海洋测绘常用NMEA 0183数据协议格式解析

2020-03-05魏荣灏张坤军

浙江水利科技 2020年1期

魏荣灏，张坤军

（1.浙江省河海测绘院，浙江杭州 310008；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江杭州 310020）

1 问题的提出

自从美国的GPS 系统（Global Positioning System，GPS）自20世纪80年代投入使用以来，全球卫星定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）因其具有可为全球范围内数量不限的用户提供全天候、连续实时的位置、速度和时间等优势，已经广泛应用于军事、交通、水利、授时等多个领域，多个国家和组织也建设了自己的全球卫星导航系统或者区域增强系统，如我国的北斗系统、俄罗斯的Glonass、欧盟的Galileo、日本的QZSS 和印度的NavIC（IRNSS）等。

随着GNSS的广泛使用，国内外发布了大量卫星应用标准用于GNSS信息的交互，与海洋测绘相关的GNSS数据格式标准主要有 NMEA 0183、RTCM SC104和RINEX[1]。其中，NMEA 0183格式主要用于GNSS 接收机与其他设备的交互，RTCM SC104主要用于差分信号的传输，RINEX 格式主要用于不同厂商GNSS 接收机的静/动态数据处理工作，而海洋测绘中主要使用 NMEA 0183格式数据将GNSS 接收机的导航定位和时间等信息传输给计算机和测深仪等多种外部设备。本文将在简单介绍NMEA机构及协议格式发展的基础上，解析海洋测绘常用的若干种格式。

2 NMEA机构及NMEA 0183协议

2.1 NMEA机构

NMEA 0183协议由NMEA（National Marine Electronics Association 国家海洋电子协会（美国））及IMEA（International Marine Electronics Association国际海洋电子协会）共同拥有。这2个协会主要致力于制订船用电子设备之间的数据传输标准。NMEA 机构于1957年由一批电子设备销售厂商在纽约成立，最初目的是为了加强电子设备厂商之间的联系，随着行业的发展逐渐吸引设备制造厂商的加入，并与美国联邦通信委员会（FFC，Federal Communications Commission）、美国海岸警卫队（United States Coast Guard）及国际海运事业无线电技术委员会（RTCM，The Radio Technical Commission for Maritime Services）等组织和机构建立紧密的联系[2]。NMEA 当前制订的协议主要有NMEA 2000、NMEA 0183和NMEA 0400等。

2.2 NMEA 0183协议简介

NMEA 0183协议主要是为替换原有主要为Loran C 及相关自动导航系统使用的NMEA 0180及NMEA 0182协议而开发的，其能为海洋电子设备、导航设备和通信设备间的数据传输提供接口，满足将一个设备的串口数据播发给一个或多个设备接收。

NMEA 0183协议主要定义了在4 800波特率的串行数据总线上的电信号需求、传输协议及计时和数据格式。从1992年发布2.0版本以来，已经根据行业的发展进行多次更新，所有更新的版本都保持对2.0版本的兼容，版本变化见表1。当前最新的版本是发布于2018年11月的4.11版，其与4.10版的主要更新是数据格式完善了对现有卫星定位系统的支持，明确包含对美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧盟的Galileo、我国的北斗、日本的QZSS和印度的 NavIC（IRNSS）的支持。

表1 NMEA版本变化表

在海洋测绘中，NMEA 0183协议主要应用于各种设备间的信息传输与时间同步，一般使用GNSS或组合导航设备获取定位和时间信息后，使用该协议将相关数据传输至数据采集系统，如单频测深仪、多波束测深系统、浅地层剖面仪和侧扫声呐设备等用于定位和授时，这些设备将获取定位、时间的声纳数据发送给数据采集计算机，由计算机集成后进行记录并保存，保存的原始数据经相关后处理便可得到各种成果。

3 常用的NMEA 0183数据协议

3.1 NMEA 0183通用数据格式定义

NMEA 0183协议类型有3种[3]，分别是信息源、查询和属性，本文仅讨论信息源。协议传输的数据语句基于ASCII码，常用的格式为“$ttsss，c—c*hh＜CR＞＜LF＞”。该语句最大长度为82个字节，除去行首的“$”和行末的“＜CR＞＜LF＞”，单次最多传输79个字符。语句各个字段的意义如下：“$”代表语句的开始；“tt”代表信息源的类型，卫星导航系统中常用的信息源类型见表2；“sss”代表信息识别码，如“GGA”、“VTG”和“ZDA”等；“c -- c”代表数据内容，可以包含0到多个字段，采用逗号作为分隔符；“*”代表检验和识别符；“hh”为校验和，其计算方法为“$”和“*”之间所有字符的按位异或值（不包括此2字符）；“＜CR＞＜LF＞”代表语句结束。

表2 卫星定位系统信息源类型表

3.2 GGA格式

GGA格式主要提供定位的时间及位置，其字符串为：

$ -- 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时间，格式为时分秒.秒；1111.11代表纬度，为ddmm.mmmm的度分格式；a可为N或S，分别代表北纬及南纬；yyyyy.yy代表经度，为dddmm.mmmm的度分格式；a可为E或W，分别代表东经及西经；x代表定位模式，0代表不可用，1代表标准定位模式，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浮动解，6代表估算模式（外推），7代表手动输入，8代表模拟模式；xx代表定位使用的卫星数；x.x代表平面精度衰减因子；x.x及后面的M代表平均海平面（大地水准面）高度（m）；随后的x.x及M代表大地水准面差距（m）；之后的x.x代表差分数据龄期；xxxx代表差分参考台站编号，取值为0 000 ～ 1 023。需要注意的是GGA格式中不提供日期信息，一般结合ZDA数据格式使用，以获取数据完整的日期和时间。

3.3 VTG格式

VTG格式提供的信息主要为对地方向及速度，其字符串为：

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

其中，x.x，T表示相对于正北的方向；x.x，M表示相对于磁北的方向；x.x，N表示相对于地面的速度，单位为节；x.x，K表示相对于地面的速度（km/h）；a表示工作模式，其中A表示自主导航，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代表手动输入，N表示数据无效，P代表精密定位模式，S代表模拟模式。

3.4 ZDA格式

ZDA格式提供了基于UTC的日期和时间，并可设置当地的时间偏移量以获得当地时间，其字符串为：

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

其中，hhmmss.ss代表时间，格式为时分秒.秒；第一个xx表示日期，取值从01 ～ 31；第二个XX表示月份，取值从01 ～ 12；xxxx表示年份。以上时间系统都采用UTC时。之后的xx表示当地时区的小时改正值，取值为0 ～ ±13 h，最后一个xx表示当地时区的分钟改正值，取值为0 ～ ±59 min。