GPS模块

## GPS基础了解
### 全球四大卫星定位系统
* GPS系统(美国)
* BDS系统(中国北斗)
* GLONASS系统(俄罗斯)
* 伽利略卫星导航系统(欧盟)

### GPS启动模式
GPS模块属于室外定位系统，所以`天线需要放室外才能定位`
第一次使用模块启动是`冷启动`，需要下载卫星数据，正常需要1-10分钟不等才能定位到。请耐心等待！

* 冷启动
冷启动是指在一个陌生的环境下启动 GPS 直到 GPS 和周围卫星联系并且计算出
坐标的启动过程。以下几种情况开机均属冷启动：
1、初次使用时；
2、电池耗尽导致星历信息丢失时；
3、关机状态下将接收机移动 1000 公里以上距离。也就是说冷启动是通过硬件方
式的强制性启动，因为距离上次操作 GPS 已经把内部的定位信息清除掉，GPS 接
收机失去卫星参数，或者已经存在的参数和实际接收到卫星参数相差太多，导致
导航仪无法工作，必须从新获得卫星提供的坐标数据，所以说车辆从地库里启动
导航百分百算冷启动，这也是从地库出来搜星时间长的原因。

* 热启动
热启动是指在上次关机的地方没有过多移动启动 GPS，但距离上次定位时间必须
小于 2 个小时，通过软件的方式，进行一些启动前的保存和关闭等准备工作后的
启动。

* 温启动
温启动是指距离上次定位时间超过 2 个小时的启动，搜星定位时间介于冷启动和
热启动之间。如果您前一日使用过 GPS 定位，那么次日的第一次启动就属于温启
动，启动后会显示上次的位置信息。因为上次关机前的经纬度和高度已知，但由
于关机时间过长，星历发生了变化，以前的卫星接受不到了，参数中的若干颗卫
星已经和 GPS 接收机失去了联系，需要继续搜星补充位置信息，所以搜星的时间
要长于热启动，短于冷启动。

当GPS模块连续的寻找到三颗或以上的卫星的时候,它的日子就开始好过了,就比如我们人在野外临时凭感觉绘制了一张草草的地图,你至少可以判定自己的大概位置,这个时候,GPS查找新卫星所设定的范围就会缩,2D定位,也就是平面定位OK了,接下来就是花的时间去找更多的卫星,到了四颗卫星的时候,OK,3D定位,也就是高度都出来了.

### 卫星状态模式
![](/media/202209/image-fb549d8a535d4e47afedeaca505028a5.png)
![](/media/202209/image-b7f6692e725849f99757e0b55555073f.png)
卫星显示状态颜色有三种：
* 绿色，数据包下载并已定位
* 蓝色，数据包下载中
* 红色，通过其他卫星感应到的信号
> u-center(NEO系列模块配置工具，其他GPS也可使用但无法配置)

## GPS模块接线
![](/media/202209/image-7d7d195e32124967846f02c44bae6996.png)
遵守RX TX交叉连接即可
一般默认波特率都为`9600`

> 测试最好是带电脑到户外空旷地进行，若是把天线放在阳台外面的话，有一定几
率定位失败，这个受楼距，遮挡物等因素影响。
> 板载LED保持一定频率闪烁证明定位成功了

## GPS使用
### 串口使用
![](/media/202209/image-a0a68225d0b74f788321353ad0f6a72e.png)
设置好波特率就行
串口工具都可使用，也可使用u-center这类可以直接读取位置的

### 开发板使用
GPS模块，这里使用的是 [`TinyGPS++`](https://github.com/mikalhart/TinyGPSPlus/releases) 库来调用
Arduino、ESP8266、ESP32都可使用
```
#include <TinyGPS++.h>          //加载TinyGPS++库
#include <SoftwareSerial.h>     //加载SoftwareSerial库,可以设置软串口

TinyGPSPlus gps;                //加载TinyGPSPlus为gps,简化调用名
SoftwareSerial gps_ss(4, 5);    //连接GPS模块,RX-4 TX-5,根据需求更改

void setup(){
  gps_ss.begin(9600);           //和GPS通讯的波特率,要和GPS模块一致
  Serial.begin(9600);           //主控和串口监视器的波特率,可以不和GPS模块一致
}

void loop(){
  while (gps_ss.available()) {                  //GPS获取数据了?
    if (gps.encode(gps_ss.read())) {            //GPS数据解析有效?
      if (gps.location.isValid()) {             //GPS位置有效?
        Serial.println(gps.location.lat(),5);     //输出纬度,且保留5位小数
        Serial.println(gps.location.lng(),5);     //输出经度,且保留5位小数
      }
    }
  }
}
```

