GPS a komunikační protokol NMEA - 3 (dekódování dat)

10. 10. 2006 | Jan Martínek | Různé | 33373×

Všimněme si blíže významu jednotlivých vět, které získáváme z GPS přijímače. Popisovaný přístroj má ve svých parametrech uvedeno, že komunikace s počítačem probíhá prostřednictvím protokolu NMEA 0183. Protokol vytvořila asociace NMEA (National Marine Electronics Association).

Dekódování přijatých dat

Asociace NMEA na své stránce http://www.nmea.org/pub/0183/index.html uvádí, že komunikační standard je dokument podléhající copyrightu a lze jej pouze zakoupit od asociace NMEA. Cena představuje řádově stovky dolarů. Ostatní zdroje na internetu prý nejsou autorizované a mohou představovat porušení copyrightu. NMEA dále uvádí, že obsah rozličných stránek s touto tématikou mnohdy obsahuje zastaralé informace.

Pod klíčovým slovem NMEA 0183 lze na internetu skutečně nalézt řadu odkazů a jejich obsah se jeví býti konzistentním. Na základě popisů od různých autorů lze získat smysluplné informace z GPS přístroje, ale bohužel nemohu posoudit, zda se jedná o korektní popis standardu NMEA 0183. Dokument popisující standard jsem nezakoupil a i kdybych tak učinil, nesměl bych rozšiřovat informace v něm obsažené. Pokusím se však shrnout poznatky, které jsou dostupné na internetu. Aby nedošlo k nedorozuměním, nebudu již nadále komunikační protokol označovat NMEA 0183.

Protokol, kterým komunikuje přijímač Navilock 202U, má přenosovou rychlost (baud rate) 4800, počet datových bitů je 8, přičemž sedmý bit (MSB) je vždy nulový. Počet stop bitů je jeden nebo více, parita není žádná. Navzájem spolu komunikuje vždy jeden mluvčí (talker) a jeden nebo více posluchačů (listeners). Veškerá data jsou posílána ve formě vět (sentences). Jsou dovoleny pouze tisknutelné ASCII znaky plus znaky konce řádku, tedy <CR> a <LF> (0x0d, 0x0a hexadecimálně). Každá věta začíná znakem $ (dolar) a končí sekvencí <CR><LF>. Existují tři základní druhy vět:

• věty ze strany mluvčího (talker sentences)
• proprietární věty (proprietary sentences)
• dotazovací věty (query sentences)

Obecný formát vět ze strany mluvčího je

$ttsss,d1,d2,....<CR><LF>

První dvě písmena, která následují po znaku dolar, jsou označená tt a představují identifikátor mluvčího (talker identifier). Další tři písmena (sss) jsou identifikátor věty (sentence identifier). Následují datové položky oddělené čárkami (znak ","). Po nich následuje nepovinný kontrolní součet. Věta je ukončena znaky <CR><LF>. Význam jednotlivých datových položek je jednoznačně definován pro konkrétní typ věty (ten je určen identifikátorem sss). Jestliže určitá datová položka není k dispozici, zůstane datové pole prázdné, ale čárky oddělující datová pole zůstávají (bez mezery). Kontrolní součet začíná znakem hvězdička ("*") a za ní jsou dvě hexadecimální číslice představující logickou operaci XOR (exclusive OR) ze všech znaků mezi "$" a "*". Samotný dolar a hvězdička se do kontrolního součtu nezapočítávají. Každá věta může obsahovat nejvýše 80 znaků plus "$" a <CR><LF>, celkem tedy 83 bajtů.

Věty proprietární umožňují výrobcům nadefinovat vlastní větu. Tyto věty začínají sekvencí "$P", pak následuje třípísmenný identifikátor výrobce, a dále následují jednotlivé datové položky v souladu s přáním výrobce. Obecný formát věty musí být zachován.

