GPS 数据解析

最近研究 GPS 的数据解析，发现网上都是零零散散的知识，干脆整理一份完整点的出来。

卫星是怎么向设备发送数据的？

卫星数据并不会主动单独发给你设备，而是持续不断地广播导航信息。卫星发的是原始导航信号，包括：时间、位置、卫星状态等信息。数据速率非常低，例如 GPS L1 频段的数据速率是 50bps；

这些原始信号由接收机（GNSS 模块）接收、解码、计算后，再通过串口、USB 或其他接口输出成我们能理解的格式，比如 NMEA 字符串。

GNSS 模块（比如 u-blox、NEO-6M、ZED-F9P、或者高通芯片集成的 GNSS）内部做了大量处理：

并行接收多颗卫星。假设你同时接收到 10 颗卫星，每颗 50bps，就是 500bps。模块把这些数据同时接收、解调、校正、组合；
内部还运行了定位算法，把卫星数据用于三角定位，算出经纬度、速度、航向、高度等；
再把这些结果封装成标准语句输出，比如每秒发一条 $GNRMC、$GPGGA、$GPGSV 等。每条语句几十到几百字节，加起来远超过原始的 50bps。也就是说，原始电文的信息密度远远大于你最终看到的 NMEA 字符串。

刷新率理论极限

理论上，GNSS 设备的刷新率最高可以达到 100Hz，甚至更高，但这取决于多个因素。现实中，主流高端设备通常支持 5Hz～20Hz，极限可达 100Hz。

NMEA 数据的解析

GPS 回传的数据由许多“语句”（sentence）组成，如下：

$GNRMC,075232.300,V,3610.72413,N,12811.99741,E,000.0,000.0,030425,,,N*78
$GNGGA,075232.400,,,,,0,12,1.00,,,,,,*44
$GNGSA,M,1,11,20,12,06,,,,,,,,,2.22,1.00,1.98,1*0B
$GNGSA,M,1,69,73,,,,,,,,,,,2.22,1.00,1.98,2*04
$GNGSA,M,1,26,13,21,,,,,,,,,,2.22,1.00,1.98,3*0B
$GNGSA,M,1,20,08,19,29,,,,,,,,,2.22,1.00,1.98,4*00
$GPGSV,4,1,14,04,13,049,,05,17,230,,06,50,010,23,09,34,076,,1*61
$GPGSV,4,2,14,11,45,318,32,12,27,299,36,14,06,170,,17,41,122,,1*6B
$GPGSV,4,3,14,19,67,096,,20,51,252,25,22,24,183,,25,02,321,,1*6D
$GPGSV,4,4,14,40,15,256,,41544,E,1,

每一行为一句语句，由 $ 开头，以 *XX 结尾，由许多逗号分隔成“字段”（column）。

第一个字段 $GXXXX 叫作语句标识符（sentence identifier），用于标识语句的类型。

最后一个字段是十六进制的校验和，由 $ 到 * 之间所有字符的 ASCII 码按顺序的异或值得出。最后的校验值必须是两位数的十六进制，如果不满两位，则需要在前面补 0，例如 0E。

以下为各种类型语句的定义：

GNRMC

含义：推荐的最小特定 GNSS 数据（Recommended Minimum Specific GNSS Data）。作用：提供基本定位信息，如时间、位置、速度、日期等。是基础导航数据，适合快速获取位置和时间。提供基本的二维位置（经纬度）、时间、日期、速度和航向。

字段说明：

GNRMC：句子标识符（GN 表示组合导航，RMC 表示最小推荐数据）。
hhmmss.ss：UTC 时间（小时分钟秒，带小数秒，例如 12:35:19.00）。
A：状态（A = 有效，V = 无效）。
llll.ll：纬度（度分格式，例如 4807.038 表示 48度07.038分）。
a：纬度方向（N = 北，S = 南）。
yyyyy.yy：经度（度分格式，例如 01131.000 表示 11度31.000分）。
a：经度方向（E = 东，W = 西）。
x.x：地面速度（节，knots，例如 022.4 节）。
x.x：地面航向（度，相对于真北，例如 084.4 度）。
ddmmyy：日期（日月年，例如 230394 表示 1994年3月23日）。
x.x：磁偏角（度，例如 003.1，可为空）。
a：磁偏角方向（E = 东，W = 西，可为空）。
m：模式指示（A = 自主，D = 差分，E = 估算，N = 无效）。
s：导航状态指示（S = 安全，C = 警告，U = 不安全，V = 无效）。
*hh：校验和（十六进制，例如 *6A）。

GPRMC

定义与 GNRMC 一致。区别在于 GNRMC 中的 "GN" 表示多系统组合导航（GPS + GLONASS + 北斗等），GPRMC 专指 GPS 的数据。

GNGGA

含义：全球导航卫星系统定位数据（Global Navigation Satellite System Fix Data）。作用：提供详细的定位信息，包括时间、位置、高度、卫星数量等。提供详细的三维位置数据（经纬度、海拔高度）和定位质量信息（如卫星数量、HDOP）。但不包含速度、航向或日期信息。