#### TinyGPS++添加北斗支持
TinyGPS++ 默认是只检测GP和GN
通过修改 `TinyGPS++.cpp` 文件来实现北斗BD或是GB的支持
```
//添加函数名
#define _BDRMCterm   "BDRMC"
#define _BDGGAterm   "BDGGA"

//添加接受到信息检索时额外检索的函数
//注意好||之间的括号，要((a||b)||c)类似形式，a||b||c 语法是错误的
 if ((!strcmp(term, _GPRMCterm) || !strcmp(term, _GNRMCterm))|| !strcmp(term, _BDRMCterm))
      curSentenceType = GPS_SENTENCE_GPRMC;
    else if ((!strcmp(term, _GPGGAterm) || !strcmp(term, _GNGGAterm)) || !strcmp(term, _BDGGAterm))
      curSentenceType = GPS_SENTENCE_GPGGA;
    else
      curSentenceType = GPS_SENTENCE_OTHER;
```
![](/media/202209/image-d206bc93f39342119f3efbde489c53c9.png)
![](/media/202209/image-02fd41f89aef45d798d11c13dc1ef298.png)
添加完后，正常使用 `TinyGPS++` 库就可以看到能够正常读取 `BD` 定位了

#### TinyGPS++可用函数
[微型GPS++](http://arduiniana.org/libraries/tinygpsplus/)

主要的 TinyGPS++ 对象包含几个核心子对象：
* location – 最新的定位
* date – 最新日期修正 (UT)
* time – 最新的时间修复（UT）
* speed – 当前地面速度
* course – 当前地面航线
* altitude – 最新的海拔修复
* satellites – 可见的参与卫星的数量
* hdop – 水平精度降低
```
Serial.println(gps.location.lat(), 6); // Latitude in degrees (double)
Serial.println(gps.location.lng(), 6); // Longitude in degrees (double)
Serial.print(gps.location.rawLat().negative ? "-" : "+");
Serial.println(gps.location.rawLat().deg); // Raw latitude in whole degrees
Serial.println(gps.location.rawLat().billionths);// ... and billionths (u16/u32)
Serial.print(gps.location.rawLng().negative ? "-" : "+");
Serial.println(gps.location.rawLng().deg); // Raw longitude in whole degrees
Serial.println(gps.location.rawLng().billionths);// ... and billionths (u16/u32)
Serial.println(gps.date.value()); // Raw date in DDMMYY format (u32)
Serial.println(gps.date.year()); // Year (2000+) (u16)
Serial.println(gps.date.month()); // Month (1-12) (u8)
Serial.println(gps.date.day()); // Day (1-31) (u8)
Serial.println(gps.time.value()); // Raw time in HHMMSSCC format (u32)
Serial.println(gps.time.hour()); // Hour (0-23) (u8)
Serial.println(gps.time.minute()); // Minute (0-59) (u8)
Serial.println(gps.time.second()); // Second (0-59) (u8)
Serial.println(gps.time.centisecond()); // 100ths of a second (0-99) (u8)
Serial.println(gps.speed.value()); // Raw speed in 100ths of a knot (i32)
Serial.println(gps.speed.knots()); // Speed in knots (double)
Serial.println(gps.speed.mph()); // Speed in miles per hour (double)
Serial.println(gps.speed.mps()); // Speed in meters per second (double)
Serial.println(gps.speed.kmph()); // Speed in kilometers per hour (double)
Serial.println(gps.course.value()); // Raw course in 100ths of a degree (i32)
Serial.println(gps.course.deg()); // Course in degrees (double)
Serial.println(gps.altitude.value()); // Raw altitude in centimeters (i32)
Serial.println(gps.altitude.meters()); // Altitude in meters (double)
Serial.println(gps.altitude.miles()); // Altitude in miles (double)
Serial.println(gps.altitude.kilometers()); // Altitude in kilometers (double)
Serial.println(gps.altitude.feet()); // Altitude in feet (double)
Serial.println(gps.satellites.value()); // Number of satellites in use (u32)
Serial.println(gps.hdop.value()); // Horizontal Dim. of Precision (100ths-i32)
```

