海洋測(cè)繪常用NMEA 0183數(shù)據(jù)協(xié)議格式解析

魏榮灝 ，張坤軍

（1.浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

自從美國(guó)的GPS 系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）自20世紀(jì)80年代投入使用以來，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）因其具有可為全球范圍內(nèi)數(shù)量不限的用戶提供全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)的位置、速度和時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、交通、水利、授時(shí)等多個(gè)領(lǐng)域，多個(gè)國(guó)家和組織也建設(shè)了自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或者區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)，如我國(guó)的北斗系統(tǒng)、俄羅斯的Glonass、歐盟的Galileo、日本的QZSS 和印度的NavIC（IRNSS）等。

隨著GNSS的廣泛使用，國(guó)內(nèi)外發(fā)布了大量衛(wèi)星應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)用于GNSS信息的交互，與海洋測(cè)繪相關(guān)的GNSS數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)主要有 NMEA 0183、RTCM SC104和RINEX[1]。其中，NMEA 0183格式主要用于GNSS 接收機(jī)與其他設(shè)備的交互，RTCM SC104主要用于差分信號(hào)的傳輸，RINEX 格式主要用于不同廠商GNSS 接收機(jī)的靜/動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理工作，而海洋測(cè)繪中主要使用 NMEA 0183格式數(shù)據(jù)將GNSS 接收機(jī)的導(dǎo)航定位和時(shí)間等信息傳輸給計(jì)算機(jī)和測(cè)深儀等多種外部設(shè)備。本文將在簡(jiǎn)單介紹NMEA機(jī)構(gòu)及協(xié)議格式發(fā)展的基礎(chǔ)上，解析海洋測(cè)繪常用的若干種格式。

2 NMEA機(jī)構(gòu)及NMEA 0183協(xié)議

2.1 NMEA機(jī)構(gòu)

NMEA 0183協(xié)議由NMEA（National Marine Electronics Association 國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)（美國(guó)））及IMEA（International Marine Electronics Association國(guó)際海洋電子協(xié)會(huì)）共同擁有。這2個(gè)協(xié)會(huì)主要致力于制訂船用電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。NMEA 機(jī)構(gòu)于1957年由一批電子設(shè)備銷售廠商在紐約成立，最初目的是為了加強(qiáng)電子設(shè)備廠商之間的聯(lián)系，隨著行業(yè)的發(fā)展逐漸吸引設(shè)備制造廠商的加入，并與美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FFC，F(xiàn)ederal Communications Commission）、美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)（United States Coast Guard）及國(guó)際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會(huì)（RTCM，The Radio Technical Commission for Maritime Services）等組織和機(jī)構(gòu)建立緊密的聯(lián)系[2]。NMEA 當(dāng)前制訂的協(xié)議主要有NMEA 2000、NMEA 0183和NMEA 0400等。

2.2 NMEA 0183協(xié)議簡(jiǎn)介

NMEA 0183協(xié)議主要是為替換原有主要為L(zhǎng)oran C 及相關(guān)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)使用的NMEA 0180及NMEA 0182協(xié)議而開發(fā)的，其能為海洋電子設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備和通信設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸提供接口，滿足將一個(gè)設(shè)備的串口數(shù)據(jù)播發(fā)給一個(gè)或多個(gè)設(shè)備接收。

NMEA 0183協(xié)議主要定義了在4 800波特率的串行數(shù)據(jù)總線上的電信號(hào)需求、傳輸協(xié)議及計(jì)時(shí)和數(shù)據(jù)格式。從1992年發(fā)布2.0版本以來，已經(jīng)根據(jù)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)行多次更新，所有更新的版本都保持對(duì)2.0版本的兼容，版本變化見表1。當(dāng)前最新的版本是發(fā)布于2018年11月的4.11版，其與4.10版的主要更新是數(shù)據(jù)格式完善了對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星定位系統(tǒng)的支持，明確包含對(duì)美國(guó)的GPS、俄羅斯的Glonass、歐盟的Galileo、我國(guó)的北斗、日本的QZSS和印度的 NavIC（IRNSS）的支持。

表1 NMEA版本變化表

在海洋測(cè)繪中，NMEA 0183協(xié)議主要應(yīng)用于各種設(shè)備間的信息傳輸與時(shí)間同步，一般使用GNSS或組合導(dǎo)航設(shè)備獲取定位和時(shí)間信息后，使用該協(xié)議將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如單頻測(cè)深儀、多波束測(cè)深系統(tǒng)、淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶設(shè)備等用于定位和授時(shí)，這些設(shè)備將獲取定位、時(shí)間的聲納數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)集成后進(jìn)行記錄并保存，保存的原始數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)后處理便可得到各種成果。

