в подсчете позиции. Горизонтальная ошибка позиционирования при этом равняется 6 метрам (RME), а индикатор типа решения – 1 (GGA)

Если создать условиях, при которых GPS сигнал не будет приниматься, то сообщения GGA будут содержать «пустые» поля, а индикатор типа решения примет значение 0 (GGA)
 

$GPGGA,,,,,,0,00,,,M,,M,,*66

$GPGSA,A,1,,,,,,,,,,,,,,,*1E

В «нормальном» режиме сообщения RMB и BOD содержат пустые поля. После того, как в качестве конечной точки назначения была выбрана путевая точка «Дорога», эти поля «наполнились» данными. Как следует из анализа сообщение, расстояние до точки – 1.620 миль, азимут движения - 6.3 градуса (BOD). При этом, азимут сообщений BOD и RMB отличается на 0.1 градус.
 

$GPRMB,A,0.00,R,,Дорога ,5524.501,N,03710.445,E,1.620,6.4,,V,A*59

$GPBOD,6.3,T,357.0,M,Дорога,*74

После того, как для навигации был выбран маршрут «Home» в списке сообщения RTE отобразился список всех путевых точек маршрута. А в сообщении RMВ – идентификационные номера начальной и конечной (очередной) точек маршрута.

$GPRTE,1,1,c,HOME,SLOBODA,IERUSALIM,INSTITUT*01

$GPRMB,A,9.99,R,SLOBOD,IERUSAL,5555.237,N,03649.976,E,34.346,340.6,,V,A*1F

 

Заключение

В большинстве случаев, пользователю не нужно, да и не интересно знать, какие данные и в каких полях передаются. Большинство навигационных программ «разбирают» данные NMEA сообщений и представляют их в удобном для пользователя виде – графики, схемы, таблицы и т.п.

Особый интерес представляют NMEA сообщения для пользователей, которые хотели бы провести исследования GPS данных, вычислить оценку полученных измерений, либо проанализировать поведения навигационных приемников в различных условиях. Есть целый ряд программ, с помощью которых можно решать эти задачи.

Но все же, для глубокого анализа GPS данных, формат NMEA не предназначен, так как не содержит так называемые «сырые» измерения – псевдодальности, фазы, допплер. Каждый производитель навигационной аппаратуры имеет свой «открытый» или «закрытый» протокол, который выводит эту информацию

NMEA – это простой и понятный формат, который позволяет не только обеспечить обмен данными между GPS приемниками и навигационными программами, но и дает пользователям некоторое представление о принципах работы спутниковой навигационной аппаратуры

Статья с GPSPortal