调试方法：
* isValid() – 对象是否包含任何有效数据
* isUpdated() – 对象的值自上次查询以来是否已更新（不一定已更改）
* age() – 该方法返回自上次更新以来的毫秒数。如果返回大于 1500 左右的值，则可能表明存在问题，例如修复丢失
* charsProcessed() – 对象接收的字符总数
* sentenceWithFix() – 已修复的 $GPRMC 或 $GPGGA 句子的数量
* failedChecksum() – 校验和测试失败的所有类型的句子数
* passedChecksum() – 通过校验和测试的所有类型的句子数

##### 自定义NMEA提取
```
TinyGPSCustom magneticVariation(gps, "GPRMC", 10)
// 留意 $GPRMC 句子，并在每次流过时提取第 10 个逗号分隔的字段
//这时候`magneticVariation`和内置对象一样，可以直接调用

loop(){
  if (magneticVariation.isUpdated()){
  //查询对象的值自上次查询以来是否已更新
    Serial.println(magneticVariation.value());
    //输出`magneticVariation`查询的字段内容
  }
  while (gps_ss.available() > 0)gps.encode(gps_ss.read());
  //要使 TinyGPS++ 工作，必须使用encode()方法反复将字符从 GPS 模块传送到它
}
```

## GPS模块使用北斗
实测发现GPS定位是不准的，大概偏移了一公里之多，北斗定位很精确

### NEO系列
1. 打开u-center软件，点击view->text console，打开输出显示终端，这样可看到相关的输出信息，如GSV,RMC等信息；
2. 点击view->messages view，打开命令控制终端，这里可进行配置；
3. 在messages view中找到 UBX－>CFG－>GNSS(GNSS Config)，点击后，会出现卫星模式设置对话框，我们可以设置成GPS+BeiDou，如下图所示：
![](/media/202209/image-6e5574e4b75b43dd866b0b3658963b06.png)
4. 设置成了GPS+BeiDou，然后点击左下角的send按钮
注意，当设置了GNSS类型模式后，ublox模块会自动初始化一下，初始化完成后就是GPS+BeiDou模式了
5. 测试时发现只能显示GPS的SNR值，即在text console里只能看到GPGSV的信息，看不到GBGSV的信息，这时其实已经是有BeiDou参与定位了，只是串口没有输出相应的GBGSV值罢了，为了GBGSV值的输出，可以这样设置
![](/media/202209/image-153c0cc4326c4ec4abc09cf53f458a4d.png)
6. 在NMEA中选择NMEA的版本号为V4.1，然后再点击send按钮发送该组命令就可以了，这样就看以看到GBGSV信息了，同时还可以显示出北斗的SNR值了，如下图：
![](/media/202209/image-9b6750c7009b4fd2a0b0f62d8d8c0fda.png)
![](/media/202209/image-129e19be17d0465496bfe1c04b9e0f91.png)
其中B开头的表示北斗卫星，G表示GPS卫星
7. 设置保存在FLASH
![](/media/202209/image-b58e85207727463fa8af114323970373.png)

### ATGM336H-5N模块
使用`GNSSToolKit_Lite`
设置波特率，连接串口，设置为BD(北斗)模式
![](/media/202209/image-87c8cd66463340f48b042c78cf8b7293.png)
`注意：实测发现北斗和GPS一起用北斗会出现搜索到卫星却无法使用的问题，设置成单北斗模式正常使用`