3 常用的NMEA 0183數(shù)據(jù)協(xié)議

3.1 NMEA 0183通用數(shù)據(jù)格式定義

NMEA 0183協(xié)議類型有3種[3]，分別是信息源、查詢和屬性，本文僅討論信息源。協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)語句基于ASCII碼，常用的格式為“$ttsss，c—c*hh＜CR＞＜LF＞”。該語句最大長(zhǎng)度為82個(gè)字節(jié)，除去行首的“$”和行末的“＜CR＞＜LF＞”，單次最多傳輸79個(gè)字符。語句各個(gè)字段的意義如下：“$”代表語句的開始；“tt”代表信息源的類型，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中常用的信息源類型見表2；“sss”代表信息識(shí)別碼，如“GGA”、“VTG”和“ZDA”等；“c -- c”代表數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以包含0到多個(gè)字段，采用逗號(hào)作為分隔符；“*”代表檢驗(yàn)和識(shí)別符；“hh”為校驗(yàn)和，其計(jì)算方法為“$”和“*”之間所有字符的按位異或值（不包括此2字符）；“＜CR＞＜LF＞”代表語句結(jié)束。

表2 衛(wèi)星定位系統(tǒng)信息源類型表

3.2 GGA格式

GGA格式主要提供定位的時(shí)間及位置，其字符串為：

$ -- GGA，hhmmss.ss，llll.ll，a，yyyyy.yy，a，x，xx，x.x，x.x，M，x.x，M，x.x，xxxx*hh＜CR＞＜LF＞

其中，hhmmss.ss表示定位的UTC時(shí)間，格式為時(shí)分秒.秒；1111.11代表緯度，為ddmm.mmmm的度分格式；a可為N或S，分別代表北緯及南緯；yyyyy.yy代表經(jīng)度，為dddmm.mmmm的度分格式；a可為E或W，分別代表東經(jīng)及西經(jīng)；x代表定位模式，0代表不可用，1代表標(biāo)準(zhǔn)定位模式，2代表差分模式，3代表精密定位模式，4代表RTK固定解，5代表RTK浮動(dòng)解，6代表估算模式（外推），7代表手動(dòng)輸入，8代表模擬模式；xx代表定位使用的衛(wèi)星數(shù)；x.x代表平面精度衰減因子；x.x及后面的M代表平均海平面（大地水準(zhǔn)面）高度（m）；隨后的x.x及M代表大地水準(zhǔn)面差距（m）；之后的x.x代表差分?jǐn)?shù)據(jù)齡期；xxxx代表差分參考臺(tái)站編號(hào)，取值為0 000 ～ 1 023。需要注意的是GGA格式中不提供日期信息，一般結(jié)合ZDA數(shù)據(jù)格式使用，以獲取數(shù)據(jù)完整的日期和時(shí)間。

3.3 VTG格式

VTG格式提供的信息主要為對(duì)地方向及速度，其字符串為：

$ -- VTG，x.x，T，x.x，M，x.x，N，x.x，K，a*hh＜CR＞＜LF＞

其中，x.x，T表示相對(duì)于正北的方向；x.x，M表示相對(duì)于磁北的方向；x.x，N表示相對(duì)于地面的速度，單位為節(jié)；x.x，K表示相對(duì)于地面的速度（km/h）；a表示工作模式，其中A表示自主導(dǎo)航，D表示差分模式（地面站差分或星站差分），E表示估算模式（外推），M代表手動(dòng)輸入，N表示數(shù)據(jù)無效，P代表精密定位模式，S代表模擬模式。

3.4 ZDA格式

ZDA格式提供了基于UTC的日期和時(shí)間，并可設(shè)置當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間偏移量以獲得當(dāng)?shù)貢r(shí)間，其字符串為：

$ -- ZDA，hhmmss.ss，xx，xx，xxxx，xx，xx*hh＜CR＞＜LF＞

其中，hhmmss.ss代表時(shí)間，格式為時(shí)分秒.秒；第一個(gè)xx表示日期，取值從01 ～ 31；第二個(gè)XX表示月份，取值從01 ～ 12；xxxx表示年份。以上時(shí)間系統(tǒng)都采用UTC時(shí)。之后的xx表示當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)的小時(shí)改正值，取值為0 ～ ±13 h，最后一個(gè)xx表示當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)的分鐘改正值，取值為0 ～ ±59 min。

4 結(jié) 語

本文主要介紹NMEA機(jī)構(gòu)及其制訂的NMEA 0183協(xié)議，在介紹該協(xié)議版本變化的基礎(chǔ)上解析協(xié)議的通用格式和常用的幾種協(xié)議，可為海洋測(cè)繪工作中衛(wèi)星定位設(shè)備與測(cè)深儀、計(jì)算機(jī)等多種外部設(shè)備的信息交互提供參考，有助于提高衛(wèi)星定位系統(tǒng)在海洋測(cè)繪工作中的應(yīng)用水平。