字段说明

GNGGA：句子标识符（GN 表示组合导航，GGA 表示定位数据）。
hhmmss.ss：UTC 时间（小时分钟秒，带小数秒，例如 12:35:19.00）。
llll.ll：纬度（度分格式，例如 4807.038 表示 48度07.038分）。
a：纬度方向（N = 北，S = 南）。
yyyyy.yy：经度（度分格式，例如 01131.000 表示 11度31.000分）。
a：经度方向（E = 东，W = 西）。
x：定位质量（0 = 无效，1 = GNSS/GPS 单点定位，2 = 差分 GNSS，6 = 估算等）。
xx：使用的卫星数量（例如 08 表示 8 颗）。
x.x：水平精度因子（HDOP，例如 0.9，值越小精度越高）。
x.x：海拔高度（米，相对于平均海平面，例如 545.4）。
M：高度单位（M = 米）。
x.x：大地水准面高度（米，相对于椭球面，例如 46.9，可为空）。
M：大地水准面高度单位（M = 米，可为空）。
x.x：差分时间（秒，自上次差分更新的时间，可为空）。
xxxx：差分参考站 ID（例如 0010，可为空）
*hh：校验和（十六进制，例如 *47）。

其中，“定位质量”（Fix Quality Indicator）这个字段的值有以下 6 种可能（通常从 0 到 5），每种值对应不同的定位状态：

0 - 无效（Invalid）
表示当前没有有效的定位数据。可能是因为接收机未能接收到足够的卫星信号，或者信号质量不足以计算位置。
1 - GPS 单点定位（GPS Fix）
表示接收机使用标准 GPS 信号完成了单点定位。这是基本的定位模式，仅依赖 GPS 卫星信号，未使用差分技术。
2 - 差分 GPS（DGPS Fix）
表示定位数据通过差分 GPS（Differential GPS）增强，精度高于普通的 GPS 单点定位。通常需要地面参考站提供校正数据。
3 - PPS 定位（Precise Positioning Service Fix）
表示使用精确定位服务（通常与军用 GPS 相关，在民用设备中几乎不用），精度更高。不过在民用设备中，这个值较少见。
4 - RTK 固定解（Real-Time Kinematic Fixed）
表示使用实时动态（RTK）技术，达到了固定解状态。这是高精度定位的一种，通常用于测量或导航领域，精度可达厘米级。
5 - RTK 浮动解（Real-Time Kinematic Float）
表示使用 RTK 技术，但仅达到了浮动解状态。精度比固定解低，但仍优于普通的 GPS 定位。

GPGGA

定义与 GNGGA 一致。区别在于 GNGGA 中的 "GN" 表示多系统组合导航（GPS + GLONASS + 北斗等），GPGGA 专指 GPS 的数据。

GNGSA

含义：GNSS 卫星运行状态（GNSS DOP and Active Satellites）。作用：报告定位模式、使用的卫星编号和精度因子（DOP）。提供精度和卫星使用情况，适合分析定位可靠性。

字段说明：

GNGSA：句子标识符（GN 表示组合导航，GSA 表示稀释精度和活动卫星）。
A：定位模式选择（A = 自动，M = 手动）。
x：定位类型（1 = 未定位，2 = 2D，3 = 3D）。
xx：卫星编号 1。4-15. xx：使用的卫星编号（最多 12 个，例如 19、23、27 等，未用字段为空）。
xx：卫星编号 2。
xx：卫星编号 3。
xx：卫星编号 4。
xx：卫星编号 5。
xx：卫星编号 6。
xx：卫星编号 7。
xx：卫星编号 8。
xx：卫星编号 9。
xx：卫星编号 10。
xx：卫星编号 11。
xx：卫星编号 12。
x.x：位置精度因子（PDOP，例如 1.6）。
x.x：水平精度因子（HDOP，例如 0.9）。
x.x：垂直精度因子（VDOP，例如 1.3）。
x：系统标识（1 = GPS, 2 = GLONASS, 3 = Galileo, etc.）
*hh：校验和（十六进制，例如 *2F）。

其中，PDOP, HDOP, VDOP 表示这 12 颗卫星共同参与定位所得到的整体定位精度。

GPGSA

定义与 GNGSA 一致。区别在于 GNGSA 中的 "GN" 表示多系统组合导航（GPS + GLONASS + 北斗等），GPGSA 专指 GPS 的数据。

GPGSV

含义：美国 GPS 卫星可见信息（GPS Satellites in View）。作用：列出当前可见卫星的编号、仰角、方位角和信噪比。提供卫星状态详情，适合信号质量监控。

字段说明：

GPGSV：句子标识符（GP 表示 GPS，GSV 表示可见卫星信息）。
x：消息总数（表示总共有几条 GSV 句子，例如 3）。
x：当前消息序号（例如 1，表示这是第 1 条）。
xx：可见卫星总数（例如 11）。
xx：卫星编号 1（PRN 号，例如 03）。
xx：仰角 1（度，0-90，例如 45）。
xxx：方位角 1（度，0-359，例如 111）。
xx：信噪比 1（dB，例如 42，空表示无信号）。
xx：卫星编号 2（例如 07）。
xx：仰角 2（例如 32）。
xxx：方位角 2（例如 315）。
xx：信噪比 2（例如 39）。
xx：卫星编号 3（例如 14）。
xx：仰角 3（例如 67）。
xxx：方位角 3（例如 220）。
xx：信噪比 3（例如 45）。
xx：卫星编号 4（例如 19）。
xx：仰角 4（例如 12）。
xxx：方位角 4（例如 050）。
xx：信噪比 4（例如 36）。
*hh：校验和（十六进制，例如 *77）。

GLGSV

含义：俄罗斯 GLONASS 卫星可见信息（GLONASS Satellites in View）。作用：同上

GAGSV

含义：欧洲 Galileo 卫星可见信息（Galileo Satellites in View）。作用：同上

GBGSV

含义：中国北斗卫星可见信息（Beidou Satellites in View）。作用：同上

GQGSV

含义：日本 QZSS 卫星可见信息（QZSS Satellites in View）。作用：同上