## NMEA指令解析
### NMEA-0183 协议简介
NMEA 0183是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）为海用电子设备制定的标准格式。目前业已成了GPS导航设备统一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）标准协议。
NMEA-0183协议采用ASCII码来传递GPS定位信息，我们称之为帧。
帧格式形如：**$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh(CR)(LF)**
1. “$”：帧命令起始位
2. aaccc：地址域，前两位为识别符（aa），后三位为语句名（ccc）
3. ddd…ddd：数据
4. “*”：校验和前缀（也可以作为语句数据结束的标志）
5. hh：校验和（check sum），$与*之间所有字符ASCII码的校验和（各字节做异或运算，得到校验和后，再转换16进制格式的ASCII字符）
6. (CR)(LF)：帧结束，回车和换行符
![](/media/202209/image-bac219a7cab64385ad13ecd493c27279.png)
UTC 时间即协调世界时，相当于本初子午线(0 度经线)上的时间，北京时间比 UTC 早 8 个小时。

### 指令讲解
[GPS - NMEA 指令介绍](http://aprs.gids.nl/nmea/)
> NEO系列的模块北斗是`GB`开头
> ATGM336H-5N模块的北斗是`BD`开头

### 经纬度计算
![经纬度 度分秒计算.png](/media/202209/%E7%BB%8F%E7%BA%AC%E5%BA%A6%20%E5%BA%A6%E5%88%86%E7%A7%92%E8%AE%A1%E7%AE%97-2782e16f51264ff886ca94732c8af1da.png)
* 度分格式
纬度：ddmm.mmmm 北纬 2236.9453 22+(36.9453/60)= 22.615755
经度：dddmm.mmmm 东经 11408.4790 114+(08.4790/60)=114.141317

* 度分秒格式
北纬 2236.9453 =22 度 36 分 0.9453x60 秒 = 22 度 36 分 56.718 秒
东经 11408.4790=114 度 8 分 0.4790x60 秒=114 度 8 分 28.74 秒

### 直接读取
不使用相关库，直接串口读取，程序截取
```
#include <SoftwareSerial.h>

String lng;
String lat;
volatile double lng_the;
volatile double lat_the;
String reception_the;
String rec[10]={};

SoftwareSerial mySerial1(4,5);

void reception(String reception_in, int reception_num) {
  int i = 1;
  int location = 0;
  do{
    location = String(reception_in).indexOf(String(","));
    if (location != -1) {
      rec[(int)(i - 1)] = String(reception_in).substring(0,location);
      reception_in = String(reception_in).substring((location + 1),String(reception_in).length());
    } else {
      if (String(reception_in).length() > 0) {
        rec[(int)(i - 1)] = reception_in;
      }
    }
    i++;
    if (i >= reception_num) {
      location = -1;

}
  }while((location >= 0));
  for (int z = 1; z <= 6; z = z + (1)) {
    Serial.println(rec[(int)(z - 1)]);
    delay(200);
  }
}

void setup(){
  lng = "";
  lat = "";
  lng_the = 0;
  lat_the = 0;
  reception_the = "";
  mySerial1.begin(9600);
  Serial.begin(9600);
}

void loop(){
  if (mySerial1.available() > 0) {
    reception_the = mySerial1.readStringUntil('\n');       //获取串口数据, \n 截止,一般数据就是一行,结尾会有 \r\n 进行换行
    reception_the = String(reception_the).substring(String(reception_the).indexOf(String("$GPRMC")),String(reception_the).length());
    //实测相近的两组数据可能会被合并成一段,并不一定为"$GPRM"为首,查找内容,找到这个字符串进行定位,截取由"$GPRM"为首的字符串
    if (String(reception_the).startsWith("$GPRMC")) {       //如果是以"$GPRM"为首,才会进行转换
      reception(reception_the, 7);      //因为只要经纬度,截取前7个","分隔的内容
      lng_the = String(rec[(int)(5)]).toFloat();        //转换为小数储存,下面计算使用
      lat_the = String(rec[(int)(3)]).toFloat();
      lng = String(String((lng_the / 100), 0)) + String(".") + String(String((((lng_the - floor(lng_the / 100)) / 60) * 10000)).substring(0,6));        //经度.换算成分秒
      lat = String(String((lat_the / 100), 0)) + String(".") + String(String((((lat_the - floor(lng_the / 100)) / 60) * 10000)).substring(0,6));        //纬度.换算成分秒
    }
  }
}
```