Dotazovací věty představují způsob, kterým může posluchač zažádat mluvčího o zaslání konkrétní věty. Obecný formát je

$ttllQ,sss<CR><LF>

První dva znaky (tt) za znakem dolar jsou identifikátorem toho, kdo podává žádost. Následující dva znaky (ll) označují dotazovaného - tedy toho, komu je žádost posílána. Pátým znakem je vždy písmeno "Q", které označuje, že se jedná o dotazovací typ věty. Následuje třípísmenná datová položka (sss) určující, o jaký typ věty se žádá. Příkladem dotazovací věty může být následující sekvence:

$CCGPQ,GGA<CR><LF>

V této větě písmena CC označují počítač, který žádá přístroj GP (tedy GPS přijímač), aby zasílal věty typu GGA. Po této dotazovací větě by měl GPS přijímač zasílat každou sekundu větu typu GGA, dokud nedostane povel k zasílání jiného typu věty.

Dvoupísmenných identifikátorů existuje mnoho, pro nás je však v této chvíli nejdůležitější, že pro GPS přijímače se používá identifikátor GP.

Existuje nepřeberné množství různých vět, avšak přístroj NAVILOCK 202U (a řada jiných) používá pouze čtyři, které jsou uvedeny v následujících tabulkách.

GSA, aktivní satelity a DOP (Dilution Of Precision)

Příklad:

$GPGSA,A,3,29,26,22,09,07,05,04,,,,,,1.7,1.0,1.4*30

#	formát	příklad	komentář
1	c	A	Přepínání mezi N-rozměrnými módy (A=automatické, M=manuální)
2	d	3	Počet dimenzí N (1=?, 2=2D, 3=3D)
3	dd	29	ID prvního satelitu použitelného pro výpočet
4	dd	26	ID druhého satelitu použitelného pro výpočet
5	dd	22	ID třetího satelitu použitelného pro výpočet
6	dd	09	ID čtvrtého satelitu použitelného pro výpočet
7	dd	07	ID pátého satelitu použitelného pro výpočet
8	dd	05	ID šestého satelitu použitelného pro výpočet
9	dd	04	ID sedmého satelitu použitelného pro výpočet
10	dd	N.A.	ID osmého satelitu použitelného pro výpočet
11	dd	N.A.	ID devátého satelitu použitelného pro výpočet
12	dd	N.A.	ID desátého satelitu použitelného pro výpočet
13	dd	N.A.	ID jedenáctého satelitu použitelného pro výpočet
14	dd	N.A.	ID dvanáctého satelitu použitelného pro výpočet
15	d.d	1.7	PDOP (Position Dilution Of Precision) v metrech
16	d.d	1.0	HDOP (Horizontal Dilution Of Precision) v metrech
17	d.d	1.4	VDOP (Vertical Dilution Of Precision) v metrech
18	*xx	30	Kontrolní součet

RMC (Recommended Minimum Navigation Information)
Minimální doporučená informace pro navigaci

Příklad:

$GPRMC,170138.615,A,4912.2525,N,01635.0378,E,0.04,16.43,280705,,*32

#	formát	příklad	komentář
1	hhmmss.sss	170138.615	Čas (UTC)
2	c	A	Status (A=OK, V=varování)
3	ddmm.mmmm	4912.2525	Zeměpisná šířka
4	c	N	Indikátor sever/jih (N=sever, S=jih)
5	ddmm.mmmm	01635.0378	Zeměpisná délka
6	c	E	Indikátor východ/západ (E=východ, W=západ)
7	d.d	0.04	Vodorovná rychlost (Speed Over Ground, v uzlech)
8	d.d	16.43	Kurz pohybu ve stupních
9	ddmmyy	280705	Datum ddmmyy
10	d.d	N.A.	Magnetická deklinace ve stupních
11	c	N.A.	Indikátor východ/západ (E=východ, W=západ)
12	*xx	32	Kontrolní součet

GSV (Satellites in View)
Informace o družicích

Množství údajů závisí na počtu viditelných družic. Jedna věta může obsahovat nejvýše 80 znaků, což vystačí pouze k uložení dat týkajících se nejvýše čtyř družic. Informace proto bývá rozdělena do několika dílčích vět.

Příklad (trojice vět):

$GPGSV,3,1,11,09,84,297,41,05,48,256,45,07,38,059,41,26,22,178,41*74
$GPGSV,3,2,11,24,13,063,00,14,12,324,00,30,12,251,00,22,12,286,38*78
$GPGSV,3,3,11,29,10,173,35,04,09,105,30,18,06,254,00*46

Poznámka: Příklad v tabulce se vztahuje pouze k první větě.

#	formát	příklad	komentář
1	d	3	Celkový počet vět (číslují se od 1)
2	d	1	Číslo aktuální věty (taktéž se čísluje od 1)
3	dd	11	Počet viditelných družic
4	dd	09	Identifikační číslo družice
5	dd	84	Úhlová výška, kde se daná družice nachází
6	ddd	297	Azimut, kde se daná družice nachází
7	dd	41	Odstup signálu od šumu (SNR - Signal to Noise Ratio). Je-li tento údaj roven nule, nelze daný satelit využít k výpočtu polohy. Nejčastěji proto, že je zastíněn.
…	…	…	Podle počtu viditelných družic mohou následovat další čtveřice údajů (4-7)
n	*xx	74	Kontrolní součet

GGA - zeměpisná délka a šířka, geodetická výška, čas určení souřadnic

Příklad:

$GPGGA,170139.615,4912.2526,N,01635.0378,E,1,07,1.0,357.5,M,43.5,M,0.0,0000*7D

#	formát	příklad	komentář
1	hhmmss.sss	170139.615	Čas (UTC), pro který platí údaje o vypočtené pozici
2	ddmm.mmmm	4912.2526	Zeměpisná šířka
3	c	N	Indikátor severní/jižní šířka (N=sever, S=jih)
4	dddmm.mmmm	01635.0378	Zeměpisná délka
5	c	E	Indikátor východní/západní délky (E=východ, W=západ)
6	d	1	Indikátor kvality: 0 — nebylo možno určit pozici 1 — pozice úspěšně určena 2 — pozice úspěšně určena (diferenční GPS)
7	dd	07	Počet viditelných satelitů 00 — 12
8	d.d	1.0	Vliv rozestavění družic na určení polohy HDOP (Horizontal Dilution of precision)
9	d.d	357.5	Výška antény nad geoidem
10	c	M	Jednotka pro předchozí údaj (č.9) (M=metr)
11	d.d	43.5	Geoidal separation, rozdíl mezi WGS-84 zemským elipsoidem a střední úrovní moře (geoid). Znaménko mínus znamená, že střední úroveň země je pod elipsoidem.
12	c	M	Jednotka vzdálenosti pro předchozí položku (č.11) (M=metr)
13	d.d	0.0	Stáří poslední aktualizace DGPS. Údaj je uváděn v sekundách. Jestliže údaj chybí, nepoužívá se DGPS.
14	dddd	0000	Identifikační číslo referenční stanice pro DGPS (0000 — 1023)
15	*xx	7D	Kontrolní součet

Souřadné systémy

GPS přijímač potřebuje znát přesnou pozici všech družic, jejichž signál používá k výpočtu vlastní polohy. Každá družice proto vysílá informace o své pozici ve formě souřadnic. Tyto souřadnice jsou vztaženy k souřadnému systému nazývanému ECEF WGS-84 (Earth Centered Earth Fixed, World Geodetic System 1984). Jedná se o pravoúhlý souřadný systém, který je definován na základě elipsoidu, který byl v roce 1984 stanoven referenčním. Jeho tvar je zvolen tak, aby co nejlépe vystihoval tvar Země. Do geometrického středu tohoto elipsoidu je umístěn počátek souřadné soustavy — bod [0,0,0]. Osa z je totožná s osou rotace, osa x prochází průsečíkem rovníku a Greenwichského poledníku (nultého). Osa y je zvolena tak, aby systém x, y, z byl pravotočivý.

Veškeré výpočty probíhají právě v této souřadné soustavě a výsledná pozice přijímače je taktéž určena v systému ECEF. Výsledek se následně přepočítá do běžnějších zeměpisných souřadnic (zeměpisná délka a šířka) vzhledem k referenčnímu elipsoidu WGS-84. Třetí souřadnicí je výška, ale nikoli nadmořská, nýbrž vzdálenost od povrchu referenčního elipsoidu. Některé GPS přijímače však znají rozdíl mezi povrchem referenčního elipsoidu a místní střední výškou mořské hladiny. Je potřeba si to ale ověřit. Plyne z toho zásadní poznatek — výška, kterou udává GPS přijímač, nemusí souhlasit s výškovými kótami na mapě. V našich podmínkách bývá rozdíl několik desítek metrů a pro danou oblast se příliš nemění, takže stačí pouze přičíst nebo odečíst konstantu. Udávat výšku vzhledem k hladině moře je značně nepraktické a doufejme, že tento způsob co nejdříve skončí v propadlišti dějin. Až do této chvíle je vše relativně přehledné. Uživatel dostane obvyklé zeměpisné souřadnice a výšku.

Problém však nastává s takzvanými lokálními souřadnými systémy, které vznikly v historii a bohužel se drží do dnešní doby. Například v České republice se vyskytují mapová díla nejen v systému WGS-84. Používá se také S-JTSK (souřadnicový systém jednotné trigonometrické sítě katastrální) a S42 (vojenský souřadnicový systém 1942). Systém S42 se používá v zemích bývalé Varšavské smlouvy. Kartografii nerozumím, ale zdá se, že vzájemné převody mezi těmito soustavami jsou obestřeny tajemstvím. Informací je na internetu velmi poskrovnu, jsou nejasné a mnoho odkazů je neplatných. Běžní uživatelé jsou spokojení, protože existuje řada konverzních programů — s koncovkou .exe a bez zdrojového kódu. Pevně doufám, že se najde sdílný člověk, který rozumí pojmům jako Křovákovo zobrazení, Gauss-Krügerovo zobrazení, Besselův elipsoid, Krassovského elipsoid a poskytne algoritmus, který si pak každý může naprogramovat ve svém oblíbeném programovacím jazyce.

Turistické mapy KČT (Klub českých turistů), které se běžně prodávají v České republice, mívají vyznačenu čtvercovou síť o straně 1 kilometr. Vysvětlivka praví, že souřadnice jsou zavedeny v systému S-1942 a že prodejce GPS přijímače jistě rád poradí, jak údaje do tohoto systému přepočítat. Pokusím se shrnout, co je potřeba provést, jestliže chceme vědět, kde na mapě se momentálně nacházíme. GPS přijímač, který popisuji v tomto článku, interně provedl výpočty v kartézské soustavě ECEF WGS84. Následně je převedl do úhlových souřadnic (šířka, délka) a výšky.

To je od něj hezké, ale bohužel potřebujeme souřadnice v původní soustavě. Bude nutné je přepočítat. Není to složité, stačí ponásobit nějaké siny a kosiny, přičemž do hry vstoupí parametry elipsy WGS84 (délka hlavní poloosy a excentricita). Protože systém S42 používá elipsoid Krassovského, bude potřeba kartézské souřadnice přepočítat do jiných kartézských souřadnic vztahujících se k tomuto elipsoidu. Souřadnice se navzájem liší a převod se provádí maticovým vztahem, který obsahuje sedm parametrů, které definují převod. Vzniklé souřadnice musíme dále převést na zeměpisné (a výšku), což analyticky nelze provést. Existuje však numerický postup, který poměrně rychle konverguje a po dvou či třech iteracích máme výsledek. Výšku si můžeme někam zapsat — s tou jsme již hotovi. Jenže zbývající dvě souřadnice představují bod na povrchu elipsoidu a musíme zjistit, jak se zobrazí na mapě.

V systému S42 se používá zobrazení Gauss—Krügerovo. Jde o válcové zobrazení a k jeho výpočtu je nutné (mimo jiné) vypočítat délku oblouku na elipse, což představuje vyčíslení eliptického integrálu. Toto se obvykle provádí rozvojem do nekonečné řady. Když je všechna práce hotova, můžeme konečně píchnout prstem do mapy a říct "Tady jsem.". Zmíněné výpočty jistě budou hračkou i pro toho, kdo bloudí na pokraji smrti hladem a mrazem. Raději se nebudu zmiňovat o obráceném postupu, kdy chceme zjistit, jaké "GPS souřadnice" má nějaké místo na mapě.

Shrnutí

GPS je globální systém, který funguje všude na světě, je velmi dobře zdokumentovaný a je zdarma přístupný každému. S tím ovšem velmi kontrastuje chaos panující při reálném použití, protože vývoj probíhá zcela živelně. Mnoho firem vydělává na lidské neschopnosti se domluvit, ujednotit standard a přestat používat zastaralé konvence. Tatáž práce se provádí neustále znovu a znovu. Chybí volně dostupné mapy, zdrojové kódy k programům, dokumentace k protokolům a datovým formátům a vše se hemží utajováním, licencemi a copyrighty. Naštěstí jsou však i tací, kteří si výsledky své práce nenechávají pro sebe a kterým tímto děkuji.

Poděkování
Tento článek vznikl za podpory grantu GAČR 103/06/1711.

       

Komentáře

[hanoj]

1. Informace a zdrojove kody k transformacim mezi JTSK, WGS84, S42 [v cestine z googlu] http://www.geospeleos.com/Mapovani/WGS84toSJTSK/WGS84toSJTSK.htm
http://www.volny.cz/muzeumsokolov/oddeleni/wgs-jtsk.htm
http://astro.mff.cuni.cz/mira/sh/sh.php?type=trans2
http://astro.mff.cuni.cz/mira/sh/sh.php?type=trans2 2. Nadmorska vyska versus vyska nad elipsoidem Podle zdroje http://www.gpsweb.cz/WGStoJTSK.html se na území České republiky výška na elipsoidem WGS84 pohybuje okolo 45 metrů.

[petr_p]

Pokud budu vychazet pouze z tohoto odstavce, ktery se nachazi jejich webu:

The Interface Standard is a COPYRIGHTED document and available only from NMEA. Other internet offerings are not authorized and may constitute a copyright infringement. NOTE: ALL SALES FINAL.

Pak se jedna o obycejnou licenci, ktera nezavadi zadna dalsi omezeni o proti ceskemu autorskemu pravu. Tudiz z knihy opisovat nemuzete (nad ramec citace), ale myslenky v knize obsazene muzete zcela svobodne reprodukovat.

[Japhy]

Proč objevovat Ameriku? Existuje projekt Proj.4, který obsahuje všechny běžně používané souřadnicové systémy na území ČR. Co se týče Křovákova zobrazení (S-JTSK), v poslední vydané verzi Proj je obsažená verze se správným pořadím a orientací os.

WGS-84->S-JTSK echo "15.0 50.0" | cs2cs +proj=latlong +datum=WGS84 +to +proj=krovak +lat_0=49.5 +lon_0=24.83333333333333 +alpha=30.28813975277778 +k=0.9999 +x_0=0 +y_0=0 +ellps=bessel +units=m +towgs84=570.83789,85.682641,462.84673,4.9984501,1.5867074, 5.2611106,3.5610256

Obdobně pro S-42. Zdrojové kódy tamtéž, potřebné literatury jsou od pánů Buchara, Cimbálníka nebo Vykutila stohy. A jen upozornění - elipsoidická výška <> výška nadmořská. I výškových systémů je u nás povícero.

[David Jaša]

Tak zrovna S-JTSK a Balt po vyrovnání tady s námi budou ještě hodně dlouho... Dvě třetiny současných katastrálních map našeho území jsou ručně překreslované kopie původních map z doby Josefa II. Nedokážu si představit, jak by se toto všechno konvertovalo do WGS-84 když nejsou prostředky ani na digitalizaci těchto map...

Mimochodem stížnosti na nedostatek informací o transformacích by měly být účinnější zhruba 150 metrů na od ústavu fyziky východoseverovýchod ve druhém patře.

[Filip Jirsák]

Tyto souřadnice jsou vztaženy k souřadnému systému nazývanému ECEF WGS-84 … který je definován na základě elipsoidu, který byl v roce 1984 stanoven referenčním. … Problém však nastává s takzvanými lokálními souřadnými systémy, které vznikly v historii a bohužel se drží do dnešní doby. … Pevně doufám, že se najde sdílný člověk, který rozumí pojmům jako Křovákovo zobrazení, Gauss-Krügerovo zobrazení, Besselův elipsoid, Krassovského elipsoid a poskytne algoritmus, který si pak každý může naprogramovat ve svém oblíbeném programovacím jazyce.

Kdyby se v tom Aristoteles, Koperník a další nevrtali, mohli jsme mít dodnes Zemi krásně placatou a s různými souřadnými systémy by nebyl problém. Pokud by se do toho teda nevložil Einstein s těmi jeho zakřivenými časoprostory

[tomas]

Povedlo se nekomu nekde stahnout podrobnejsi mapy pro CR pro GPSdrive a zaroven by se chtel podelit. Moc by mi to pomohlo a verim, ze nejen me.

[Ludek]

Nevite nahodou nekdo, v jakych projekcich jsou mapy seznamu, atlasu a centra? Seznam bych odhadoval na nejakou odvozeninu S42 tedy UTM pres vice pasu. Doufam, ze nepisu kraviny .

[karpi]

http://astro.mff.cuni.cz/mira/sh/sh.php?type=trans2

[CobrA]

no co som ja robil na jednom web projeke s mapami, tak to bolo riesene tak ze slovenkso (+CR) bolo v JTS a zvysok europy bol WGS (takze ked sa zobrazila cela europa tak sa to musel komplet cele prepocitavat)...strach a hroza ;)

[Ivo Štěpančík]

dobrý den jsem pouhý uživatel Gps a nastal mi problem - nacházím se ve švédsku kde se používá formát RT90 což mé Gps neumí.... mohl by mi prosím poradit jak a nebo kde by se dal stahnou nejaký program pro převod opět podotýkam že jsem uplnej amater takže jestli by se našel někdo hodně trpělivej byl bych moc vdčnej za pomoc. Můj E-mail je bajecnyjan@seznam.cz Děkuji

[hanoj]

Prikaz $GPGGA udava vysku nad morem, nikoliv elipsoidem!!!!

GGA - essential fix data which provide 3D location and accuracy data.

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

Where: GGA Global Positioning System Fix Data 123519 Fix taken at 12:35:19 UTC 4807.038,N Latitude 48 deg 07.038' N 01131.000,E Longitude 11 deg 31.000' E 1 Fix quality: 0 = invalid 1 = GPS fix (SPS) 2 = DGPS fix 3 = PPS fix 4 = Real Time Kinematic 5 = Float RTK 6 = estimated (dead reckoning) (2.3 feature) 7 = Manual input mode 8 = Simulation mode 08 Number of satellites being tracked 0.9 Horizontal dilution of position 545.4,M Altitude, Meters, above mean sea level 46.9,M Height of geoid (mean sea level) above WGS84 ellipsoid (empty field) time in seconds since last DGPS update (empty field) DGPS station ID number *47 the checksum data, always begins with *

[shost]

Víte někdo k čemu jsou GPS přijímače s více než 24 kanály? při max 12 viditelných satelitech a dvou kanálech (L1 a L2) na satelit mi vychází, že 24 kanálů je maximální použitelný počet kanálů přijímače, přesto se vyrábějí a prodávají přijímače s 32 nebo dokonce s 51 kanály.

[Krakatit]

Ahoj,

24 kanalu je fakt zbytecnych, maximalne uvidis 12sat=12kanalu, prijem kodovych mereni (pro rucni GPS) je zajisten jen na kanalu L1, provoz na kanalu L3 teprve bude, ale to si chce poridit novejsi zarizeni, ktere to umi.

Krakatit

[Yenya]

Slysel jsem ze ty prijimace umi jako samostatny "kanal" zpracovat odrazeny signal z neceho co uz ma. Takze treba na ulici s vysokymi domy kde je odrazu spousta muze vice kanalu pomoct.

[PR]

Snad to není úplně offtopic, ale pokud nechcete zásadně zabředávat do světa GPS a zajímá vás jen převod do desetinné soustavy, zkuste http://cs.tixik.com/tools/gps, používám to pro mobil.